糖類的生物學(xué)功能與作用

趙世聰

(南京大學(xué)金陵學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210000)

糖類的生物學(xué)功能與作用

趙世聰

(南京大學(xué)金陵學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210000)

糖類在生物學(xué),特別是現(xiàn)代生物學(xué)發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的角色,很多食品行業(yè)逐漸把糖類的含量作為重要的食品成分加以注明,同時(shí),糖類在生物免疫,細(xì)胞識(shí)別,抗體蛋白研究方面也發(fā)揮著重要作用,已被世界各國(guó)科學(xué)界高度重視。

糖類 生物免疫 食品成分

1 糖生物學(xué)的產(chǎn)生

糖類在生命過(guò)程中的作用糖在生命過(guò)程中除了充當(dāng)細(xì)胞的能量來(lái)源和細(xì)胞的骨架等作用外,還可作為細(xì)胞識(shí)別的主要標(biāo)記物、細(xì)胞信息傳遞物質(zhì)和細(xì)胞的“天線”。它不僅以游離寡糖或多糖的形式直接參與生命過(guò)程,而且還可以作為糖綴合物(如糖蛋白、蛋白多糖及糖脂等)參與許多重要的生命活動(dòng)。糖蛋白、蛋白多糖和糖脂都是細(xì)胞膜的重要組成部分其結(jié)構(gòu)中的糖鏈作為生命活動(dòng)過(guò)程中主要的生物信息攜帶者和傳遞者調(diào)節(jié)著細(xì)胞的生長(zhǎng)、發(fā)育、分化和代謝。近年來(lái)研究還表明無(wú)論是在基本的生命過(guò)程中如受精、受精卵細(xì)胞的分裂增殖、發(fā)生、發(fā)育和分化,還是在疾病的發(fā)生和發(fā)展中都有糖鏈的參與,糖鏈在生命和疾病過(guò)程中起特異性的識(shí)別和調(diào)控的作用并且糖類藥物對(duì)預(yù)防、診斷和治療各種疾病都顯示出巨大的應(yīng)用前景有人說(shuō)上世紀(jì)70年代興起基因工程,80年代興起蛋白質(zhì)工程,而90年代興起了糖工程。

糖類化合物在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性決定其功能多樣性糖鏈?zhǔn)巧牡?條鏈,糖鏈中糖昔鍵的連接方式比核酸中的磷酸脂鍵及蛋白質(zhì)中膚鍵要復(fù)雜很多。4種單核昔酸組成不同的寡聚核苷酸四聚體為24種;而4種氨基酸組成的不同四聚寡肽也只有24種;但是4種單糖可以形成四聚寡糖35560種由此可以看出糖鏈中所含的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)核酸和蛋白質(zhì)。同時(shí)糖鏈結(jié)構(gòu)的測(cè)定和化學(xué)合成遠(yuǎn)比核酸和蛋白質(zhì)要困難 因?yàn)樘擎湹暮铣刹皇且罁?jù)膜板的復(fù)制過(guò)程,而是包含了糖基的供體、糖基的受體、糖基轉(zhuǎn)移酶及糖昔酶等因素在內(nèi)的復(fù)雜過(guò)程,除受酶基因表達(dá)的調(diào)控外,還受酶活性的影響所以各國(guó)科學(xué)家都在致力于糖鏈結(jié)構(gòu)分析和合成方法學(xué)上的突破為糖鏈的功能分析提供技術(shù)支持。繼功能基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究后,糖組學(xué)正在成為全面揭示生命本質(zhì)所不可缺少的內(nèi)容。

2 糖的分類及結(jié)構(gòu)

所有分子式可寫成Cm(H2O)n的化學(xué)物質(zhì)皆被稱為“碳水化合物”,根據(jù)這個(gè)定義,有些科學(xué)家認(rèn)為甲醛(CH2O)為最簡(jiǎn)單的糖類,但是也有其他人認(rèn)為是乙醇醛(C2H4O2)。但是除了碳數(shù)不為一和二的糖類皆被生物化學(xué)理解。

2.1 單糖

單糖可由三種不同的特征片段來(lái)分類:羰基的位置;分子內(nèi)的碳原子數(shù)以及其手性構(gòu)型。如果羰基在碳鏈末端分子屬醛類,則單糖稱:醛糖;若羰基在碳鏈中間分子屬酮類,則單糖稱為:酮糖。含有三個(gè)碳原子的單糖稱為:丙糖;四個(gè)碳原子的稱為丁糖;五個(gè)稱為戊糖;六個(gè)稱為己糖,以此類推。

2.2 二糖

由兩個(gè)連接成一起的單糖組成的糖類,稱為:二糖。它們是最簡(jiǎn)單的多糖,如:蔗糖和乳糖。雙糖是由兩個(gè)單糖單元通過(guò)脫水反應(yīng),形成一種稱為糖苷鍵的共價(jià)鍵連接而成。在脫水過(guò)程中,一分子單糖脫除H,而另一分子單糖脫除-OH。未經(jīng)修飾的雙糖化學(xué)式可表達(dá)為:C12H22O11。雖然雙糖種類繁多,但大多數(shù)并不常見(jiàn)。蔗糖是存量最為豐富的雙糖,它們是植物體內(nèi)存在最主要的糖類。紅糖,白糖,冰糖等都是由蔗糖加工制成的。

2.3 多糖

淀粉、纖維素、糖原和木糖他們化學(xué)式是(C6H10O5)n其中多糖又可分為:

(1)復(fù)合糖;糖類的還原端和蛋白質(zhì)或脂質(zhì)結(jié)合的產(chǎn)物。在生物中分布廣泛,有多種重要功能,細(xì)胞的識(shí)別、定性以及免疫等無(wú)不與之有關(guān)。糖類和蛋白質(zhì)結(jié)合有以蛋白質(zhì)為主的稱糖蛋白,如血液中的大部分蛋白質(zhì);也有以糖為主的,如蛋白聚糖是動(dòng)物結(jié)締組織的重要成分。和脂質(zhì)結(jié)合的,如脂多糖存在于細(xì)菌的外膜,成分以多糖為主;另外有稱為糖脂的,組成以脂質(zhì)為主,大多和細(xì)胞的膜連系在一起。糖脂可由鞘氨醇,也可由甘油等衍生,但在自然界分布最廣,迄今研究得最多的是鞘糖脂(見(jiàn)鞘脂)。復(fù)合糖具有不對(duì)稱性,糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞的外表面。

(2)低聚糖和多糖;低聚糖和多糖都是由單糖單元通過(guò)糖苷鍵組成的長(zhǎng)鏈分子。兩者的區(qū)別在于單糖單元在鏈上的數(shù)量:低聚糖通常含有3－10個(gè)單糖單元,而多糖則超過(guò)10個(gè)單糖單元。實(shí)際應(yīng)用中,糖的分類更傾向于個(gè)人的判斷,如通常上述的雙糖可以算為低聚糖,也包括了:三糖－棉籽糖和四糖－水蘇糖。

3 糖類的食品學(xué)功用

甜味劑及其受體作為甜味劑的“糖”只是一類產(chǎn)生味覺(jué)的分子,與糖科學(xué)分別屬于兩個(gè)完全不同的范疇。只是葡萄糖等糖類有甜味,使得不少人產(chǎn)生了概念上的混淆。因此,這一系列講座雖然并不對(duì)作為甜味劑的“糖”作深入的探討,但是在這一講的后半部分,仍對(duì)甜味劑作一些簡(jiǎn)單的介紹。甜味劑 目前公認(rèn)的味覺(jué)至少有五種:甜、苦、酸、咸和鮮。甜味是其中的一種,普遍認(rèn)為是一種給人以愉悅感受的物質(zhì)。甜味劑中某些部位的空間排列而形成一個(gè)特定的區(qū)域,被稱為甜效團(tuán)。和受體結(jié)合時(shí),起主要作用的是甜效團(tuán),分子的其他部分,通常并不重要。對(duì)甜效團(tuán)曾有幾種不同的假設(shè)。一般認(rèn)為其有A-H和B兩部分組成,A-H和B分別是路易斯酸和路易斯堿,彼此相距約3nm;另一種假設(shè)認(rèn)為,除了A-H和B外,尚有第三個(gè)疏水性質(zhì)的位點(diǎn)X;還有一種多點(diǎn)附著理論。它們的共同點(diǎn)是具有甜味團(tuán),能和甜味受體特異結(jié)合。基于這樣的考慮,甜味分子可以具有不同的分子結(jié)構(gòu),也就很容易理解和認(rèn)可的了。因此,甜味最能體現(xiàn)分子的多樣性的一種屬性。

4 糖類的代謝作用

糖對(duì)蛋白質(zhì)的保護(hù)作用大小有時(shí)依賴于其濃度,通常在某個(gè)濃度范圍內(nèi),保護(hù)效果隨著濃度的升高而增加。以乳糖為例,實(shí)驗(yàn)證明:0.5mol/L乳糖對(duì)SOD的保護(hù)效果整體優(yōu)于0.1mol/L乳糖。當(dāng)某些糖達(dá)到某一濃度,作用一定時(shí)間后,保護(hù)作用達(dá)到最大值,而此后再增加濃度和保存時(shí)間,保護(hù)效果不再增加,有時(shí)反而降低。以纖維糊精為例,其來(lái)自不溶的纖維素的不完全水解產(chǎn)物,可以作為某些人體腸道微生物群落的碳源。POKUSAEVAK等研究證實(shí),短雙歧桿菌(B.breve)UCC2003的cldEFGC基因簇用于這些糖類的代謝。此外,cld基因簇的轉(zhuǎn)錄被一個(gè)由cldR編碼的LacI-型操縱子控制,后者緊緊位于cldE的上游。cldEFGC啟動(dòng)子傾向于被CldRHis負(fù)調(diào)控,后者結(jié)合于兩個(gè)反向重復(fù)。短雙歧桿菌UCC2003能夠利用纖維二糖、纖維三糖、纖維四糖和纖維戊糖,而纖維三糖是明顯的偏愛(ài)的底物。

5 糖類的分解與代謝

以雙歧桿菌為例:雙歧桿菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)要求較為苛刻,在大多數(shù)基質(zhì)中生長(zhǎng)緩慢。它以有機(jī)碳源作為碳源和能源。通常雙歧桿菌不能利用大分子的糖類,可利用的糖類主要是葡萄糖等單糖和一些低聚糖。雙歧桿菌通過(guò)分泌到細(xì)胞外的各種酶來(lái)分解利用不同的糖類,促進(jìn)其生長(zhǎng)繁殖。已經(jīng)證實(shí)的雙歧桿菌糖苷酶有α-D-半乳糖苷酶、β-D-半乳糖苷酶、β-呋喃果糖苷酶、D-木糖苷酶等。

6 結(jié)語(yǔ)

糖類的生產(chǎn),分離與鑒定在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位,自上世紀(jì)90年代興起的“糖工程”這一概念以來(lái),糖類的利用,鑒定,分離在食品鑒定,藥物分析,化工生產(chǎn)中的應(yīng)用以及其與蛋白質(zhì)工程,基因工程研究的交叉滲透,已廣泛被世界各國(guó)所重視。

[1]傅雷.糖生物學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展[J].生物學(xué)通報(bào),2006(12):27-28.

[2]楊學(xué)山,楊孝樸,付文力.糖類對(duì)羊血超氧化物歧化酶活性的影響[J].食品科學(xué),2011(7):100-103.

趙世聰,男,南京大學(xué)金陵學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)本科在讀。