藥學(xué)的生物化學(xué)-教材建設(shè):生命的分子基礎(chǔ)

第一篇  生命的分子基礎(chǔ)

第一章  糖的化學(xué)

第一節(jié)  概 述

一、糖的概念、分布及主要生物學(xué)作用

（一)糖的概念、分布

糖類是自然界存在的一大類具有廣譜化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物功能的有機(jī)化合物。它由碳、氫及氧3種元素組成，其分子式是C_n(H₂O)_n。一般把糖類看作是多羥基醛或多羥基酮及其聚合物和衍生物的總稱。

由于一些糖分子中氫原子和氧原子間的比例為2∶1，剛好與水分子中氫、氧原子數(shù)的比例相同，過去誤認(rèn)為此類物質(zhì)是碳與水的化合物，因此曾將糖叫做碳水化合物（carbohydrates)。但實際上有些糖，如鼠李糖（ramonse，C₆H₁₂O₅)和脫氧核糖（deoxyribose，C₅H₁₀O₄)等，它們分子中氫、氧原子數(shù)之比并非2∶1。

糖是生物界中分布極廣、含量較多的一類有機(jī)物質(zhì)，幾乎所有的動物、植物、微生物體內(nèi)都含有它。其中以植物界最多，約占其干重的80%。生物細(xì)胞內(nèi)、血液里也有葡萄糖或由葡萄糖等單糖物質(zhì)組成的多糖（如肝糖原、肌糖原)存在。人和動物的器官組織中含糖量不超過組織干重的2%。微生物體內(nèi)含糖量約占菌體干重的10%~30%。它們或以糖或與蛋白質(zhì)、脂類結(jié)合成復(fù)合糖存在。

（二)糖的主要生物學(xué)作用

1．糖是人和動物的主要能源物質(zhì)  糖類物質(zhì)的主要生物學(xué)作用是通過氧化而放出大量的能量，以滿足生命活動的需要。如糧食的主要成分是淀粉，在體內(nèi)水解成葡萄糖，在組織細(xì)胞中氧化，為機(jī)體的一切活動提供能量。糖在自然界還是能量貯存的一種重要形式，動物除利用植物淀粉為能源物質(zhì)外，草食動物和某些微生物還存在利用纖維素作能源。淀粉、糖原也能轉(zhuǎn)化為生命必需的其他物質(zhì)，如蛋白質(zhì)和脂類物質(zhì)。

2．糖類還具有結(jié)構(gòu)功能  植物莖桿的主要成分纖維素是起支持作用的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。細(xì)胞間質(zhì)中的粘多糖也是結(jié)構(gòu)物質(zhì)。細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)、脂類有些是與糖結(jié)合而成的糖蛋白和糖脂，它們都是具有重要生理功能的物質(zhì)。

3．糖具有復(fù)雜的多方面的生物活性與功能  戊糖是核苷酸的重要組成成分，1，6-二磷酸果糖可治療急性心肌缺血性休克，多糖類則廣泛作用于免疫系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等疾病的治療。香菇多糖、豬苓多糖、胎盤脂多糖、肝素、透明質(zhì)酸、右旋糖酐等都已在臨床應(yīng)用，為腫瘤、艾滋病及其他疾病的治療開辟了新方向。

二、糖的分類

根據(jù)糖類物質(zhì)含糖單位的數(shù)目而分成以下幾類。

1．單糖（monosaccharide)  凡不能被水解成更小分子的糖稱為單糖。單糖是糖類中最簡單的一種，是組成糖類物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。單糖又可根據(jù)其分子中含碳原子多少分類。最為簡單的單糖是三碳糖，在自然界分布廣、意義大的是五碳糖和六碳糖，它們分別稱為戊糖（pentose)和己糖（hexose)。核糖（ribose)、脫氧核糖屬戊糖，葡萄糖、果糖和半乳糖（galactose)為己糖。下面簡要敘述和人體營養(yǎng)及代謝有關(guān)的單糖：

（1)丙糖：只有兩種，即甘油醛和二羥丙酮，它們是糖代謝的中間產(chǎn)物。

（2)丁糖：在自然界常見的也有兩種，即D-赤蘚糖和D-赤蘚酮糖，它們的磷酸酯是糖代謝的重要中間產(chǎn)物。

（3)戊糖：在自然界存在的戊醛糖主要有D-核糖、D-木糖。它們大多以聚戊糖或糖苷的形式存在。在核酸中還有D-2-脫氧核糖。戊酮糖有D-核酮糖和D-木酮糖，都是糖代謝的中間產(chǎn)物。

（4)己糖：在自然界分布最廣，數(shù)量也最多，和機(jī)體的營養(yǎng)代謝也最密切。重要的己醛糖有D-葡萄糖、D-半乳糖和D-甘露糖；己酮糖則有D-果糖。

葡萄糖可以單糖存在，但絕大多數(shù)以多糖形式存在，也可以組成糖苷，果糖是糖類中最甜的糖，以組成二糖的形式為多見。半乳糖亦以乳糖、棉子糖或瓊膠等二糖、三糖或多糖形式為常見，這三種己糖對人體的營養(yǎng)最重要，是人體獲得能量的最主要來源。

（5)庚糖：單糖中還有一種庚酮糖，又稱D-景天庚酮糖，它并不游離存在，而以磷酸酯的形式為糖代謝的重要中間產(chǎn)物。

2．寡糖（oligosaccharide)，是由單糖縮合而成的短鏈結(jié)構(gòu)（一般含2~6個單糖分子)。其中，二糖是寡糖中存在最為廣泛的一類，蔗糖（sucrose)、麥芽糖（maltose)和乳糖（lactose)是其重要代表。單糖和寡糖能溶于水，多有甜味quanxiangyun.cn/job/。

（1)二糖：又稱雙糖，為兩分子單糖以糖苷鍵連接而成，水解后生成兩分子單糖，有的有還原性，有的沒有，但都有旋光性。最常見的為食物中的蔗糖、麥芽糖和乳糖。

（2)三糖：以棉子糖為常見，存在于棉子和桉樹的糖蜜中，甜菜中也有棉子糖，它是半乳糖、葡萄糖和果糖以糖苷鍵連接的三糖。

3．多糖（polysaccharide)  由許多單糖分子縮合而成的長鏈結(jié)構(gòu)，分子量都很大，在水中不能成真溶液，有的成膠體溶液，有的根本不溶于水，均無甜味，也無還原性。多糖有旋光性，但無變旋現(xiàn)象。多糖與人類生活關(guān)系極為密切，其中最重要的多糖是淀粉（starch)、糖原（glycogen)和纖維素（cellulose)等。多糖中有一些是與非糖物質(zhì)結(jié)合的糖稱為復(fù)合糖，如糖蛋白和糖脂。

第二節(jié)  多糖的化學(xué)

到目前為止，人類已發(fā)現(xiàn)了幾百種天然多糖。多糖不但是動植物的主要結(jié)構(gòu)支持物質(zhì)（如甲殼類動物中的幾丁質(zhì)，植物中的纖維素)，而且也是生物體主要能量來源（如淀粉、糖原)。同時多糖也是工業(yè)上重要多聚體的原料來源，如食品工業(yè)上不可缺少的卡拉膠，石油工業(yè)上應(yīng)用的田菁膠等。不但如此，多糖還具有復(fù)雜的多方面的生物活性與功能。多糖的糖鏈能控制細(xì)胞的分裂與分化，調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長與衰老。特別是多糖作為廣譜免疫調(diào)節(jié)劑可用于免疫性疾病的治療�，F(xiàn)在多糖研究的主要目標(biāo)是一方面進(jìn)一步尋找活性更高，特別是對腫瘤、艾滋病更有效的多糖，另一方面著重進(jìn)行構(gòu)效關(guān)系的研究。因為一旦構(gòu)效關(guān)系闡述清楚，將對發(fā)現(xiàn)新的多糖起指導(dǎo)作用，并對藥物學(xué)、分子生物學(xué)的理論作出新貢獻(xiàn)。

一、多糖的分類

多糖的分類方法較多，有按其來源、生理功能、組成成分及按多糖存在的場所分類等。在本書中僅采用三種分類方法，即：按其來源、生理功能和組成成分分類，其他不一一詳述。

（一)多糖按其來源的分類

1．植物多糖  從植物，尤其是從中藥材中提取的水溶性多糖。如當(dāng)歸多糖、枸杞多糖、大黃多糖、艾葉多糖、紫根多糖、柴胡多糖等。這類多糖多數(shù)沒有細(xì)胞毒性而藥物質(zhì)量通過化學(xué)手段容易控制，已成為當(dāng)今新藥研究的發(fā)展方向之一。另一類植物多糖是水不溶性多糖，如淀粉、纖維素等。

2．動物多糖  從動物的組織、器官及體液中分離、純化得到的多糖。這類多糖多數(shù)為水溶性的粘多糖，并且也是最早用作為藥物的多糖。如肝素、硫酸軟骨素、透明質(zhì)酸、豬胎盤脂多糖等。

3．微生物多糖  如香菇多糖，茯苓多糖，銀耳多糖，豬苓多糖，云芝多糖等。這類多糖主要對腫瘤治療及調(diào)節(jié)機(jī)體免疫效果顯著。

4．海洋生物多糖  從海洋、湖沼生物體內(nèi)分離、純化得到的多糖。這類多糖具有較為廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，如甲殼素（幾丁質(zhì))、螺旋藻多糖等。

（二)多糖按其在生物體內(nèi)的生理功能的分類

1．貯存多糖  是細(xì)胞在一定生理發(fā)展階段形成的材料，主要以固體形式存在，較少是溶解的或高度水化的膠體狀態(tài)。貯存多糖是作為碳源的底物貯存的一類多糖，在需要時可通過生物體內(nèi)酶系統(tǒng)的作用分解而釋放能量，故又稱為貯能多糖。淀粉和糖原分別是植物和動物的最主要貯存多糖。

2． 結(jié)構(gòu)多糖  也稱水不溶性多糖，具有硬性和韌性。結(jié)構(gòu)多糖在生長組織里進(jìn)行合成，是構(gòu)成細(xì)菌細(xì)胞壁或動、植物的支撐組織所必需的物質(zhì)，如幾丁質(zhì)、纖維素。

（三)多糖按其組成成分的分類

1．同聚多糖（均一多糖)（homopolysaccharide)  多糖是由一種單糖縮合而成，如淀粉、糖原、纖維素、戊糖膠、木糖膠、阿拉伯糖膠、幾丁質(zhì)等。

2．雜聚多糖（不均一多糖)（heteropolysaccharide)  多糖是由不同類型的單糖縮合而成，如肝素、透明質(zhì)酸和許多來源于植物中的多糖如波葉大黃多糖、當(dāng)歸多糖、茶葉多糖等。

3．粘多糖（mucopolysaccharide)  是一類含氮的不均一多糖，其化學(xué)組成通常為糖醛酸及氨基己糖或其衍生物，有的還含有硫酸。如透明質(zhì)酸、肝素、硫酸軟骨素等。粘多糖也稱為糖胺聚糖（glycosaminoglycan)。

4．結(jié)合糖  也稱糖復(fù)合物（glycoconjugate)或復(fù)合糖，是指糖和蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等非糖物質(zhì)結(jié)合的復(fù)合分子。主要有以下幾類：

（1)糖蛋白（glycoproteins)：是糖與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合的復(fù)合分子。其中糖的含量一般小于蛋白質(zhì)。糖和蛋白質(zhì)結(jié)合的方式有：

1)和含羥基的氨基酸（絲氨酸、蘇氨酸、羥賴氨酸等)以糖苷形式結(jié)合，稱為O連接。

2)糖和天冬酰胺的酰胺基連接，稱為N連接。N連接的糖鏈多數(shù)具有Man-β-1,4-GlcNAc-βAsn結(jié)構(gòu)。此外還有連接著很多甘露糖的高甘露糖類型等。

常見的糖蛋白包括人紅細(xì)胞膜糖蛋白、血漿糖蛋白、粘液糖蛋白等。此外，酶也有不少為糖蛋白，具有運載功能的蛋白質(zhì)也有不少為糖蛋白，很多激素、血型物質(zhì)、作為結(jié)構(gòu)原料或起著保護(hù)作用的蛋白質(zhì)等，是糖蛋白。

（2)蛋白聚糖（proteoglycan):也是一類由糖與蛋白質(zhì)結(jié)合形成的非常復(fù)雜的大分子糖復(fù)合物，其中蛋白質(zhì)含量一般少于多糖。蛋白聚糖主要由糖胺聚糖鏈共價連接于核心蛋白所組成，根據(jù)其組織來源的不同分別稱為軟骨蛋白聚糖、動脈蛋白聚糖、角膜蛋白聚糖等，或根據(jù)其所含糖胺聚糖種類的不同分別稱為硫酸軟骨素蛋白聚糖、硫酸皮膚素蛋白聚糖和肝素蛋白聚糖等。蛋白聚糖是構(gòu)成動物結(jié)締組織大分子的基本物質(zhì)，也存在于細(xì)胞表面，參與細(xì)胞與細(xì)胞，或者細(xì)胞與基質(zhì)之間的相互作用等。

（3)糖脂（glycolipids)：是糖和脂類以共價鍵結(jié)合形成的復(fù)合物，組成和總體性質(zhì)以脂為主體。根據(jù)國際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)盟和國際生化聯(lián)盟（IUPAC-IUB)命名委員會所下的定義，糖脂是糖類通過其還原末端以糖苷鍵與脂類連接起來的化合物。根據(jù)脂質(zhì)部分的不同，糖脂又可分為：

1)分子中含鞘氨醇的鞘糖脂（glycosphingolipids):又分中性和酸性鞘糖脂兩類，分別以腦苷脂和神經(jīng)節(jié)苷脂為代表。

2)分子中含甘油脂的甘油糖脂（glycoglycerolipids)。

3)由磷酸多萜醇衍生化的糖脂。

4)由類固醇衍生化的糖脂

糖脂廣泛存在于生物體，其主要的功能包括參與細(xì)胞與細(xì)胞間相互作用和識別，參與細(xì)胞生長調(diào)節(jié)、癌變和信息傳遞以及與生物活性因子的相互作用，細(xì)胞表面標(biāo)記和抗原及免疫學(xué)功能等。

（4)脂多糖（Lipopolysaccharide):也是糖與脂類結(jié)合形成的復(fù)合物，與糖脂不同的是在脂多糖中以糖為主體成分。常見的脂多糖有胎盤脂多糖，細(xì)菌脂多糖等。

二、重要多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)與生理功能

（一)淀粉

淀粉（starch)是高等植物的貯存多糖，在植物種子、塊根與果實中含量很多。大米中淀粉含量可達(dá)70%~80%，它是供給人體能量的主要營養(yǎng)物質(zhì)。

圖1-1  支鏈淀粉分支之間結(jié)合鍵

天然淀粉是由直鏈淀粉（amylose)和支鏈淀粉（amylopectin)兩種成分組成。它們都是由α-D-葡萄糖縮合而成的同聚多糖。直鏈淀粉是由α-1，4糖苷鍵相連而成的直鏈結(jié)構(gòu)，分子量約為3.2×10⁴~1×10⁵。其空間結(jié)構(gòu)為空心螺旋狀，每一圈螺旋約含6個葡萄糖單位。

支鏈淀粉的分子比直鏈淀粉大，分子量在1×10⁵~1×10⁶之間，它是由多個較短的α-1，4糖苷鍵直鏈（通常約24~30個葡萄糖單位)結(jié)合而成。每兩個短直鏈之間的連接為α-1，6糖苷鍵，其結(jié)構(gòu)的一部分簡示如圖1-1。

淀粉在冷水中不溶解，但在加熱的情況下淀粉可吸收水而膨脹成糊狀。直鏈淀粉遇碘產(chǎn)生藍(lán)色，據(jù)認(rèn)為這是由于葡萄糖單位形成6圈以上螺旋所致。支鏈淀粉遇碘則產(chǎn)生紫紅色。

淀粉水解進(jìn)程中產(chǎn)生的一系列分子大小不等的多糖稱為糊精（dextrins)。淀粉水解時一般先生成淀粉糊精（遇碘成藍(lán)色)，繼而生成紅糊精（遇碘成紅色)，再生成無色糊精（與碘不顯色)以及麥芽糖，最終生成葡萄糖。

（二)糖原

糖原（glycogen)又稱動物淀粉，是動物體內(nèi)的貯存多糖，主要存在于肝及肌肉中。

糖原也是由α-D-葡萄糖構(gòu)成的同聚多糖，分子量約在2.7×10⁵~3.5×10⁶之間。它的結(jié)構(gòu)與支鏈淀粉相似，也是帶有α-1，6分支點的α-1，4-葡萄糖多聚物。但分支比支鏈淀粉多，每一短鏈約含8~10個葡萄糖單位，其基本結(jié)構(gòu)如圖1-2。

圖1-2  糖原分子的部分結(jié)構(gòu)示意

糖原遇碘產(chǎn)生紅色，徹底水解后產(chǎn)生D-葡萄糖。糖原的生理功用是：肌肉中的糖原為肌肉收縮所需的能源，肝臟中的糖原可分解為葡萄糖進(jìn)入血液，運輸?shù)礁鹘M織利用。

（三)葡聚糖

葡聚糖（dextran)又稱右旋糖酐。是酵母菌及某些細(xì)菌中的貯存多糖。它也是由多個葡萄糖縮合而成的同聚多糖。但與糖原、淀粉不同之處在葡萄糖之間幾乎均為α-1，6連接，偶爾也通過α-1，2、α-1，3或α-1，4連接而形成分支狀。右旋糖酐作為代血漿已用于臨床。

（四)纖維素

纖維素（cellulose)是自然界最豐富的有機(jī)物質(zhì)，其含量占生物界全部有機(jī)碳化物的一半以上。它是構(gòu)成植物細(xì)胞壁和支撐組織的重要成分。纖維素是由許多β-D-葡萄糖苷-1，4-糖苷鍵連接而成的直鏈同聚多糖，其分子中的β-D-葡萄糖連接方式見圖1-3。

圖1-3  纖維素分子的β-D-葡萄糖連接方式

纖維素不溶于水、稀酸及稀堿。其結(jié)構(gòu)中的β-1，4鍵對酸水解有較強(qiáng)的抵抗力，用強(qiáng)礦酸水解可生產(chǎn)D-葡萄糖及部分水解產(chǎn)物纖維二糖。大多數(shù)哺乳動物的消化道不分泌水解β-1，4-糖苷鍵的酶，因此他們不能消化纖維素。但反芻動物（牛、羊)消化道中存在的細(xì)菌產(chǎn)生水解纖維素的酶，故這些動物能利用纖維素作養(yǎng)料。

纖維素結(jié)構(gòu)中的每一個葡萄糖殘基含有3個自由羥基，因此能與酸形成酯。纖維素與濃硝酸作用生成硝化纖維素（纖維素三硝酸酯)，它是炸藥的原料。纖維素一硝酸酯和二硝酸酯混合物的醇醚溶液為火棉膠，其在醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)上應(yīng)用很廣。纖維素與醋酸結(jié)合生成的醋酸纖維素是多種塑料的原料。還可制成離子交換纖維素，如羧甲基纖維素（CM纖維素)、二乙基氨基乙基纖維素（DEAE纖維素)等都是常用的生化分析試劑。食物中的纖維素雖然不被人體吸收，但可以在人體胃腸道中吸附有機(jī)和無機(jī)物供腸道正常菌群利用，維持正常菌群的平衡。此外，食物中的纖維素還具有促進(jìn)排便等功能。

（五)瓊膠

瓊膠（agar)又稱瓊脂，是一些海藻所含的多糖。其單糖組成為L-及D-半乳糖。它的化學(xué)結(jié)構(gòu)是D-半乳糖以α-1，3-糖苷鍵連接成短鏈（含9個D-半乳糖單位)再與L-半乳糖以1，4-糖苷鍵相連，L-半乳糖C₆結(jié)合一硫酸基（圖1-4)。

圖1-4  瓊膠結(jié)構(gòu)示意圖

瓊膠能吸水膨脹，不溶于冷水，但可溶于熱水成溶膠，冷卻后成凝膠。瓊膠不易被細(xì)菌分解，所以被用作細(xì)菌培養(yǎng)基的凝固劑。

（六)幾丁質(zhì)

幾丁質(zhì)（chitin)  又稱甲殼素或殼多糖，是蝦、蟹和昆蟲甲殼的主要成分。此外，低等植物、菌類和藻類的細(xì)胞膜，高等植物的細(xì)胞壁等也含有幾丁質(zhì)。其量僅次于纖維素。幾丁質(zhì)是由N-乙酰氨基葡萄糖通過β-1，4糖苷鍵連接起來的同聚多糖（圖1-5)。幾丁質(zhì)在醫(yī)藥、化工及食品行業(yè)具有較為廣泛的用途，如作為藥用輔料，貴重金屬回收吸附劑，高能射線輻射防護(hù)材料等。

圖1-5  幾丁質(zhì)結(jié)構(gòu)示意

（七)粘多糖類

具有代表性的粘多糖有下列幾類：

1．透明質(zhì)酸  透明質(zhì)酸（hyaluronic acid)存在于動物的結(jié)締組織、眼球的玻璃體、角膜、關(guān)節(jié)液中。因其具有很強(qiáng)的吸水性，在水中能形成粘度很大的膠狀液，故有粘合與保護(hù)細(xì)胞的作用。存在于某種細(xì)菌及蜂毒中的透明質(zhì)酸酶能促進(jìn)透明質(zhì)酸水解，使其失去特有的粘性以便于異物的入侵。透明質(zhì)酸酶又是一種藥物，利用它水解透明質(zhì)酸，使藥物容易擴(kuò)散至病變部位以提高治療效果。

透明質(zhì)酸由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰氨基葡萄糖交替組成。其結(jié)構(gòu)為葡萄糖醛酸與N-乙酰氨基葡萄糖以β-1，3鍵連接成二糖單位（圖1-6)，后者再以β-1，4鍵同另一個二糖單位連成線性結(jié)構(gòu)。

圖1-6  透明質(zhì)酸的二糖單位結(jié)構(gòu)示意

2．硫酸軟骨素  硫酸軟骨素（chondroitin sulfate)是體內(nèi)最多的粘多糖，為軟骨的主要成分。其結(jié)構(gòu)也是一類二糖的聚合物，分為A、B、C三種，其組成單位如下：

硫酸軟骨素A：葡萄糖醛酸-1，3-N-乙酰氨基半乳糖-4-硫酸酯

硫酸軟骨素B：艾杜糖醛酸-1,3-N-乙酰氨基半乳糖-4-硫酸酯

硫酸軟骨素C：葡萄糖醛酸-1,3-N-乙酰氨基半乳糖-6-硫酸酯

其中硫酸軟骨素B又叫硫酸皮膚素，是存在于皮膚的粘多糖。

硫酸軟骨素有降血脂和的抗凝血作用，臨床用于冠心病和動脈粥樣硬化的治療。

3．肝素  肝素（heparin)最早在肝中發(fā)現(xiàn)，故稱為肝素。但它也存在于肺、血管壁、腸粘膜等組織中，是動物體內(nèi)一種天然抗凝血物質(zhì)。

肝素的組成是硫酸氨基葡萄糖、葡萄糖醛酸和艾杜糖醛酸的硫酸酯。其結(jié)構(gòu)中氨基葡萄糖苷為α型，糖醛酸糖苷是β型，肝素分子結(jié)構(gòu)中四糖重復(fù)單位見圖1-7。

圖1-7  肝素結(jié)構(gòu)中的四糖重復(fù)單位結(jié)構(gòu)示意

肝素在臨床上用作血液體外循環(huán)時的抗凝劑，也用于防止脈管中血栓形成。肝素能使細(xì)胞膜上脂蛋白脂酶釋放進(jìn)入血液，該酶使極低密度脂蛋白所攜帶的脂肪水解，因而肝素有降血脂作用。肝素經(jīng)水解破壞其硫酸基制成改構(gòu)肝素，其抗凝血作用降低，但降血脂作用不改變。體內(nèi)重要的粘多糖除上述三種以外尚有硫酸角質(zhì)素（keratan sulfate)、硫酸類肝素（heparan sulfate)等（見表1-1)。

表1-1  粘多糖的組成成分及分布

（八)細(xì)菌多糖

1．肽聚糖  肽聚糖（peptidoglycan)又稱胞壁質(zhì)（murein)，是構(gòu)成細(xì)菌細(xì)胞壁基本骨架的主要成分。

肽聚糖是一種多糖與氨基酸鏈相連的多糖復(fù)合物。由于此復(fù)合物中氨基酸鏈不像蛋白質(zhì)那樣長，因此，此聚合物稱為肽聚糖。

肽聚糖結(jié)構(gòu)中的D-氨基酸肽有抵抗肽水解酶的作用，故對細(xì)菌細(xì)胞有保護(hù)作用。溶菌酶能水解肽聚糖結(jié)構(gòu)中的β-1，4糖苷鍵，而導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞膨脹破裂，所以該酶能溶解革蘭陽性菌的機(jī)制即在于此。

青霉素的抗菌作用就在于抑制肽聚糖的生物合成，使得肽聚糖合成不完全，細(xì)胞壁不完整，不能維持正常生長，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

2．脂多糖  革蘭陰性菌的細(xì)胞壁較復(fù)雜，除含有低于10%的肽聚糖外，尚含有十分復(fù)雜的脂多糖。脂多糖一般由外層低聚糖鏈、核心多糖及脂質(zhì)三部分所組成。

細(xì)菌脂多糖的外層低聚糖是使人致病的部分，其單糖組份隨菌株而不相同，各種菌的核心多糖鏈均相似。

三、多糖分離、純化及降解的原理

（一)多糖的提取與分離

由于各類多糖的性質(zhì)及來源不同，所以提取方法也各有所異，主要可歸納為以下幾類：

第一類  難溶于水，可溶于稀堿液的主要是膠類，如木聚糖及半乳聚糖等。原材料粉碎后用0.5mol/L NaOH水溶液提取，提取液經(jīng)中和及濃縮等步驟，最后加入乙醇，即得粗糖沉淀物。

第二類  易溶于溫水，難溶于冷水的多糖，可用70~80℃熱水抽提，提取液用氯仿∶正丁醇（4∶1)混合除去蛋白質(zhì)，經(jīng)透析、濃縮后再加入乙醇即得粗多糖產(chǎn)物。

第三類  粘多糖的提取。在組織中，粘多糖多與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，故提取時需設(shè)法破壞粘多糖與蛋白質(zhì)之間的結(jié)合鍵。通常使用蛋白酶水解蛋白部分或用堿處理，使粘多糖與蛋白質(zhì)之間的結(jié)合鍵斷裂，以促進(jìn)粘多糖的釋放以便于提取。

（1)堿液抽提法：本法的主要依據(jù)是蛋白聚糖的糖肽鍵對堿不穩(wěn)定。原料經(jīng)預(yù)處理后用0.5mol/L NaOH溶液于4℃提取，提取液用酸中和。蛋白質(zhì)可用調(diào)pH、加熱或用白陶土吸附去除。最后以乙醇沉淀即可獲成品。從軟骨中提取軟骨素即用此法。

（2)蛋白水解酶消化法：從組織中釋出粘多糖的方法，經(jīng)常使用的是以蛋白水解酶進(jìn)行消化。一般應(yīng)用專一性低的蛋白酶如木瓜蛋白酶及鏈霉蛋白酶以進(jìn)行廣泛的蛋白質(zhì)水解。經(jīng)酶消化后的提取液中主要含有低分子量的蛋白消化產(chǎn)物及殘存蛋白等雜質(zhì)。蛋白雜質(zhì)可用5%三氯醋酸沉淀去除，小分子的雜質(zhì)可用透析法去除。最后加入乙醇可得粘多糖沉淀。

（二)多糖的純化

多糖的純化方法很多，須根據(jù)條件適當(dāng)選擇。必要時可使用多種方法以達(dá)到理想的分離結(jié)果。

1．分級沉淀法  用乙醇進(jìn)行分級分離是分離多糖混合物的經(jīng)典方法，并且適用于大規(guī)模分離。例如于動物軟骨消化液中加入1.25倍乙醇可得到近乎純的硫酸軟骨素，而硫酸角質(zhì)素則存留于乙醇上清液中。該法往往需要多次重復(fù)進(jìn)行才能達(dá)到較好結(jié)果。

2．季銨鹽絡(luò)合法  粘多糖的聚陰離子與某些表面活性物質(zhì)，如十六烷基三甲基溴化銨[CH­₃—（CH₂)₁₄—CH₂—N⁺（CH₃)₃—Br，CTAB]中的季銨基陽離子結(jié)合生成季銨絡(luò)合物。這些絡(luò)合物在低離子強(qiáng)度的水溶液中不溶解。當(dāng)離子強(qiáng)度增大時，這些絡(luò)合物可以解離并溶解。本法的優(yōu)點是既適用于實驗室又適用于生產(chǎn)。

3．離子交換層析  常用的交換劑為DEAE-纖維素，此法適用于分離各種酸性、中性多糖。在pH為6時酸性多糖吸附于交換劑上，中性多糖不吸附，然后可用逐步提高鹽濃度的洗脫液進(jìn)行洗脫進(jìn)而達(dá)到分離的目的。

4．制備性區(qū)帶電泳 根據(jù)各種多糖的分子大小、形狀及其所帶電荷的不同亦可用電泳法進(jìn)行分離。��

5．固定化凝集素的親和層析法 近年來根據(jù)凝集素能專一地、可逆地與游離的和復(fù)合糖類中的單糖或寡糖結(jié)合的性質(zhì)，利用固定化凝集素親和層析作出分離純化糖蛋白的手段。這一方法簡單易行，在溫和條件下進(jìn)行不破壞糖蛋白活性。��

固定化的刀豆凝集素(concanavalinA, Con A)是應(yīng)用最普遍的固定化凝集素。Con A能專一地與甘露糖基結(jié)合，各種含糖的酶如α-和β-半乳糖苷酶、過氧化物酶、干擾素等都可用固定化Con A純化。��

(三)多糖的降解��

天然來源的多糖由于其分子量較大，且有的多糖還具有緊密的晶體結(jié)構(gòu)(如甲殼素)，因此，不溶于普通溶劑(如甲殼素只能在某些強(qiáng)酸性介質(zhì)中溶解)，從而限制了它們的應(yīng)用范圍。選擇適當(dāng)?shù)臈l件和方法對甲殼素進(jìn)行控制降解，制備其低聚糖衍生物，可以擴(kuò)大使用范圍。目前，多糖類物質(zhì)降解的方法主要有化學(xué)降解法，酶法降解、氧化降解、輻射降解等幾種，以甲殼素和肝素為例。��

1．化學(xué)降解法��

肝素的化學(xué)降法，最常用的是亞酯酸控制降解法，亞硝酸用量0.01～1.0%之間，反應(yīng)溫度-5℃～30℃，反應(yīng)液pH1.5，反應(yīng)時間5～10 min。在低pH的條件下，亞硝酸首先作用于肝素分子中的N-硫酸葡糖胺單位，脫去HSO₄^-形成-NH₂，-NH₂與HNO₂發(fā)生重氮化反應(yīng)，在放氮同時糖苷繼斷裂，電子轉(zhuǎn)移，縮環(huán)生成2，5-脫氫甘露糖或脫氫甘露糖醇。采用這種方法降解，可得到平均分子量為6000D的分布均勻的片段分子。肝素的化學(xué)降解其他常用的方法還包括β-消去解法，過氧化氫降解法等。��

甲殼素的化學(xué)降解法，例如：在酸性條件下，用10%濃度的NaNO₂溶液處理殼聚糖，可使分子鏈上的-NH₂基團(tuán)發(fā)生重氮化反應(yīng)，消除-NH₂，使分子鏈斷裂，得到未端鏈上帶有醛基的低聚糖，達(dá)到化學(xué)降解的目的，再以NaBH₄溶液還原，制得低分子量殼聚糖。

2．酶法解法��

肝素的酶法降解已經(jīng)被用作分析肝素的結(jié)構(gòu)和制備低分子量肝素。肝素酶是一類能降解肝素類物質(zhì)的裂解酶，肝素黃桿菌是肝素酶的主要來源。目前已經(jīng)從肝素黃桿菌中分離純化出肝素酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種，它們能特異性地斷裂肝素鏈上具有特殊修飾的不同序列，從而產(chǎn)生不同的寡糖片段。一種屬Pertostreptococcus和Eubacterium的革蘭陽性厭氧菌也能降解肝素。還有人從土壤中篩選到一株肝素酶的產(chǎn)生菌——棒桿菌(Corynebacyerium)。使用固定化肝素酶降解肝素，產(chǎn)品和肝素酶易于分離，生產(chǎn)中十分方便。同時，酶可反復(fù)使用，節(jié)約了成本。��

就肝素而言，幾種不同的降解方法各有優(yōu)缺點，如亞硝酸降解法的優(yōu)點是工藝流程簡單，成本低，應(yīng)用范圍廣，但缺點是可能引入毒素，而且使肝素的硫酸化程度較低。酶法降解，使產(chǎn)品便于檢測，易實現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)化，產(chǎn)品中不含引入毒物，產(chǎn)物的硫酸化程度較高，但缺點是末端含有不飽和基因，且成本較高。��

甲殼素的酶法降解主要是利用濃縮生物產(chǎn)生的甲殼毒酶。甲殼素酶主要存在于微生物、植物、昆蟲和魚類中。甲殼素在自然界中幾乎以相等的循環(huán)速率產(chǎn)生和消失，微生物在其中起了關(guān)鍵的作用。甲殼素酶法降解的生化途徑是首先由水解幾丁質(zhì)糖苷鍵的降解酶系統(tǒng)如外切酶從多糖鏈的非還原端開始以二乙酰殼二糖為單位依次酶解，內(nèi)切酶則隨機(jī)地斷裂糖苷鍵，β-N-乙酰葡萄糖酶將雙糖水解成單糖。因此，甲殼素內(nèi)切酶、外切酶和β-N-乙酰葡萄糖胺酶被稱為甲殼素水解系統(tǒng)。許多純化的甲殼素內(nèi)切酶還顯示不同程度的溶菌酶活性，不少植物的溶菌酶也顯示較高的甲殼素酶活性。��

3．輻射降解法

用NaNO₂化學(xué)降解殼聚糖三廢嚴(yán)重，不利于環(huán)保；酶降解產(chǎn)量低，成本高，很難應(yīng)用于批量生產(chǎn)；而利用放射性射線降解殼聚糖，使分子產(chǎn)生電離或激發(fā)等物理效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生是化學(xué)變化，即可使分子間形成化學(xué)鍵-輻射交聯(lián)，又可導(dǎo)致分子鏈斷裂-輻射降解。輻射法無需添加物的固相反應(yīng)，反應(yīng)易控，無污染，品質(zhì)高，一般采用⁶⁰Co輻射源在不同劑量下對甲殼素進(jìn)行照射，可獲得一系列低分子量的殼聚核。��

四、多糖理化性質(zhì)測定

(一)多糖的含量測定

多糖中總糖的含量測定可采用硫酸-蒽酮法或硫酸-苯酚法。硫酸-蒽酮法是一種快速而簡便的測定糖的方法。蒽酮可以和多糖中的己糖基、戊醛糖和己糖醛酸起反應(yīng)，將2 g蒽酮溶于1 000 ml80%(V/V)硫酸中制成蒽酮試劑，取試液1 ml加入蒽酮試劑4ml，沸水浴煮沸100 min后反應(yīng)溶液呈藍(lán)綠色，在620 nm處有最大吸收，可通過標(biāo)準(zhǔn)曲線查出溶液中的多糖含量。多糖中糖醛酸的含量測定可采用硫酸-卡唑法，氨基葡萄糖的含量測定采用乙酰丙酮顯色法。��

(二)多糖的純度分析��

多糖的純度標(biāo)準(zhǔn)不能用通�；�合物的純度標(biāo)準(zhǔn)來衡量，因為即使是多糖純品，其微觀也并不均一。多糖純度的判斷，可根據(jù)糖基的摩爾比是否恒定，電泳是否呈現(xiàn)一條帶，柱層析上是否呈現(xiàn)一個峰來進(jìn)行。因此，多糖樣品經(jīng)反復(fù)溶解與沉淀、分級沉淀、去蛋白、脫色等處理后，測定其純度的方法主要有：��

1．電泳法 可用醋酸纖維素薄膜電泳、玻璃纖維紙電泳、聚丙烯酰胺凝膠電泳及瓊脂糖電泳等。中性多糖電泳因其導(dǎo)電性弱，分子量大，在電場中移動速度慢，故常采用高壓電泳，并且用pH9～12的硼酸鹽緩沖液。糖類化合物易與硼酸離子結(jié)合成配合物而增加其導(dǎo)電性。電泳后檢定的顯色劑常用的有阿利新藍(lán)、甲苯胺藍(lán)、p-茴香胺硫酸試劑、高碘酸西夫試劑等。��

2．凝膠柱層析法 常用Sephadex G-150、G-200或DEAE-纖維素，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是柱層析上呈現(xiàn)一個峰。��

3．紫外掃描法 可檢查多糖中是否混有核酸或蛋白質(zhì)類物質(zhì)，一般多糖的紫外特征吸收應(yīng)在200 nm。��

4．其他方法 如官能團(tuán)分析、紙層析、水解后糖組份的分析等也常用于多糖的純度分析。��

(三)多糖的分子量測定��

測定高分子化合物分子量的許多物理方法，一般也適用多糖分子量的測定。此外根據(jù)多糖的化學(xué)特性而另有一些化學(xué)方法。多糖分子量測定因其不均一性而比較困難，通常所測得的分子量一般只能是一種統(tǒng)計平均值。��

    1．凝膠柱層析法  在不同型號的Sephadex或Sepharose柱層析上測定多糖分子量需要樣品較少，方法比交簡便。測定中首先需要一系列結(jié)構(gòu)相似的已知分子量的多糖作標(biāo)準(zhǔn)曲線。洗脫液的顯色可以采用硫酸-蒽酮法或硫酸-苯酚法。所需注意的是，多糖的Kd值較相應(yīng)分子量的蛋白質(zhì)低，例如在Sephadex G-200上，蛋白質(zhì)可測分子量范圍5萬～80萬，而多糖僅可測20萬以內(nèi)。��

2．特性粘度法 粘度法是實驗室常用的測定多糖分子量的方法。所需儀器設(shè)備簡單，操作方便。常用已知結(jié)構(gòu)相似的(或多系物)多糖決定K值(［η=KM₂］)，然后測出待測多糖的特性粘數(shù)η，計算待測多糖的分子量。��

多糖其他重要的理化性質(zhì)測定還包括比旋度測定和溶解度測定。比旋度是多糖重要的物理常數(shù)之一，各種多糖具有其特定的比旋度，根據(jù)測定的比旋度可作鑒別試驗或含量測定用。大多數(shù)葡聚糖在水中溶解度小，也不溶于有機(jī)溶劑，但能溶于稀堿溶液，而酸性粘多糖則均能溶于水。根據(jù)多糖溶解度的測定可以對其性質(zhì)進(jìn)行分析。��

五、多糖結(jié)構(gòu)分析的基本原理��

多糖結(jié)構(gòu)的分析較蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析復(fù)雜，這固然是因為組成多糖的單糖品種繁多(目前已知的單糖有200多種)，而且即使只有一種單糖組成的多糖，因其連接方式的不同以及可能有分支(蛋白質(zhì)沒有分支)，所以多糖的結(jié)構(gòu)種類就很多。多糖結(jié)構(gòu)的分析可使用物理方法如紅外光譜、磁共振光譜，質(zhì)譜、X-射線衍射，也可用化學(xué)降解法、酶降解、免疫化學(xué)法和放射化學(xué)方法等。但迄今還沒有一種方法可以單獨完成結(jié)構(gòu)的分析，只有將各種方法彼此結(jié)合起來才能完成。本節(jié)只對多糖結(jié)構(gòu)的化學(xué)測定法的基本原理作簡要介紹。

(一)多糖組成成分分析

多糖的結(jié)構(gòu)分析首先要了解其成分為何種單糖所組成，以及組成單糖之間的比例。確定多糖的組成成分常采用將多糖鏈降解的方法來進(jìn)行。多糖鏈的水解可用酸、酶進(jìn)行，也可用甲醇解和乙酰解進(jìn)行。部分水解或選擇性降解，則可以把大分子裂解成各種片段，然后以片段為單位進(jìn)行分析。

1．酸水解  又包括完全酸水解和部分酸水解。用1～3mol/L硫酸或2mol/L三氟乙酸，80～100℃密閉加熱6～8小時可以完全水解，得到的是單糖。部分酸水解常在溫和的條件如0℃或室溫下進(jìn)行，得到較低分子量的寡聚糖。酸水解產(chǎn)物可用紙層析、薄層層析和氣相層析等鑒定。紙層析和薄層層析常用的展開劑有正丁醇∶乙酸∶水(4∶1∶5)和正丁醇∶吡淀∶水(6∶4∶3)等，常用的顯色劑有苯二甲酸氫苯胺或硝酸銀-氨水等。當(dāng)某些單糖在紙層析和薄層層析上分離不易判斷時，也可采用某些單糖的特殊檢測方法，如鼠李糖用巰基乙酸方法，半乳糖用半胱氨酸硫酸方法等。通過水解測出多糖中的單糖組成，并計算出各單糖成分間的分子比。

2．乙酰解  多糖鏈的乙酰解反應(yīng)是在由乙酐∶乙酸∶水（10∶10∶1)組成的混合液中加熱進(jìn)行的，在一定的糖苷鍵處裂解。經(jīng)過乙酰解反應(yīng)可以生成乙酰化單糖和乙�；�寡糖，反應(yīng)產(chǎn)物可用紙層析、薄層層析和氣相層析鑒定。乙酰解是酸水解的一種有用的補(bǔ)充，相同糖苷鍵在酸水解和乙酰解中的速度是不同的，例如，1→6糖苷鍵在酸水解時相對穩(wěn)定，而在乙酰解時卻能被高度裂解。糖鏈可從這兩種不同的方法中獲得不同的片段，從不同的角度獲得糖鏈的結(jié)構(gòu)信息。

3．甲醇解  多糖鏈在80~100℃條件下與無水甲醇氯化氫反應(yīng)能將糖鏈變成組成單糖的甲基糖苷，這些甲基糖苷能轉(zhuǎn)化為三甲基硅醚衍生物或乙酰基衍生物，然后進(jìn)行氣相層析分析并與標(biāo)準(zhǔn)單糖對照，可得到組成多糖的各單糖的定量數(shù)據(jù)。

（二)多糖結(jié)構(gòu)的甲基化分析

甲基化分析是多糖結(jié)構(gòu)分析最有力的手段之一。用甲基化試劑可以將多糖中的各種單糖的游離羥基全部生成甲醚，接著通過水解釋放出甲基化單糖，再經(jīng)硼氫化鈉還原成糖醇，進(jìn)而乙酰化水解后生成的羥基，得到各種部分甲基化的糖醇乙酰衍生物。生成的產(chǎn)物用氣相色譜進(jìn)行定性和定量分析，可確定組成多糖鏈的各單糖種類和比例，進(jìn)而從氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用方式，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)圖譜的分析，可得到各種部分甲基化單糖衍生物的歸屬，從而確定各單糖的連接位置，即糖苷鍵的位置。甲基化分析雖然不能解決多糖中各種單糖的連接順序，但它對于闡明單糖的連接方式（鍵型)具有至關(guān)重要的意義。甲基化的方法很多，常用的甲基化方法是Hakomori法，反應(yīng)式如下：

由此所產(chǎn)生的甲基化多糖經(jīng)酸水解成各種甲基化單糖，再將甲基化單糖制備成揮發(fā)性的衍生物，進(jìn)行氣相層析檢定。

（三)多糖結(jié)構(gòu)的過碘酸氧化及Smith降解

過碘酸氧化反應(yīng)是一種選擇性的氧化降解反應(yīng)，能夠作用于多糖分子中1，2-二羥基和1，2，3-三羥基而生成相應(yīng)的醛或甲醛、甲酸。這些過碘酸的氧化反應(yīng)都是定量反應(yīng)，從高碘酸的消耗與甲醛、甲酸的生成，可以判斷糖苷鍵的位置、直鏈多糖的締合度、支鏈多糖的分支數(shù)目等。多糖鏈的過碘酸氧化反應(yīng)通常在pH 3~5的水溶液中進(jìn)行，用過碘酸鹽為氧化劑，因雙醛型的氧化產(chǎn)物在水中不穩(wěn)定，因此需要在酸水解前用硼氫化鈉將它們還原為醇，最后，通過水解產(chǎn)物的分析結(jié)果可獲得糖鏈中單糖連接的類型是1→4，1→6，1→2，還是各種連接兼而有之。

1．1，2-連接糖苷鍵  1，2-連接的多糖經(jīng)高碘酸氧化后的產(chǎn)物用硼氫化鉀或硼氫化鈉還原得到穩(wěn)定的多羥基化合物，然后再用稀酸鹽水解，得到甘油和甘油醛。

2．1，3-連接糖苷鍵  1，3-連接的多糖與高碘酸不起反應(yīng)，經(jīng)還原和水解后得到原來的單糖。

3．1，4-連接糖苷鍵  1，4-連接多糖經(jīng)高碘酸氧化，還原，水解后最終產(chǎn)物為赤蘚醇和乙醇醛。

4．1，6-連接糖苷鍵  1，6-連接的多糖經(jīng)高碘酸氧化、還原、水解后最終產(chǎn)物為甘油和乙醇醛。

Smith降解是將過碘酸氧化產(chǎn)物進(jìn)行還原，進(jìn)行酸水解或部分酸水解。通常是在室溫下用稀無機(jī)酸水解還原產(chǎn)物。Smith降解實際上是一種改良的過碘酸氧化，結(jié)果得到具有特征性的糖鏈的重復(fù)單元，從而可以獲得更多的多糖結(jié)構(gòu)的信息。

（四)多糖結(jié)構(gòu)的酶降解測定法

利用酶作用的高度特異性來研究多糖分子結(jié)構(gòu)，是一種非常重要的方法。不同性質(zhì)的糖苷酶或稱多糖酶能作用于不同性質(zhì)的糖苷鍵，通過順序降解，闡明多糖鏈的一級結(jié)構(gòu)。降解多糖的糖苷酶可分為外切糖苷酶和內(nèi)切糖苷酶兩類。

1．外切糖苷酶  只能切下多糖非還原末端的一個單糖，并對單糖組成和糖苷鍵有專一性要求，因而通過水解達(dá)到糖鏈的逐步降解，提供有關(guān)單糖的組成、排列順序以及糖苷鍵的α或β-構(gòu)型的信息。常用的外切糖苷酶有以下幾種：①β-D-半乳糖苷酶（β-D-galactosidase),②α-D-半乳糖苷酶（α-D-galactosidase)，③β-D-甘露糖苷酶（β-D-mannosidase)，④α-D-甘露糖苷酶（α-D-mannosidase)，⑤α-L-巖藻糖苷酶（α-L-fucosidase)，⑥N-乙酰-β-D-氨基己糖酶（N-acetyl-β-D-hexosaminidase)，⑦N-乙酰-α-D-氨基半乳糖酶（N-acetyl-α-D-galactosaminidase)。

對于N-糖鏈中常見的單糖，幾乎都有相應(yīng)的外切糖苷酶可供選擇應(yīng)用，但在將糖苷酶用于糖鏈的結(jié)構(gòu)研究時，必須充分了解該糖苷酶對底物的專一性要求，為此，常常在糖苷酶名稱的前面注明其來源。因為即使是同一種糖苷酶，由于來源不同，它們對底物糖苷鍵的取代位置也有不同的專一性要求。例如來源于苦杏仁、巨刀豆和大腸桿菌的β-D-半乳糖苷酶，對不同取代位置的半乳糖苷鍵水解能力也不相同。酶水解產(chǎn)物的鑒定與酸水解產(chǎn)物相同。

2．內(nèi)切糖苷酶  內(nèi)切糖苷酶可水解糖鏈內(nèi)部的糖苷鍵，釋放多糖鏈片段，有時還可將長的多糖鏈切斷為較短的寡糖片段，以利于結(jié)構(gòu)分析。常見的內(nèi)切糖苷酶有以下幾種：①內(nèi)切-N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖酶（endo-N-acetyl-β-D-glucosaminidase),②內(nèi)切-β-D-半乳糖苷酶（endo-β-D-galactosidase)。③內(nèi)切-N-乙酰-α-D-氨基半乳糖酶（endo-α-D-galactosaminidase)，④肽-N-聚糖水解酶。

已應(yīng)用于多糖結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)切糖苷酶沒有外切糖苷酶那樣種類多和成熟，按其作用可以分為兩類，一類是水解糖-糖之間的連接鍵，釋放出部分糖鏈片段，如內(nèi)切β-D-半乳糖苷酶。另一類是水解單糖-氨基酸或單糖-多肽之間的連接鍵，釋放出完整的糖鍵結(jié)構(gòu)，如內(nèi)切N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖酶和肽-N-聚糖水解酶。

六、糖鏈與糖蛋白的生物活性

20世紀(jì)60年代就發(fā)現(xiàn)細(xì)胞表面密布有糖綴合物的糖鏈，推測它們是細(xì)胞之間識別的信息分子，以后隨著研究的深入和技術(shù)、手段的不斷改進(jìn)，揭示出糖鍵驚人的多樣性、復(fù)雜性及糖鏈與糖蛋白生物活性的不可分割性。

1．糖鏈與酶活性

糖鏈在酶的新生肽鏈折疊、轉(zhuǎn)運和保護(hù)等方面普遍起作用。但糖鏈與成熟酶活性的關(guān)系因酶而異。有些酶除去糖鏈活性不受影響，如UDP-葡萄糖醛酸酶、酵母羧肽酶等。有些酶的活力依賴其糖鏈的存在，如溶酶體β-葡萄糖苷酶除去糖鏈后只有免疫原活性而完全沒有酶活力。牛核糖核酸酶，含124個氨基酸殘基，有A、B兩種形式，A型不含糖，B型在它的Asn34位上有一條Man_5-9GlcNAc₂的高甘露糖型N-糖鏈。由于糖鏈對酶活性中心有屏蔽作用使B型活動比A型低，但對蛋白酶的抗性(穩(wěn)定性)高于A型。組織型纖溶酶原激活劑(t-PA)，由527個氨基酸殘基組成，臨床上用于治療心肌梗塞。天然狀態(tài)下t-PA在Asn117，Asn448位各有一條N-糖鏈，Thr61位還有一個Fuc。根據(jù)Asn184位糖基化與否可把t-PA分成Ⅰ型(有)有Ⅱ型(無)。比較兩型的活性發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型t-PA184位上糖鏈的存在使酶的催化活性(活化纖溶酶原的能力)降低。

2．糖鏈與激素活性

糖蛋白激素主要有腺垂體促激素類包括FSH(促卵泡激素)，LH(促黃體激素)和TSH(促甲狀腺激素)以及胎盤絨毛膜促性腺激素和紅細(xì)胞生成素(erythropoietion，EPO)等。FSH、LH和TSH均由α亞基和β亞基組成，兩個亞基都有N-糖鏈。糖鏈呈高度不均一性，例如LH和TSH中糖鏈的外鏈末端有些是SO₄^--4GalNAcβ1→取代了典型的Siaα2→3Galβ1，而FSH中的糖鏈都是以Siaα2→3Galβ1→為末端的。已經(jīng)證明，帶有SO₄^--4GalNAcβ1→末端結(jié)構(gòu)的激素對受體的親和力比帶有Siaα2→3Gal→末端的激素高，但在體內(nèi)的半壽期前者比后者短，因為在肝臟網(wǎng)狀細(xì)胞表面有特異結(jié)合SO₄^--4GalNAcβ1→為末端的糖鏈的受體，而Sia為末端的糖鏈則必須經(jīng)唾液酸酶水解除去Sia從而暴露Gal后才能被半乳糖結(jié)合受體識別并清除。EPO是促進(jìn)骨髓細(xì)胞成熟和增殖的激素，臨床上用作治療再生障礙性貧血的藥物，由于天然EPO來源十分有限，現(xiàn)多采用基因工程方法生產(chǎn)。人EPO含165個氨基酸殘基，在Asn24，Asn38和83三個位點各有一條N-糖鏈，在Ser165有一條O-GalNAc糖鏈，糖鏈的含量約占EPOM_r和40%。N-糖鏈以四天線復(fù)雜型為主，部分為三天線和二天線。四天線糖鏈越多、體內(nèi)活性越高，這可能與四天線糖鏈的EPO被腎臟濾去較少或歸巢至骨髓靶細(xì)胞較多有關(guān)。N-糖鏈的核心五糖部分為EPO表現(xiàn)活性所必需，可能它參與蛋白質(zhì)部分的構(gòu)象維持。EPO屬唾液酸糖蛋白，在體內(nèi)的半壽期與N-末端的唾液酸化程度有關(guān)。

3．糖鏈與IgG活性

每分子IgG平均含糖鏈約三條，其中兩條存在于Fc段每條重鏈的Asn297位，其余位于Fab段的高變異區(qū)的Asn-X-Ser/Thr位點。幾乎全部N-糖鏈都是復(fù)雜型，非還原末端殘基為Sia或Gal(去Sia)，少數(shù)為GlcNAc(去Sia-Gal)。IgG的N-糖鏈多達(dá)30余種，呈高度不均一性。含兩個或一個末端Sia的糖鏈分布在Fab段；Fc段的糖鏈多數(shù)不含Sia，少數(shù)含一個Sia殘基。Fc段的糖鏈和IgG與巨噬細(xì)胞上Fc受體結(jié)合和補(bǔ)體(C₁q)激活有關(guān)。IgG的N-糖鏈缺失外鏈Gal(這種糖鏈稱G₀糖鏈)后，可成為一種自身抗原，被免疫系統(tǒng)識別而產(chǎn)生自身抗體。后者能與帶有G₀糖鏈的IgG生成免疫復(fù)合體，沉積于關(guān)節(jié)腔內(nèi)，引起炎癥。這種免疫復(fù)合體是由帶G₀糖鏈的IgGFc段(作為抗原)和帶末端Sia的IgG(作為抗體)Fab段結(jié)合而成，實際上是IgG的自身聚合物。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、紅斑狼瘡等都是一種與IgG的糖鏈結(jié)構(gòu)改變有關(guān)的自身疫病。

4．糖鏈介導(dǎo)的細(xì)胞識別功能

如Selectin家族的受體蛋白，它們介導(dǎo)白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)合(L-Selectin)，白細(xì)胞與被激活或損傷的內(nèi)皮的識別(E-Selectin)，和白細(xì)胞與激活的血小板或內(nèi)皮的相互作用(P-Selectin)，識別時有唾液酸果糖鏈參與。由于同一個糖蛋白中的糖鏈具有許多不同的效應(yīng)，所以現(xiàn)在仍未能建立一個糖結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的一般規(guī)則；然而一個特殊的情況是：特定的糖序列對蛋白質(zhì)的特異識別作用，例如甘露糖-6-磷酸受體結(jié)合所有的溶酶體酶，這些溶酶體酶在其寡甘露糖N-連接糖鏈上攜帶磷酸化的甘露糖殘基。又如細(xì)胞粘附分子ELAM-1和GMP-140，它們能結(jié)合糖綴合物中唾液酸化的、巖藻糖化的乳糖胺序列。Stanley(1992年)認(rèn)為糖影響蛋白質(zhì)的整體構(gòu)象從而影響由構(gòu)象決定的所有功能，并將糖蛋白中糖鏈的功能歸納成糖鏈的分子內(nèi)功能和糖鏈的分子間功能。糖鏈的分子內(nèi)功能主要包括正確的折疊、細(xì)胞內(nèi)定位、生物學(xué)活性、溶解性、抗原性、生物學(xué)半衰期和蛋白酶的敏感性，糖鏈的分子間功能主要包括對溶酶體的靶向性、組織靶向性、細(xì)胞間粘附和結(jié)合病原體。上述糖的特異識別功能便屬于糖鏈的分子間功能。

(姚文兵)

第二章  脂類的化學(xué)

第一節(jié)  脂類的概念、分類及生理功能

一、 脂類的概念

脂類(Lipids，也稱脂質(zhì)或類脂)是廣泛存在于自然界的一大類生物有機(jī)分子、脂類的元素組成主要是碳、氫、氧，有些脂類還含有氮、磷及硫，可以把脂類定義為脂肪酸(多是4碳以上的長鏈一元羧酸)和醇(包括甘油醇、鞘氨醇、高級一元醇和固醇)等所組成的酯類及其衍生物，不溶于水而溶于非極性溶劑(如乙醚、丙酮、氯仿等)

二、脂類的分類

脂類在化學(xué)組成上變化較大，因此給這類物質(zhì)準(zhǔn)確分類造成一定困難，但按其化學(xué)組成一般分為三大類：

1．單純脂類(Simple lipid)

為脂肪酸與醇(甘油醇，高級一元醇)所組成的脂類，它又可分為脂、油及蠟三小類。

脂：一般在室溫時為固態(tài)，是甘油與3分子脂酸結(jié)合所成的三酰甘油，稱脂肪或真脂，也稱中性脂。

油：指一般在室溫時為液態(tài)的脂肪，正確的名稱為脂性油。就化學(xué)本質(zhì)來說，脂含較多飽和脂酸，油含較多不飽和脂酸和低分子脂酸。

蠟：高級脂酸與高級一元醇所生成的酯，如蟲蠟、蜂蠟等。

2．復(fù)合脂類(cmpound lipid)

除含脂肪酸和醇外， 尚有其他稱為非脂分子的成分。復(fù)合脂質(zhì)按非脂成分的不同可分為：

(1) 磷脂 它們的非脂成分是磷酸和含氮堿(如膽堿，乙醇胺)。磷脂根據(jù)醇成分的不同，又可分為甘油磷脂(如磷脂酸、磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺等)和鞘氨醇磷脂(簡稱鞘磷脂)；

(2) 糖脂 其非脂成分是糖(單己糖、二己糖等)，并因醇成分不同，又分為鞘糖脂(如腦苷脂，神經(jīng)節(jié)苷脂)和甘油糖脂(如單半乳糖基二�；�甘油、雙半乳糖基二�；�甘油)。

鞘氨醇磷脂和鞘糖脂合稱為鞘脂類(sphingolipid)。

3．衍生脂質(zhì)(derived lipid)

衍生脂質(zhì)是指由單純脂質(zhì)和復(fù)合脂質(zhì)衍生而來或與之關(guān)系密切，但也具有脂質(zhì)一般性質(zhì)的物質(zhì)，如：

(1) 取代烴 主要是脂肪酸及其堿性鹽(皂)和高級醇，少量脂肪醛、脂肪胺和烴；

(2) 固醇類(甾類)  包括固醇(甾醇)、膽酸，強(qiáng)心苷、性激素、腎上腺皮質(zhì)激素；

(3) 萜 包括許多天然色素(如胡蘿卜素)，香精油，天然橡膠等；

(4) 其他脂質(zhì) 如維生素A、D、E、K，脂酰CoA，類二十碳烷(前列腺素、凝血惡烷和白三烯)，脂多糖，脂蛋白等。

也有人把脂質(zhì)分為兩大類：一類是能被堿水解而產(chǎn)生皂(脂肪酸鹽)的稱可皂化脂質(zhì)(saponifiablelipid)；另一類是不被堿水解生成皂的稱不可皂化脂質(zhì)(unsaponifiable lipid)，類固醇和萜是兩類主要的不可皂化脂質(zhì)。

三、 脂類的生理功能

脂類物質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能。脂肪(包括油)是機(jī)體代謝燃料的貯存形式，它在體內(nèi)氧化可釋放大量能量以供機(jī)體利用(見脂類代謝章)；脂肪除供給能量外還可以提供必需脂肪酸，如亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸等；脂肪亦可協(xié)助脂溶性維生素A、D、E、K和胡蘿卜素等的吸收；此外脂肪酸組織較為柔軟，存在于器官組織之間，使器官之間減少摩擦，對器官起保護(hù)作用。

類脂是構(gòu)成生物膜的重要物質(zhì)，幾乎細(xì)胞所含有的磷脂都集中在生物膜中，是生物膜結(jié)構(gòu)的基本組成成分。此外類脂中的各種磷脂、糖脂和膽固醇酯也是各種脂蛋白的主要成分(見脂代謝章)。

脂類物質(zhì)也可作為藥物，如卵磷脂、腦磷脂用于肝病、神經(jīng)衰弱及動脈粥樣硬化的治療，多不飽和脂肪酸如二十碳五烯酸及二十二碳六烯酸有降血脂作用，亦可用于防治動脈粥樣硬化。膽酸中的熊去氧膽酸、鵝去氧膽酸及去氫膽酸等均為利膽藥，可治療膽結(jié)石及膽囊炎等。此外膽固醇可作為人工牛黃的原料，蜂蠟常作為藥物賦形劑及油膏基質(zhì)等。

第二節(jié)  單脂的化學(xué)

一、 脂肪的化學(xué)結(jié)構(gòu)

脂肪(fat)又稱真脂或中性脂肪。它是甘油與三分子高級脂肪酸組成的脂肪酸甘油三酯，化學(xué)名稱為三脂酰(基)甘油。自然界存在的脂肪中其脂肪酸絕大多數(shù)含偶數(shù)碳原子，脂肪的結(jié)構(gòu)如下：

R₁、R₂、R₃代表脂肪酸的烴基，它們可以相同也可以不同。R₁=R₂=R₃，稱為單純甘油酯；三者中有兩個或三個不同者，稱為混合甘油酯。通常R₁和R₃為飽和的烴基，R₂為不飽和的烴基。一般在常溫下為固態(tài)的脂(脂肪)，其脂肪酸的烴基多數(shù)是飽和的；在常溫下為液態(tài)的油，其脂肪酸的烴基多數(shù)是不飽和的。

二脂酰(基)甘油及單脂酰(基)甘油在自然界也存在，但量極少。

二、 脂肪酸

(一) 脂肪酸的種類

從動、植物和微生物中分離出來的脂肪酸已有百多種。在生物體內(nèi)大部分脂肪酸都以結(jié)合形式，如甘油三酯、磷脂、糖脂等存在，但也有少量脂肪酸以游離狀態(tài)存在于組織和細(xì)胞中。

脂肪酸(fatty acid，F(xiàn)A)是由一條長的烴鏈(“尾”)和一個末端羧基(“頭”)組成的羧酸。烴鏈多數(shù)是線形的，分支或含環(huán)的為數(shù)很少。烴鏈不含雙鍵(和三鍵)的為飽和脂肪酸(saturatedFA)，含一個或多個雙鍵的為不飽和脂肪酸(unsaturated FA)。只含單個雙鍵的脂肪酸稱單不飽和脂肪酸(monounsaturated FA)；含兩個或兩個以上雙鍵的稱多不飽和脂肪酸(polyunsaturated FA)。不同脂肪酸之間的主要區(qū)別在于烴鏈的長度(碳原子數(shù)目)、雙鍵數(shù)目和位置。每個脂肪酸可以有通俗名(common name)，系統(tǒng)名(systematic name)和簡寫符號。簡寫的一種方法是，先寫出脂肪酸的碳原子數(shù)目，再寫雙鍵數(shù)目，兩個數(shù)目之間用冒號(：)隔開。如［正］十八［烷］酸(硬脂酸)的簡寫符號為18∶0，十八［碳］二烯酸(亞油酸)的符號為18∶2。雙鍵位置用Δ(delta)右上標(biāo)數(shù)字表示，數(shù)字是指雙鍵鍵合的兩個碳原子的號碼(從羧基端開始計數(shù))中較低者，并在號碼后面用c(cis，順式)和t(trans，反式)標(biāo)明雙鍵的構(gòu)型。例如順，順-9，12-十八烯酸(亞油酸)簡寫為18∶2Δ^9c，12c。

(二) 飽和脂肪酸

動、植物脂肪中的飽和脂肪酸以軟脂酸和硬脂酸分布廣并且比較重要，常見的天然飽和脂肪酸如表2-3。

表2-3  重要的天然飽和脂肪酸

(三) 不飽和脂肪酸

在不飽和脂肪酸中比較重要的有亞油酸、亞麻酸和花生四烯酸等(表2-4)。

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表2-4 重要的天然不飽和脂肪酸

(三) 必需不飽和脂肪酸

人體及哺乳動物能制造多種脂肪酸，但不能向脂肪酸引入超過Δ⁹的雙鍵，因而不能合成如亞油酸和亞麻酸等。因為這類脂肪酸對人體功能是必不可少的，但人體自身不能合成必須由膳食提供，因此被稱為必需脂肪酸(essential fatty acid)。

亞油酸和亞麻酸(α-亞麻酸)屬于兩個不同的多不飽和脂肪酸(PUFA)家族：omega-6(ω-6)和omega-3(ω-3)系列。ω-6和ω-3系列是分別指第一個雙鍵離甲基末端6個碳和3個碳的必需脂肪酸。

亞油酸是ω-6家族的原初成員，在人和哺乳類體內(nèi)能將它將變?yōu)棣?亞麻酸，并繼而延長為花生四烯酸。后者是維持細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能所必需的，也是合成一類生理活性脂類，類二十碳烷化合物的前體。如果發(fā)生亞油酸缺乏癥，則必須從膳食中獲得γ-亞麻酸或花生四烯酸，因此在某種意義上它們也是必需脂肪酸。

α-亞麻酸是ω-3家族的原初成員。由膳食供給亞麻酸時，人體能合成ω-3系列的20碳和22碳成員：二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)。體內(nèi)許多組織含有這些重要的ω-3 PUFA；DHA在眼的視網(wǎng)膜和大腦皮層中特別活躍。大腦中約一半DHA是在出生前積累的，一半是在出生后積累的，這表明脂質(zhì)在懷孕和哺乳期間的重要性。

人體內(nèi)ω-6和ω-3PUFA不能互相轉(zhuǎn)變。臨床研究表明、ω-6 PUFA能明顯降低血清膽固醇水平，但降低甘油三酯的效果一般，而ω-3 PUFA降低血清膽固醇水平的能力不強(qiáng)，但能顯著地降低甘油三酯水平。它們對血脂水平的不同影響的生化機(jī)制尚不清楚。膳食中ω-6 PUFA缺乏將導(dǎo)致皮膚病變，ω-3必需脂肪酸缺乏將導(dǎo)致神經(jīng)和視覺疑難癥和心臟疾病。此外，必需脂肪酸缺乏會引起生長停滯，生殖衰退和腎、肝功能紊亂等。

大多數(shù)人可以從膳食中獲得足夠的ω-6必需脂肪酸(脂質(zhì)形式)，但可能缺乏最適量的ω-3必需脂肪酸。有些學(xué)者認(rèn)為，膳食中這兩類脂肪酸的理想比例是4～10gω-6：1g ω-3。ω-6和ω-3必需脂肪酸的主要膳食來源見表2-5。

表2-5  ω-6和ω-3多不飽和脂肪酸的來源

第三節(jié)  復(fù)合脂類的化學(xué)

一、 磷脂類和鞘脂類

磷脂(phospholipid)是含有磷酸基的復(fù)合脂類，可分為甘油磷脂和鞘氨醇磷脂兩大類。前者為甘油酯衍生物，而后者為鞘氨醇酯衍生物。磷脂是一類結(jié)構(gòu)脂，為細(xì)胞膜的重要成分。

鞘磷脂(sphingomyelin)是含有一條長鏈狀羥基化的仲胺結(jié)構(gòu)的一類堿基化合物。該結(jié)構(gòu)稱鞘脂堿基(sphingolipid bases)，其中90%以上為(神經(jīng))鞘氨醇(sphingosine)。它的胺基與一份脂肪酸�；瘡亩�生成神經(jīng)酰胺(ceramide)。神經(jīng)酰胺在動植物組織中含量較少，但卻是構(gòu)成鞘脂類的母體化合物。神經(jīng)酰胺的伯醇基如與磷酸膽堿相連構(gòu)成鞘磷脂，與糖類相連則構(gòu)成糖鞘脂。鞘脂是髓磷鞘脂的重要成分。

(一) 甘油磷脂

甘油磷脂所含甘油的兩個羥基和脂肪酸結(jié)成酯，第三個羥基被磷酸酯化，生成物為磷脂酸。磷脂酸的磷酸基再連接其它醇羥基化合物的羥基，即組成不同的磷脂。化學(xué)結(jié)構(gòu)如下：

當(dāng)X=H時即為磷脂酸(phosphatidicacid)，它是各種甘油磷脂的母體化合物。

磷酸甘油酯的兩個長脂肪酸鏈，為非極性的尾部，而其余部分則為極性的頭部，所以磷脂是兩性脂類。磷酸甘油酯分子中一般含有一分子飽和脂肪酸(多連在C₁上)和一分子不飽和脂肪酸(多連在C₂上)。磷酸甘油酯結(jié)構(gòu)中甘油的第二個碳原子是不對稱中心，國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)和國際生物化學(xué)聯(lián)合會(IUB)的生物化學(xué)命名委員會建議采用下列命名原則：

將甘油的三個碳原子指定為1、2、3位，2位上的羥基用投影式表示，一定要放在左邊，這種編號稱為立體專一編號，用sn(stereospecific numbering)表示，寫在化合物的前面。根據(jù)這一命名原則磷酸甘油命名如下：

自然界存在的磷酸都屬于sn-甘油-3-磷酸的構(gòu)型，即L-構(gòu)型，故可在系統(tǒng)名之前冠以L-α-或3-sn-。下面介紹幾種重要的甘油磷脂。

1．卵磷脂(lecithin)  即磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine)，其結(jié)構(gòu)如下：

式中R₁和R₂代表脂肪酸的烴基，其中R₁是飽和的，R₂是不飽和的烴基。常見的有硬脂酸、軟脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸、EPA、DHA等。

卵磷脂是白色油脂狀物質(zhì)，極易吸水。由于它含有相對多的不飽和脂肪酸，表面很容易被氧化，卵黃中卵磷脂的含量可達(dá)8%～10%，卵磷脂具有抗脂肪肝作用。

2． 腦磷脂(cephalin)  即磷脂酰膽胺(phosphatidylcholamine)，又叫磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine)，其結(jié)構(gòu)如下：

腦磷脂在動植物體中含量也很豐富，它與血液凝固有關(guān)，血小板的腦磷脂可能是凝血酶原激活劑的輔基。

3． 磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine)  又稱絲氨酸磷脂，是磷脂酸的磷酸基團(tuán)與絲氨酸的羥基連成的酯，其結(jié)構(gòu)如下：

腦組織中絲氨酸磷脂的含量比腦磷脂還多，在體內(nèi)絲氨酸磷脂可能脫羧基而轉(zhuǎn)變成腦磷脂。

4． 磷脂酰肌醇(phosphatidyl inositols)  又稱肌醇磷脂(inositolphosphatide)。它是磷脂酸結(jié)構(gòu)中的磷酸基團(tuán)與肌醇(環(huán)己六醇)相連接所成的酯。所生成的肌醇磷脂還可以再連接第二個，第三個磷酸基團(tuán)，分別稱為一磷酸肌醇磷脂和二磷酸肌醇磷脂等，其結(jié)構(gòu)式如下：

①②③表明磷酸分子摻入結(jié)構(gòu)的順序可相應(yīng)稱為

肌醇磷脂、磷酸肌醇磷脂和二磷酸肌醇磷脂

肌醇磷脂常與腦磷脂在一起，在肝及心肌中大多為肌醇磷脂，而腦組織中多為一、二磷酸肌醇磷脂。

5． 縮醛磷脂(plasmalogen)  與一般甘油磷脂不同，它在甘油C₁位(即α位)以與長鏈烯醇形成的醚鍵(脂性醛基)代替與脂肪酸形成的酯鍵。它的水解產(chǎn)物之一是長鏈烯醇，它很易互變異構(gòu)成醛，因此縮醛磷脂具有醛反應(yīng)。

氨基乙醇縮醛磷脂是最常見的一種。有的縮醛磷脂的脂性醛基在β位上，也有的不含氨基乙醇而含膽堿基。

縮醛磷脂可水解，隨不同程度的水解而產(chǎn)生不同的產(chǎn)物�？s醛磷脂溶于熱乙醇、KOH溶液，不溶于水，微溶于丙酮或石油醚，存在于腦組織及動脈血管，可能有保護(hù)血管的功能。

6． 二磷脂酰甘油(diphosphatidyl glycerol)  又稱心磷脂(cardiolipin)，是由2分子磷脂酸與1分子甘油結(jié)合而成的磷脂，其結(jié)構(gòu)式如下：

心磷脂大量存在于心肌，它有助于線粒體膜的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)同細(xì)胞色素C的連接，是脂質(zhì)中惟一有抗原性的。

甘油磷脂具有以下特征：它有一個高度極性的頭部，都帶電荷。因其碳?xì)湮膊渴菑淖匀唤绺鞣N脂肪酸以多種組合方式衍生而成，因此，甘油磷脂種類繁多。甘油分子C₁上連接的脂酰(基)多屬飽和的，而C₂上所連接的脂酰(基)多為不飽和的。以紅細(xì)胞卵磷脂的組成為例，它含有分子的碳?xì)滏溤贑₁₆～C₂₄之間，其雙鍵個數(shù)介于0～6之間。

C₁：16∶0，61%；18∶0，24%；18∶1，10%，18∶2，0.6%

C₂：16∶0，9%；16∶1，1.8%；18∶1，26%；18∶2，35%；18∶3，1.0%；

20∶3，4%；20∶4，12%；20∶5，0.5%；22∶6，1.6%

由于卵磷脂含有相對多的不飽和脂肪酸，表現(xiàn)易被氧化。

甘油磷脂極少溶解于水中，易形成微團(tuán)。由于是兩性脂類，因而它在構(gòu)成生物膜結(jié)構(gòu)中甚為重要。

所有的甘油磷脂在pH 7時，其磷酸基團(tuán)帶的是負(fù)電荷。

(二) 鞘氨醇磷脂

鞘氨醇磷脂簡稱(神經(jīng))鞘磷脂(sphingophospholipids)，由(神經(jīng))鞘氨醇、脂肪酸、磷酸及膽堿(或膽胺)各1分子所組成。是一種不含甘油的磷脂。神經(jīng)鞘磷脂與前述幾種磷脂不同，它的脂肪酸并非與醇基相連，而是借酰胺鍵與氨基結(jié)合。神經(jīng)鞘氨醇與神經(jīng)鞘磷脂的結(jié)構(gòu)如下：

磷酸膽堿為鞘氨醇磷脂的極性頭部，脂肪酸和神經(jīng)氨基醇的長碳鏈為非極性尾部，即鞘氨醇磷脂也是兩性脂類。神經(jīng)鞘磷脂在腦和神經(jīng)組織中含量較多，也存在于脾、肺及血液中，是高等動物組織中含量最豐富的鞘脂類。

二、 糖  脂

糖脂(glycolipid)是一類含有糖成分的復(fù)脂。糖鞘脂(glycosphingolipid)是其中的一部分，它包括腦苷脂類和神經(jīng)節(jié)苷脂類。其共同特點是含有鞘氨醇的脂，共頭部含糖。它在細(xì)胞中含量雖少，但在許多特殊的生物功能中卻非常重要，當(dāng)前引起生化工作者極大的重視。

糖脂的組成和神經(jīng)磷脂相似，其結(jié)構(gòu)都含有1分子神經(jīng)酰胺(鞘氨醇及脂肪酸各一分子)。

(一) 腦苷脂類

腦苷脂(cerebroside)是腦細(xì)胞膜的重要組分，由β-己糖(葡萄糖或半乳糖)，脂肪酸(C_22～26，其中最普遍的是α-羥基二十四烷酸)和鞘氨醇各1分子組成，因為是以中性糖作為極性頭部，故屬于中性糖鞘脂類。重要代表是：葡萄糖腦苷脂、半乳糖腦苷脂和硫酸腦苷脂(簡稱腦硫脂)。它們分子結(jié)構(gòu)如下：

糖脂主要分布于腦及神經(jīng)組織中，亦是動物細(xì)胞膜的重要成分。糖脂的非極性尾部可伸入細(xì)胞膜的雙分子層結(jié)構(gòu)，而其極性頭部露出膜表面，且不對稱地朝向細(xì)胞外側(cè)定位。紅細(xì)胞膜表面的糖脂使血液有不同的血型，現(xiàn)在已經(jīng)有人用α-半乳糖苷酶處理B型血使其轉(zhuǎn)變成O型血獲得成功。

(二) 神經(jīng)節(jié)苷脂類

神經(jīng)節(jié)苷脂(ganglioside)是一類酸性糖脂，這是一類最復(fù)雜的糖鞘脂類，已從腦灰質(zhì)、白質(zhì)和脾等組織中分離出來。它的極性頭部含有唾液酸，即N-乙酰神經(jīng)氨酸，故帶有酸性。人體內(nèi)的神經(jīng)節(jié)苷脂類中含有豐富的唾液酸；大腦灰質(zhì)中含有豐富的神經(jīng)節(jié)苷脂類，約占全部脂類的6%，非神經(jīng)組織中也含有少量神經(jīng)節(jié)苷脂。不同的神經(jīng)節(jié)苷脂類所含的己糖和唾液酸的數(shù)目與位置各不相同。現(xiàn)已分離出幾十種神經(jīng)節(jié)苷脂，幾乎所有的神經(jīng)節(jié)苷脂都有一個葡萄糖基與神經(jīng)酰胺以糖苷鍵相連，此外還有半乳糖、唾液酸和N-乙酰-D-半乳糖胺。神經(jīng)節(jié)苷脂的組成如下：

其中唾液酸為神經(jīng)節(jié)苷脂的極性頭部。

神經(jīng)節(jié)苷脂早在1940年就在神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)而得名，它還存在于脾和紅細(xì)胞中，是近年來頗受重視的一類糖脂。雖然在細(xì)胞膜中含量很少，但有許多特殊的生物功能，它與血型的專一性、組織器官的專一性有關(guān)，還可能與組織免疫、細(xì)胞與細(xì)胞間的識別、以及細(xì)胞的惡性變等都有關(guān)系。它在神經(jīng)末梢中含量較豐富，可能在神經(jīng)突觸的傳導(dǎo)中起著重要的作用。

除了上述的鞘氨醇糖脂以外還有甘油糖脂，甘油糖脂是由甘油二酯與己糖(主要為半乳糖或甘露糖)或脫氧葡萄糖結(jié)合而成的化合物。存在于綠色植物中，又稱為植物糖脂。有的含1分子己糖，也有的含2分子己糖，如半乳糖甘油二酯和二甘露糖甘油二酯的結(jié)構(gòu)如下：

三、 膽固醇和膽酸

膽固醇(cholesterol)是許多膜的重要脂類組份，其結(jié)構(gòu)與前述各種脂類大不相同。膽固醇及膽固醇酯是人和動物體內(nèi)重要的固醇類化合物。膽酸是膽固醇的衍生物，它是在體內(nèi)從膽固醇演變而成的。

(一) 膽固醇

固醇類(sterol)是環(huán)戊烷多氫菲的衍生物。所有固醇類化合物分子都是以環(huán)戊烷多氫菲為核心結(jié)構(gòu)。在甾核的C₃上有一個羥基，在C₁₇上有一分支的碳?xì)滏�。有α及β兩型�?/p>

式中R為支鏈，C₃上有羥基，α-或β-型就是根據(jù)C₃羥基的立體位置與C₁₀上甲基的位置來決定的。C₃上的羥基位置與C₁₀上甲基的位置相反者(即在平面下)稱α-型，以虛線連接；與C₁₀上甲基位置相同者(在平面上)稱β-型，以實線連接。所有固醇的C₁₀和C₁₃上都有甲基。

固醇可分為動物固醇、植物固醇和酵母固醇三類，膽固醇是動物固醇中的一種。

膽固醇的結(jié)構(gòu)式如下：

膽固醇大多以脂肪酸酯的形式存在，是高等動物細(xì)胞的重要組成部分，在神經(jīng)組織和腎上腺中含量特別豐富，約占腦組織固體物質(zhì)的17%。固醇類包括許多重要的激素，高等動物的性激素也在其中，事實上，膽固醇正是合成這些物質(zhì)的前體。膽固醇及其酯還是膽汁酸的前體，是神經(jīng)鞘絕緣物質(zhì)，是維持生物膜的正常透過能力不可缺少的，同時它們還具有解毒功能。膽固醇呈弱兩親性，疏水部分可溶于膜的疏水內(nèi)部，膽固醇的各六元環(huán)全部呈椅式構(gòu)象，使其結(jié)構(gòu)龐大且呈剛性，當(dāng)其在膜脂中會破壞膜結(jié)構(gòu)的規(guī)整性(regularity)。血清膽固醇為游離膽固醇與膽固醇酯的總和，正常值為(3.957+0.8)mmol/L［(153+31)mg/100ml］。在冠心病和動脈粥樣硬化癥中，粥樣斑塊是膽固醇等脂質(zhì)沉積而成。膽結(jié)石癥的膽石成分幾乎都是膽固醇構(gòu)成的。膽固醇在肝、腎和表皮組織含量也很多。據(jù)國外報道體內(nèi)膽固醇長期偏低，是誘發(fā)癌癥的因素之一。膽固醇易溶于氯仿、乙醚、苯及熱乙醇中，不能皂化。它與毛地黃糖苷容易結(jié)合而沉淀。膽固醇在氯仿溶液中與乙酸酐及濃硫酸化合產(chǎn)生藍(lán)綠色，這些性質(zhì)常被用于膽固醇的含量測定。

(二) 膽酸與膽汁酸

膽酸(cholicacid)是由動物膽囊合成分泌的物質(zhì)。根據(jù)分子中所含羥基的數(shù)目、位置與構(gòu)型不同可有多種膽酸。至今發(fā)現(xiàn)的膽酸已超過100種，其中常用的不過數(shù)種，如膽酸(3α，7α，12α-三羥基膽酸)、去氧膽酸(3α，12α-二羥基膽酸)、豬去氧膽酸(3α，6α-二羥基膽酸)、鵝去氧膽酸(3α，7α-二羥基膽酸)、熊去氧膽酸(3α，7β-二羥基膽酸)及少量石膽酸(3α-羥基膽酸)。它們的結(jié)構(gòu)如下：

膽酸(3α，7β-二羥基膽酸) 去氧膽酸

豬去氧膽酸 鵝去氧膽酸

  熊去氧膽酸石膽酸

熊去氧膽酸作為膽石溶解藥已收載于中國藥典，此外還有利膽藥去氫膽酸(dehydrocholic acid)，其結(jié)構(gòu)如下：

膽汁酸(bileacid)是膽酸的衍生物。各種膽酸或去氧膽酸均可與甘氨酸(NH₂·CH₂·COOH)或�；撬�(NH₂·CH₂·CH₂·SO₃H)以酰胺鍵結(jié)合，形成各種結(jié)合膽酸，甘氨膽酸和�；悄懰幔�稱為膽汁酸。它們是膽汁有苦味的主要原因。膽汁酸是水溶性物質(zhì)，在肝合成。膽囊分泌的膽汁，是膽汁酸的水溶液。由膽酸形成的兩種膽汁酸的結(jié)構(gòu)如下：

在膽汁中，大部分膽汁酸形成鉀鹽或鈉鹽，稱為膽鹽。膽鹽是一種乳化劑，可促進(jìn)脂肪的消化和吸收。

第四節(jié)  脂類的提取分離與分析

脂類存在于細(xì)胞、細(xì)胞器和細(xì)胞外的體液如血漿、膽汁、乳和腸液中。欲研究某一特定部分(例如紅細(xì)胞、脂蛋白或線粒體)的脂類，首先須將這部分組織或細(xì)胞分離出來。由于脂類不溶于水，從組織中提取和隨后的分級分離都要求使用有機(jī)溶劑和某些特殊技術(shù)，這與純化水溶性分子如蛋白質(zhì)和糖是很不相同的。一般說，脂類混合物的分離是根據(jù)它們的極性差別或在非極性溶劑中的溶解度差別進(jìn)行的。含酯鍵連接或酰胺鍵連接的脂肪酸可用酸或堿處理，水解成可用于分析的成分。

一、脂類的提取與分離

(一) 脂類的有機(jī)溶劑提取

非極性脂類(三酰甘油、蠟和色素等)用乙醚、氯仿或苯等很容易從組織中提取出來，在這些溶劑中不會發(fā)生因疏水相互作用引起的脂類聚集。膜脂(磷脂、糖脂、固醇等)要用極性有機(jī)溶劑如乙醇或甲醇提取，這種溶劑既能降低脂類分子間的疏水相互作用，又能減弱膜脂與膜蛋白之間的氫鍵結(jié)合和靜電相互作用。常用的提取劑是氯仿、甲醇和水(1∶2∶0.8，V/V/V)的混合液。此比例的混合液是混溶的，形成一個相。組織(例如肝)在此混合液中被勻漿以提取所有脂類，勻漿后形成的不溶物包括蛋白質(zhì)、核酸和多糖用離心或過濾方法除去。向所得的提取液加入過量的水使之分成兩個相，上相是甲醇/水，下相是氯仿。脂類留在氯仿相，極性大的分子如蛋白質(zhì)、多糖進(jìn)入極性相(甲醇/水)。取出氯仿相并蒸發(fā)濃縮，取一部分干燥，稱重。

(二) 脂類的色譜分離

被提取的脂類混合物可采用色譜(層析)方法進(jìn)行分級分離。例如硅膠柱吸附層析可把脂類分成非極性、極性和荷電的多個組分。硅膠是硅酸Si(OH)₄的一種形式，一種極性的不溶物。當(dāng)脂類混合物(氯仿提取液)通過硅膠柱時，由于極性和荷電的脂類與硅膠結(jié)合緊密被留在柱上，非極性脂類則直接通過柱子，出現(xiàn)在最先的氯仿流出液中，不荷電的極性脂類(例如腦苷脂)可用丙酮洗脫，極性大的或荷電的脂類(例如磷脂)可用甲醇洗脫。分別收集各個組分，再在不同系統(tǒng)中層析，以分離單個脂類組分。例如磷脂可分離成磷脂酰膽堿、鞘磷脂、磷脂酰乙醇胺等。

此外可采用更快速，分辨率更高的高效液相色譜(HPLC)和薄層層析(TLC)進(jìn)行脂類分離。TLC中層析板上被分離的脂類組分可噴上染料羅丹明(rhodamine)加以檢測，因為它與脂類結(jié)合會發(fā)熒光；或用碘蒸氣熏層析板，碘與脂肪酸中雙鍵反應(yīng)給出黃色或棕色，因而也能檢測那些含不飽和脂肪酸的脂類。

二、脂類分析的原理

(一) 混合脂肪酸的氣液色譜分析

氣液色譜(GLC)可用于分析分離混合物中的揮發(fā)性成分。除某些脂類具有天然揮發(fā)性外，大多數(shù)脂類沸點很高，6碳以上的脂肪酸沸點都在200℃以上。因此進(jìn)行分析前必須先將脂類轉(zhuǎn)變?yōu)檠苌�物以增加它們的揮發(fā)性(即降低沸點)。為分析油脂或磷脂樣品中的脂肪酸，首先需要在甲醇/HCl或甲醇/NaOH混合物中加熱，使脂肪酸成分發(fā)生轉(zhuǎn)酯［基］作用(transesterification)，從甘油酯轉(zhuǎn)變?yōu)榧柞ァＨ缓髮⒓柞セ旌衔镞M(jìn)行氣液色譜分析。洗脫的順序決定于柱中固定液的性質(zhì)以及樣品中成分的沸點和其他性質(zhì)。利用GLC技術(shù)，具有各種鏈長和不飽和程度的脂肪酸可以得到完全分開。

(二) 脂類結(jié)構(gòu)的測定

某些脂類對在特異條件下的降解特別敏感，例如三酰甘油，甘油磷脂和固醇酯中的所有酯鍵連接的脂肪酸只要用溫和的酸或堿處理則被釋放。而鞘脂中的酰胺鍵連接的脂肪酸需要在較強(qiáng)的水解條件下被釋放。專一性水解某些脂類的酶也被用于脂類結(jié)構(gòu)的測定。磷脂酶A₁，A₂，C和D都能斷裂甘油磷脂分子中的一個特定的鍵，并產(chǎn)生具有特別溶解度和層析行為的產(chǎn)物。例如磷脂酶C作用于磷脂，釋放一個水溶性的磷酰醇如磷酰膽堿和一個氯仿溶的二酰甘油，這些成分可以分別加以鑒定以確定完整磷脂的結(jié)構(gòu)。專一性水解及其產(chǎn)物的TLC或GLC相結(jié)合的技術(shù)�？捎脕頊y定一個脂的結(jié)構(gòu)。確定烴鏈長度和雙鍵的位置，質(zhì)譜分析特別有效。

(姚文兵)