醫(yī)用化學:第一節(jié)　單糖

單糖一般是含有3-6個碳原子的多羥基醛或多羥基酮。最簡單的單糖是甘油醛和二羥基丙酮。

按碳原子數(shù)目，單糖可分為丙糖、丁糖、戊糖、己糖等。自然界的單糖主要是戊糖和己糖。根據(jù)構造，單糖又可分為醛糖和酮糖。多羥基醛稱為醛糖，多羥基酮稱為酮糖。例如，葡萄糖為己醛糖，果糖為己酮糖。單糖中最重要的與人們關系最密切的是葡萄糖等。

一、單糖的結構

葡萄糖的分子式為C6H12O6，分子中含五個羥基和一個醛基，是己醛糖。其中C-2，C-3，C-4和C-5是不同的手性碳原子，有16個（α4=16)具有旋旋光性的異構體，D-葡萄糖是其中之一。存在于自然界中的葡萄糖其費歇爾投影中，四個手性碳原子除C-3上的-OH在左邊外，其它的手性碳原子上的-OH都在右邊。

單糖構型的確定仍沿用D/L法。這種方法只考慮與羰基相距最遠的一個手性碳的構型，此手性碳上的羥基在右邊的D型，在左邊的L型。自然界存在的單糖多屬D型糖。例如：

六碳以下的D型醛見表21-1。

（二)葡萄糖的環(huán)狀結構和變旋現(xiàn)象

結晶葡萄糖有兩種，一種是從乙醇中結晶出來的，熔點146℃。它的新配溶液的[α]D為+112°，此溶液在放置過程中，比旋光度逐漸下降，達到+52.17°以后維持不變；另一種是從吡啶中結晶出來的，熔點150℃，新配溶液的[α]D為+18.7°，此溶液在放置過程中，比旋光度逐漸上升，也達到+52.7°以后維持不變。糖在溶液中，比旋光度自行轉變?yōu)槎ㄖ档默F(xiàn)象稱為變旋現(xiàn)象。顯然葡萄糖的開鏈結構不能解釋此現(xiàn)象。

從葡萄糖的開鏈結構可見，它既具有醛基，也有醇羥基，因此在分子內(nèi)部可以形成環(huán)狀的半縮醛。

成環(huán)時，葡萄糖的羰基與C-5上的羥基經(jīng)加成反應形成穩(wěn)定的六元環(huán)。葡萄糖分子雖然具有醛基，但在反應性能上與一般的醛有許多差異，例如對NaHSO3的加成非常緩慢，其原因是在溶液中，葡萄糖幾乎以環(huán)狀的半縮醛結構存在的緣故。

表21-1　六碳以下的D型醛糖

成環(huán)后，使原來的羰基碳原子（C-1)變成了手性碳原子，C-1上新形成的半縮醛羥基在空間的排布方式有兩種可能。半縮醛羥基與決定單糖構型的羥基（payment-defi.com/zhuyuan/C-5上的羥基)在碳鏈同側的叫做α型，在異側的稱為β型。α型和β型是非對映異構體。它們的不同點是C-1上的構型，因此又稱為異頭物（端基異構體)。它們的熔點和比旋光度都不同。

葡萄糖的變旋現(xiàn)象，就是由于開鏈結構與環(huán)狀結構形成平衡體系過程中的比旋光度變化所引起的。在溶液中α-D-葡payment-defi.com/job/萄糖可轉變?yōu)殚_鏈式結構，再由開鏈結構轉變?yōu)棣?D-葡萄糖；同樣β-D-葡萄糖也變轉變?yōu)殚_鏈式結構，再轉變?yōu)棣?D-葡萄糖。經(jīng)過一段時間后，三種異構體達到平衡，形成一個互變異構平衡體系，其比旋光度亦不再改變。

不僅葡萄有變旋現(xiàn)象，凡能形成環(huán)狀結構的單糖，都會產(chǎn)生變旋現(xiàn)象。

（三)環(huán)狀結構的哈沃斯式和構象式

上述直立的環(huán)狀費歇爾投影式，雖然可以表示單糖的環(huán)狀結構，但還不能確切地反映單糖分子中各原子或原子團的空間排布。為此哈沃斯提出用透視式來表示。哈沃斯將直立環(huán)式改寫成平面的環(huán)式。因為葡萄糖的環(huán)式結構是由五個碳原子和一個氧原子組成的雜環(huán)，它與雜環(huán)化合物中的吡喃相似，故稱作吡喃糖。連在環(huán)上的原子或原子團分別寫在環(huán)的上方和下方以表示其位置的排布�，F(xiàn)將開鏈的費歇爾投影式改寫為哈斯沃式的過程表示如下：

書寫哈斯沃式時常省略成環(huán)的碳原子，并把朝前面的三個C-C鍵用粗實線表示。

對D型葡萄糖來說，直立環(huán)式右側的羥基，在哈 斯式中處在環(huán)平面下方；直立環(huán)式中左側的羥基，在環(huán)平面的上方。成環(huán)時，為了使 C-5上的羥基與醛基接近。C（4)-C（5)單鍵須旋轉120°。因此，D型糖末端的羥甲基即在環(huán)平面的上方了。C-1上新形成的半縮醛羥基在環(huán)平面下方者為α型；在環(huán)平面上方者稱為β型。

幾種重要單糖的哈 沃斯式如下：

把具有呋喃環(huán)結構

的糖稱為呋喃糖。

事實豐，形成吡喃環(huán)的各個原子，并不完全在一個平面上，而是以較穩(wěn)定的椅型構象存在。因此，為了更合理地反映其結構，現(xiàn)在常用構象式來表示。α-D-和β-D-葡萄糖的構象式如下：

α-D- 吡喃葡萄糖除C-1上的-OH連在α鍵上，其它三個碳上的-OH和-CH2OH都連在e鍵上，而β-D吡喃葡萄糖C-1上的-OH及所有比較大的原子團（-OH，-CH2OH)都連在e鍵上，因而β型的構象更為穩(wěn)定。故在溶液中達到平衡時，β型占64%，而α型僅占36%。

二、單糖的性質

（一)物理性質

單糖都是無色晶體，味甜，有吸濕性。極易溶于水，難溶于乙醇，不溶于乙醚。單糖有旋旋光性，其溶液有變旋現(xiàn)象。

（二)化學性質

單糖主要以環(huán)狀結構形式存在，但在溶液中可與開鏈結構反應。因此，單糖的化學反應有的以環(huán)式結構進行，有的以開鏈結構進行。

1．差向異構化

葡萄糖用稀堿液處理時，會部分轉變?yōu)楦事短呛凸�糖，成為復雜的混合物。這咱變化是通老祖宗醇式中間體來完成的。

D-果糖、D-甘露糖和D-葡萄糖的C-3、C-4，C-5和C-6的結構完全相同，只有C-1和C-2的結構不同，但是它們的C-1，C-2的結構互變成烯醇型時，其結構完全相同的。因此，不單是D-葡萄糖，而D-果糖或D-甘露糖在稀堿催化下，都能互變?yōu)槿�者的混合物�?/p>

在含有多個手性碳原子的具有旋光性的異構體之間，凡只有一個手性碳原子的構型不同時，互稱為差向異構體。D-葡萄糖和D-甘露糖就是C-2差向異構體。因此，用稀堿處理D-葡萄糖得到D-葡萄糖、D-果糖三種物質的平衡混合物的反應叫做差向異構化。

2．氧化作用

單糖無論是醛糖或酮糖都可與弱的氧化劑葉倫試劑、費林試劑和本尼迪特試劑作用，生成金屬或金屬的低價氧化物。上述三種試劑都是堿性的弱氧化劑。單糖在堿性溶液中加熱，生成復雜的混合物。

單糖易被堿性弱氧化劑氧化說明它們具有還原性，所以把它們叫做還原糖。

單糖在酸性條件下氧化時，由于氧化劑的強弱不同，單糖的氧化產(chǎn)物也不同。例如，葡萄糖被溴水氧化時，生成葡萄糖酸；而用強氧化劑硝酸氧化時，則生成葡萄糖二酸。

溴水氧化能力較弱，它把醛糖的醛基氧化為羧基。當醛糖中加入溴水，稍加熱后，溴水的棕色即可褪去，而酮糖則不被氧化，因此可用溴水來區(qū)別醛糖和酮糖。

3．成苷作用

單糖環(huán)狀半縮醛結構中的半縮醛羥基與另一分子醇或羥基作用時，脫去一分子水而生成縮醛。糖的這種縮醛稱為糖苷。例如α-和β-D-吡喃葡萄糖的混合物，在氯化氫催化下同甲醇反應，脫去一分子水，生成α-和β-D-甲基吡喃葡萄糖苷的混合物。

α-和β-D-吡喃葡萄混合液 β-D-甲基吡喃葡萄糖苷　α-D-甲基吡喃葡萄糖苷

苷由糖和非糖部分組成。非糖部分稱為糖苷配基或苷元。糖和糖苷配基脫水后通過過“氧橋”連接，這種鍵稱為苷鍵。由于單糖的環(huán)式結構有α-和β-兩種構型，所以可生成α-和β-兩種沒構型的苷。天然苷多為β-構型。苷的名稱是按其組成成分而命名的，并指出苷鍵和糖的構型。天然苷常按其來源而用俗名。

糖苷結構中已沒有半縮醛羥基，在溶液中不能再轉變成開鏈的醛式結構，所以糖工苷無還原性，也沒有變旋現(xiàn)象。糖苷在中性或堿性環(huán)境中較穩(wěn)定，但在酸性溶液中或在酶的作用下，則水解生成糖和非糖部分。

糖苷是中草藥的有效成分之一，多為無色、無臭、有苦澀味的固體，但黃酮苷和蒽醌苷為黃色。

苷中含有糖部分，所以在水中有一定的溶解性。苷類都有旋光性，天然苷多為左旋體。

4．成酯作用

單糖分子中含多個羥基，這些羥基能與酸作用生成酯。人體內(nèi)的葡萄糖在酶作用下生成葡萄糖磷酸酯，如1-磷酸吡喃葡萄糖和6-磷酸吡喃葡萄糖等。

單糖的磷酸酯在生命過程中具有重要意義，它們是人體內(nèi)許多代謝的中間產(chǎn)物。

5．成脎反應

單糖分子與三分子苯肼作用，生成的產(chǎn)物叫做糖脎。例如葡萄糖與進量苯肼作用，生成葡萄糖脎。

無論是醛糖還是酮糖都能生成糖脎，成脎反應可以看作是α-羥基醛或α-羥基酮的特有反應。

糖脎是難溶于水的黃色晶體。不同的脎具有特征的結晶形狀和一定的熔點。常利用糖脎和這些性質來鑒別不同的糖。

成脎反應只在單糖分子的C-1和C-2上發(fā)生，不涉及其它碳原子，因此除了C-1和C-2以外碳原子構型相同的糖，都可以生成相同的糖脎。例如：D-葡萄糖和D-果糖都生成相同的脎。

三、重要的單糖及其衍生物

自然界已發(fā)現(xiàn)的單糖主要是戊糖和己糖。常見的戊糖有D-（-)-核糖、D-（-)-2-脫氧核糖、D-（+)-木糖和L-（+)-阿拉伯糖。它們都是醛糖，以多糖或苷的形式存在于動植物中。常見的己糖有D-（+)-葡萄糖、D-（+)-甘露糖、D-（+)-半乳糖和D-（-)-果糖，后者為酮糖。己糖以游離或結合的形式存在于動植物中。

（一)D-（-)-核糖和D-（-)-2-脫氧核糖

核糖以糖苷的形式存在于酵母和細胞中，是核酸以及某些酶和維生素的組成成全分。核酸中除核糖外，還有2-脫氧核糖（簡稱為脫氧核糖)。

核糖和脫氧核糖的環(huán)為呋喃環(huán)，故稱為呋呋喃糖。

β-D -（-)-呋喃核糖β-D-（-)-脫氧呋喃核糖

核酸中的核糖或脫氧核糖C-1上的β-苷鍵結合成核糖核苷或脫氧核糖核苷，統(tǒng)稱為核苷。

核苷中的核糖或脫氧核糖，再以C-5或C-3上的羥基與磷酸以酯鍵結合即成為核苷酸。含核糖的核苷酸統(tǒng)稱為核糖核苷酸，是RNA的基本組成單位；含脫氧核糖的核苷酸統(tǒng)稱為脫氧核糖核苷酸，是DNA的基本組成單位。

（二)D-（+)-葡萄糖

D-（+)-葡萄糖在自然界中分布極廣，尤以葡萄中含量較多，因此叫葡萄糖。葡萄糖也存在于人的血液中（389-555umol/l)叫做血糖。糖尿病患者的尿中含有葡萄糖，含糖量隨病情的輕重而不同。葡萄糖是許多糖如蔗糖、麥芽糖、乳糖、淀粉、糖原、纖維素等的組成單元。

葡萄糖是無色晶體或白色結晶性粉末，熔點146℃，易溶于水，難溶于酒精，有甜味。天然的葡萄糖具有右旋性，故又稱右旋糖。

在肝臟內(nèi)，葡萄糖在酶作用下氧化成葡萄糖醛酸，即葡萄糖末端上的羥甲基被氧化生成羧基。

葡萄糖醛酸在肝中可與有毒物質如醇、酚等結合變成無毒化合物由尿排出體外，可達到解毒作用。

（三)D-（+)-半乳糖

半乳糖與葡萄糖結合成乳糖，存在于哺乳動物的乳汁中，。腦髓中有些結構復雜的腦苷脂中也含有半乳糖。

半乳糖是己醛糖，是葡萄糖的非對映體。兩者不同之處僅在于C-4上的構型正好相反，故兩者為C-4的差向異構體。半乳糖也有環(huán)狀結構，C-1上也有α-和β-兩種構型。

α-D-吡喃半乳糖β-D-吡喃半乳糖

半乳糖是無色晶體，熔點165-166℃。半乳糖有還原性，也有變旋現(xiàn)象，平衡時的比旋光度為+83.3°。

人體內(nèi)的半乳糖是攝入食物中乳糖的水解產(chǎn)物。在酶的催化下半乳糖能轉變?yōu)槠咸烟恰?/p>

半乳糖的一些衍生物廣泛分布于植物界。例如，半乳糖醛酸是植物粘液的主要成分；石花菜膠9也叫瓊脂)的主要組成是半乳糖衍生物的高聚體。

（四)D-（-)-果糖

D-果糖以游離狀態(tài)存在于水果和蜂蜜中，是蔗糖的一個組成單元，在動物的前列腺和精液中也含有相當量的果糖。

果糖為無色晶體，易用溶于水，熔點為105℃。D-果糖為左旋糖，也有變旋現(xiàn)象，平衡時的比旋光度為-92°。這種平衡體系是開鏈式和環(huán)式果糖的混合物。

β-D-（-)-吡喃果糖　β-D-（-)-呋喃果糖

果糖在游離狀態(tài)下時，主要以吡喃環(huán)形式存在：在結合狀態(tài)時則多以呋喃環(huán)形式存在。

果糖也可以形成磷酸酯，體內(nèi)有果糖-6-磷酸酯，（用F-6-表示)和果糖-1，6-二磷酸F-1，6-二 )。

　果糖磷酸酯體內(nèi)糖代謝的重 要中間產(chǎn)物，在糖代謝中有其重要的地位。F-1，6-二 在酶的催化下，可生成甘油醛-3-磷酸酯和二羥 基的丙酮磷酸酯。

體內(nèi)通過此反應將己糖變?yōu)楸�糖，這是糖代謝過程中的一個中間步驟。此反應類似于羥醛縮合反應的逆反應。

（五)氨基糖

自然界的氨基糖是己醛糖分子中C-2上的羥基被氨基取代的衍生物。

β-D-氨基葡萄糖β-D-氨基半乳糖

氨基糖常以結合狀態(tài)存在于粘蛋白和糖蛋白中，但游離的氨基半乳糖對肝臟有毒性。