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糖类的分类及介绍

2022.5.30

单糖

单糖-糖类种结构最简单的一类,单糖分子含有许多亲水基团,易溶于水,不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂,简单的单糖一般是含有3-7个碳原子的多羟基醛或多羟基酮,其组成元素是C,H,O葡萄糖、果糖、半乳糖等。葡萄糖是生命活动的主要能源物质,核糖是RNA的组成物质,脱氧核糖是DNA的组成物质。葡萄糖、果糖的分子式都是:C6H12O6。他们是同分异构体。

生物体内的单糖有多种,如核糖和脱氧核糖是含有5个碳原子的单糖,葡萄糖、果糖和半乳糖是含有6个碳原子的单糖。

单糖由于无法水解成为更小的碳水化合物,因此它是此类中最小的分子。它们是一些具有两个或者更多羟基的醛或酮类。未修饰过的单糖化学式可表达为:(CH2O)n,因其都是碳和水分子的倍数而称为:“碳水化合物”。单糖是一种重要的燃料分子,也是核酸的结构片段。最小的单糖中的n=3,即:二羟基丙酮或D-和L-甘油醛。

丙糖例如:甘油醛

戊糖,五碳糖例如:核糖,脱氧核糖

己糖例如: 葡萄糖,果糖(化学式都是C6H12O6) 

单糖可由三种不同的特征片段来分类:羰基的位置;分子内的碳原子数以及其手性构型。如果羰基在碳链末端分子属醛类,则单糖称:醛糖;若羰基在碳链中间分子属酮类,则单糖称为:酮糖。含有三个碳原子的单糖称为:丙糖;四个碳原子的称为丁糖;五个称为戊糖;六个称为己糖,以此类推。

除在糖分子碳链第一个与最末端的碳原子,每个碳原子都带有一个羟基(-OH)并具有不对称性,使它们的手性中心可以是R或S两种构型。因为这种不对称性,一个确定的糖的分子式可以多种异构体存在。例如:醛糖D-葡萄糖具有分子式(C·H2O)6,其中有六个碳原子是具有手性的,因此D-葡萄糖是2 = 16个可能的立体异构体中的一个。又例如:甘油醛是一种丙醛糖,有一种可能的立体异构体,同时也是对映体和差向异构体。1,3-二羟基丙酮,醛糖丙醛糖所对应的酮糖分子,是一种没有手性中心的对称分子。D或L构型由离羰基最远的不对称碳原子的取向所决定:标准的费歇尔投影式里,若羟基在右侧则分子为D型糖,左侧则为L型糖。这里要注意:“D-”和“L-”前缀不可与“d-”和“l-”相混淆,后者指的是偏振光在糖分子平面下的旋转。“d-”和“l-”在糖化学中现已不太使用。

直链单糖的醛基或者酮基会不可逆的与另外一个碳原子作用形成半缩醛或半缩酮,得到一个带有氧桥连接双碳原子的杂环。由五个或六个原子组成环的分别称为呋喃糖与吡喃糖,这些环状糖与直链形式的糖存在化学平衡。由直链糖形成环状糖的过程中,含有羰基氧原子的碳原子称为:异头碳。这个碳原子在成环后便成为分子内的手性中心,具有两种可能的构型:若氧原子可在平面的上方或下方,这样得到的一对手性异构体称之为:异头物。若在异头碳上的-OH取代基与环外CH2OH基团成反式构型(即不在环一侧)时,则称为:α异头物;另外一种情况两者在环的同一侧,呈现顺式构型,则称为:β异头物。由于环状糖与直链糖本身会互相转化,因此两种异头物存在着平衡。费歇尔投影式中,α异头物被表达为:异头羟基与CH2OH呈现反式,而β异头物则为顺式。 

二糖

由两个连接成一起的单糖组成的糖类,称为二糖。

二糖是由两个单糖单元通过脱水反应,形成一种称为糖苷键的共价键连接而成。在脱水过程中,一分子单糖脱除氢原子,而另一分子单糖脱除羟基。未经修饰的二糖化学式可表达为:C12H22O11。虽然双糖种类繁多,但大多数并不常见。

麦芽糖、蔗糖、乳糖等是常见的二糖。1分子麦芽糖水解产生2分子葡萄糖;1分子蔗糖水解产生1分子葡萄糖和1分子果糖;1分子乳糖水解产生1分子葡萄糖和1分子半乳糖。可见,二糖是由两分子单糖组成。

蔗糖是存量最为丰富的二糖,它们是植物体内存在最主要的糖类。红糖,白糖,冰糖等都是由蔗糖加工制成的。蔗糖由一个D-葡萄糖分子与一个D-果糖分子所组成,其系统命名为:O-α-D-葡萄吡喃糖基-(1→2)-D-果糖呋喃糖苷,它由葡萄糖与果糖组成。葡萄糖为吡喃糖;果糖为呋喃糖。两种单糖的连接方式:在D-葡萄糖的一号碳(C1)上的氧原子连接D-呋喃糖的二号碳(C2)。后缀-糖苷表明了:两个单糖异头碳参与了糖苷键的形成。

乳糖广泛的存在于天然产物中,如:哺乳动物的母乳。

麦芽糖(两个D-葡萄糖通过1,4碳原子连接为α糖)与纤维糖(两个D-葡萄糖通过1,4碳原子连接为β糖)。

二糖还可分类为还原二糖与非还原性二糖,通过两个单糖分子的半缩醛(酮)羟基脱去一分子水而相互连接。这样二糖分子中已没有半缩醛(酮)羟基存在,因此其中任何一个单糖部分都不能再由环式转变成醛(酮)式。这种二糖就没有变旋现象和还原性,也不能生成糖脎,因此称为非还原性二糖。 

此外,三糖是水解后生成三分子的单糖。如棉子糖。淀粉是储蓄物质,纤维素是组成细胞壁,糖元是储能物质。

多糖

化学式为(C6H10O5)n [2]  ,包括淀粉、纤维素、糖原和木糖。

复合糖

糖类的还原端和蛋白质或脂质结合的产物。在生物中分布广泛,有多种重要功能,细胞的识别、定性以及免疫等无不与之有关。糖类和蛋白质结合有以蛋白质为主的称糖蛋白,如血液中的大部分蛋白质;也有以糖为主的,如蛋白聚糖是动物结缔组织的重要成分。和脂质结合的,如脂多糖存在于细菌的外膜,成分以多糖为主;另外有称为糖脂的,组成以脂质为主,大多和细胞的膜连系在一起。糖脂可由鞘氨醇,也可由甘油等衍生,但在自然界分布最广,迄今研究得最多的是鞘糖脂(见鞘脂)。

复合糖的不对称:糖脂和糖蛋白只分布于细胞的外表面。

低聚糖和多聚糖

低聚糖和多聚糖都是由单糖单元通过糖苷键组成的长链分子。两者的区别在于单糖单元在链上的数量:低聚糖通常含有3-10个单糖单元,而多聚糖则超过10个单糖单元。实际应用中,糖的分类更倾向于个人的判断,如通常上述的双糖可以算为低聚糖,也包括了:三糖-棉子糖和四糖-水苏糖。

低聚糖(寡糖)-由2-10个单糖分子聚合而成,水解后可生成单糖,包括二糖、三糖、四糖等。

多聚糖-由10个以上单糖分子聚合而成。经水解后可生成多个单糖或低聚糖。根据水解后生成单糖的组成是否相同,可以分为:

同聚多糖:同聚多糖由一种单糖组成,水解后生成同种单糖。如阿拉伯胶、糖元、淀粉、纤维素等。淀粉和纤维素的表达式都是(C6H10O5)n。但他们不是同分异构体,因为他们的n数量不同。其中淀粉n<纤维素n。

杂聚多糖:杂聚多糖由多种单糖组成,水解后生成不同种类的单糖。如粘多糖、半纤维素等。


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