第2章 糖化学.ppt
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1、糖化学 本章内容:,第一节 引言第二节 单糖的结构和理化性质第三节 寡聚糖的结构和理化性质第四节 多糖的结构和理化性质,本章要求,掌握糖的概念、分类及单糖、二糖和多糖的化学结构和性质。 几种重要的单糖(葡萄糖、果糖)的结构 单糖的性质(醛酮基、羟基、半缩醛羟基所产生的性质) 几种重要的二糖(蔗糖、乳糖和麦芽糖) 几种重要的多糖(淀粉、糖原等) 二糖、多糖的结构和性质。 用比较的方法学习,联系醛、酮化学知识,认识各种糖的特征。,第一节 引言 pp.1,1糖的概念和来源: 糖具有生物学功能的多羟基醛、酮类化合物及其聚合物和衍生物的总称。 来源:绿色植物光合作用糖。 自然界中来源最广、数量最多的一类
2、化合物。 细菌、动物、植物体内均含有多种糖类。,2糖类的生物学作用,作为生物体的结构物质如:纤维素、半纤维素、果胶等多糖杂多糖类植物结构的支持物质,昆虫甲壳称壳多糖 氧化供能(7千焦/克糖4千卡/克糖)如:淀粉、糖原多为生物体内能源物质; 转换成其他生物分子;如:氨基酸、核酸、脂肪酸等提供碳骨架 作为细胞识别的信息物质(如细胞黏附、接触抑制、免疫识别等功能均与糖蛋白的糖链密切相关)。,3.糖的元素组成与结构特点,1)元素组成:碳(C)、氢(H)、氧(O) 2)基本通式 六碳糖:C6H12O6寡糖:n(C6H12O6)(n-1)H2O; n=2,3,4,5n 多糖: n(C6H10O5) 相当于
3、:C + H2O ; 旧称:碳水化合物,3)糖 多羟基醛、酮类化合物及其衍生物或聚合物,4)根据糖的水解性质分类:单糖、寡糖、多糖和复合糖 单糖不能进一步水解的最简单糖类。分类: 根据含碳数分类:丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖 根据羰基特点分为:醛糖和酮糖 pp.2如:葡萄糖、果糖、核糖(具体见下面结构图),三 碳 糖,pp.6-8,四 碳 糖,有C*者通常具有旋光性,pp.6-8,五碳糖,pp.7,六碳糖,寡糖由220个单糖缩合成的糖,双糖 如:乳糖、麦芽糖、蔗糖(如下图),pp.34, 多糖生物体内的主要糖类 pp.2 特点由20个以上单糖缩合而成 根据组成分类:同多糖:单糖相同糖原、淀粉、
4、纤维素、壳聚糖等杂多糖:单糖不同透明质酸、半纤维素等复合多糖:糖与非糖类化合物通过共价结合 如:糖蛋白、糖脂等 根据结构分类:直链多糖(直链淀粉)支链多糖(支链淀粉、糖原),第二节 单糖的结构和理化性质,一、单糖的命名: 习惯命名法(多羟基醛糖、多羟基酮糖): D系醛糖:D-甘油醛、D-赤藓糖、D-苏阿糖、D-核糖、D-阿拉伯糖、D-木糖、D-来苏糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖等。 D系酮糖:D-赤藓酮糖、D-核酮糖、D-木酮糖、D-阿洛酮糖、D-果糖、D-山梨糖、D-塔格糖等。,二、单糖的结构:1.链状结构与构型 pp.7-8 链状结构(醛糖和酮糖) 表达方式(如图),链状结构式的F
5、ischer表达方式,Fischer投影式简单表示法 基本原则,“”:碳链中的C*或羟基连接点;“”:-OH“”:酮基“”:醛基;“”:羟甲基,碳骨架竖直写,氧化程度最高的碳原子在上面。,手性碳及单糖的结构: 什么是手性碳(C*)? 分子中含n个手性碳原子时: 旋光异构体数: 2n 对映体数: 2n/2对 (如图),手性碳镜像异构体,pp.4,Fischer投影式, 单糖的构型 pp.7,D型、L型:距离CHO或C=O最远的C*上-OH在右侧为D型,-OH在左侧为L型; 旋光性 “+” 右旋,“”左旋。D型、L型与 “+”、“”没有必然的联系。 pp.8,D-系醛糖,标志性手性碳上羟基在其右侧
6、,pp.7,酮 糖,D | 系,pp.8,2.单糖的环状结构,变旋现象:单糖由于具有手性C*原子,因此具有旋光性。新配的单糖溶液会发生旋光度的改变,称为 变旋现象。变旋现象由于糖分子在溶液中,其结构在链状和环状间变化,从而导致立体结构变化和旋光度的改变的现象。,pp.8, 环状半缩醛结构的发现,葡萄糖是醛糖,但在实验中其水溶液与一般的醛类性质有所不同。a.不能与Schiff(希福)试剂发生加成反应,即:不能使被H2SO3漂白的品红呈紫红色;b.不与NaHSO3起加成反应;说明:醛基性质被抑制!为什么?推测:葡萄糖溶液具有另外一种结构环状结构 1893年,若贝尔奖获得者:E.Fischer(费歇
7、尔)提出了葡萄糖的环形结构学说。,pp.9,实验证实:糖在水溶液中其醛(或酮)基可与分子内羟基发生可逆缩合,生成半缩醛(或半缩酮),使分子成为环状结构。最稳定的环状结构:五圆环、六圆环 半缩醛酮不稳定,可互相转换:醛环状酮;或 酮环状醛 链状(醛酮)、环状(半缩醛酮)间处于动态平衡。 环状结构更稳定。,-、-异头物,葡萄糖环状结构C1变成了C*(手性)C1差向异构化-型和-型两种立体构型-型和-型糖互成对映体吗? 不成对映体!为什么? 只有C1(半缩醛碳原子)上-OH方向相反,整体成非对映异构体。羰基碳形成的差向异构体称为异头物。其上的-OH为半缩醛羟基。,pp.9,葡萄糖的非歇尔(Fisch
8、er)环状结构,疑义: 氧桥过长,不合乎分子力学原理。,pp.9,葡萄糖的哈沃斯(Haworth)环状结构,葡萄糖形成键长键角均匀的六圆-吡喃环和五圆-呋喃环 稳定性 (所占比例): 六圆环:99%; 五圆环:1.0% 链 状:0.02% 醛酮性质不明显,(哈沃斯结构式),pp.10,pp.10,在环状结构中半缩醛C被称为异头碳(异头中心); 当半缩醛-OH与费歇尔环同侧、与末位CH2OH在哈沃斯环异侧时,称为型; 当半缩醛-OH与费歇尔环在异侧、或与末位CH2OH在哈沃斯环同侧时,称为型。 型和型可通过链式结构相互转换。,葡萄糖结构,多羟基 醛链式半缩醛,吡喃糖,呋喃糖,D-,D-,D-,D
9、-,果糖的Haworth,要求: 背写:葡萄糖、果糖的链状结构与主要的哈沃斯(吡喃型、呋喃型)环状结构; 掌握判断-,-构型方法;,构型?,三、单糖的性质 pp.13,1.单糖的物理性质a.旋光性几乎所有的单糖均有旋光性,在水中有变旋现象。各种单糖的比旋光度,如pp.14表1-1 旋光度(旋光率)计算方法:旋光仪读数;c:糖水溶液浓度(g/100mL);l :旋光管长度(dm); 20:测定温度; D:所用光源为钠光源,变 旋 性(mutarotation),糖溶液放置时具有变旋现象。 变旋原因: 糖在环状-、链状、环状- 间互变; 变旋作用是可逆的。当-与-互变达到平衡时,比旋光度处于稳定状
10、态(此时-与-构型不以等数量存在); 最终葡萄糖的比旋光度为+52.5o,b甜度: pp.15 表1-2 甜度通常以蔗糖为标准(100%),果糖最甜,几乎是蔗糖的两倍。各种糖甜度呈下列顺序:果糖转化糖(水解的蔗糖)木糖醇蔗糖葡萄糖木糖鼠李糖 麦芽糖半乳糖 棉子糖乳糖 蜂蜜含83%的转化糖。 c溶解度 pp.15 单糖为多羟基化合物,因此易溶于水(除甘油醛微溶外)。尤其在热水中溶解度极大。 微溶于乙醇; 不溶于乙醚、丙酮等非极性溶剂。,2.单糖化学性质,(1)异构化(弱碱的作用) pp.15-16单糖对稀酸稳定,但对碱可有多种反应,生成不同产物。异构化是其中一种。 例如:,在碱性水溶液中单糖发生
11、分子重排,通过烯二醇中间物相互转化,称为酮-烯醇互变异构。,(2)由醛基、酮基产生的性质1)单糖被氧化(具有还原性)2)单糖被还原(具有氧化性)3)单糖的成脎作用,1)单糖的氧化(具有还原性) 单糖的自由醛基、酮基可在碱性条件下,转变成活泼的烯二醇,因此,具有还原性。能使弱氧化剂(Cu2+、Ag+、Hg2+等)还原,自身被氧化为糖酸。 如 pp.16-17 氧化剂不同,醛糖的氧化产物也不同。,酮糖不稳定,遇较强氧化剂可被分解成小分子。在碱性条件下酮糖可异构化为醛糖; pp.16 醛、酮糖均为还原性糖 葡萄糖在葡萄糖酶催化下可分解成CO2和水。,2)单糖被还原(具有氧化性) pp.17,单糖中的
12、游离醛基、酮基可被还原成多元醇(糖醇)的单糖衍生物。如葡萄糖:,3)单糖的成脎作用 pp.18,单糖的醛、酮基可与苯肼等反应生成苯腙,苯腙可被苯肼氧化成酮苯腙。酮苯腙再与苯肼氧化成脎。因此,单糖可与三分子苯肼成脎。,-OH可进一步被苯肼氧化成酮苯腙,再与苯肼成脎,成脎 单糖(还原糖)定性检验反应,糖苯腙物理性质随其结构改变而不同。 糖脎十分稳定,且不溶于水,从热水中析出为黄色晶体。 除上列糖外,其他糖成脎产物均不同,物理性质也不同。如晶形、熔点等。 成脎反应可用于鉴别多种还原糖。pp.18,D-葡萄糖、D-果糖、D-甘露糖除C1、C2外结构均相同,成脎产物也相同。 因此不能用成脎反应鉴别上列糖
13、;,(3)由羟基或半缩醛羟基产生的性质,1)单糖成酯作用 pp.18 单糖分子所有羟基均可与脂肪酸缩合生成酯。在糖代谢、核酸代谢中应用广泛。,在体外磷酸化因为需能不易发生; 体内多由ATP提供磷酸基团和能量。,2)成苷作用 pp.19,单糖半缩醛羟基容易与醇羟基和酚羟基缩合,生成缩醛式衍生物糖苷; 缩合产生的键糖苷键; 具有型和型之分;,3) 脱水性 pp.19,单糖内羟基在强酸条件下加热脱掉3分子水,可生成糠醛或糠醛的衍生物。最直接的是醛糖。 pp.20 反应结构式。,糠醛及其衍生物可与多元酚作用,产生特有的颜色反应。 羟甲糠醛与间苯二酚反应,可生成红色缩合物,酮糖反应迅速,醛糖则较慢可用于
14、鉴定酮糖(如果糖) 羟甲基糠醛与邻甲苯胺反应生成绿色化合物,可用于葡萄糖定量测定。(生化实验检中用于测定血糖),4)单糖的衍生物,单糖在酶的催化下可生成糖酯、糖苷、糖酸、糖醇和脱氧糖等衍生物。 糖酯:单糖各-OH与磷酸或乙酸酐缩合,可形成磷酸糖酯或乙酰糖酯; pp.25 糖醇:醛酮基还原为醇。 pp.26易溶于水及乙醇中,性质稳定、有甜味,且可还原Fehling 试剂;,糖酸:由单糖的伯醇基氧化成羧基;pp.28 糖胺(氨基糖):为糖蛋白的组分,糖中C2、C3上-OH被-NH2取代。如-乙酰-葡糖胺; pp.30 糖苷:糖的半缩醛羟基与醇和胺脱水缩合生成糖苷。 pp.31 天然糖苷中含有:醇、
15、醛、酚、固醇、嘌呤、嘧啶类等;,单糖化学性质总结,(1)由醛基、酮基产生的性质1)单糖被氧化(具有还原性)2)单糖被还原(具有氧化性)3)单糖的成脎作用 (2)由半缩醛羟基和羟基产生的性质1)成酯; 2)成苷; 3)脱水;4)形成各种衍生物,作业:,1.单糖的结构特征 2.单糖中各种醛糖与酮糖的共同性质; 3.葡萄糖、果糖的结构、理化性质及可能采用的检测方法。 4.写出葡萄糖、果糖成脎的反应式。 (参考pp.18),第三节寡糖的结构和理化性质,寡糖由2-20个单糖以糖苷键连接而成(单元上限不确定)。初生寡糖:生物体内游离低级寡糖(蔗糖、乳糖等);次生寡糖:结构复杂的高级寡糖,作为结构成分。 稀
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