趙世聰

(南京大學金陵學院化學與生命科學學院,江蘇南京 210000)

糖類的生物學功能與作用

趙世聰

(南京大學金陵學院化學與生命科學學院,江蘇南京 210000)

糖類在生物學,特別是現(xiàn)代生物學發(fā)展中扮演著越來越重要的角色,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,糖類在生物免疫,細胞識別,抗體蛋白研究方面也發(fā)揮著重要作用,已被世界各國科學界高度重視。

糖類 生物免疫 食品成分

1 糖生物學的產(chǎn)生

糖類在生命過程中的作用糖在生命過程中除了充當細胞的能量來源和細胞的骨架等作用外,還可作為細胞識別的主要標記物、細胞信息傳遞物質(zhì)和細胞的“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。糖蛋白、蛋白多糖和糖脂都是細胞膜的重要組成部分其結(jié)構(gòu)中的糖鏈作為生命活動過程中主要的生物信息攜帶者和傳遞者調(diào)節(jié)著細胞的生長、發(fā)育、分化和代謝。近年來研究還表明無論是在基本的生命過程中如受精、受精卵細胞的分裂增殖、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程中起特異性的識別和調(diào)控的作用并且糖類藥物對預防、診斷和治療各種疾病都顯示出巨大的應用前景有人說上世紀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)上的復雜性決定其功能多樣性糖鏈是生命的第3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遠超過核酸和蛋白質(zhì)。同時糖鏈結(jié)構(gòu)的測定和化學合成遠比核酸和蛋白質(zhì)要困難 因為糖鏈的合成不是依據(jù)膜板的復制過程,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)的復雜過程,除受酶基因表達的調(diào)控外,還受酶活性的影響所以各國科學家都在致力于糖鏈結(jié)構(gòu)分析和合成方法學上的突破為糖鏈的功能分析提供技術支持。繼功能基因組學和蛋白質(zhì)組學研究后,糖組學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的化學物質(zhì)皆被稱為“碳水化合物”,根據(jù)這個定義,有些科學家認為甲醛(CH2O)為最簡單的糖類,但是也有其他人認為是乙醇醛(C2H4O2)。但是除了碳數(shù)不為一和二的糖類皆被生物化學理解。

2.1 單糖

單糖可由三種不同的特征片段來分類: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。含有三個碳原子的單糖稱為:丙糖;四個碳原子的稱為丁糖;五個稱為戊糖;六個稱為己糖,以此類推。

2.2 二糖

由兩個連接成一起的單糖組成的糖類,稱為:二糖。它們是最簡單的多糖,如:蔗糖和乳糖。雙糖是由兩個單糖單元通過脫水反應,形成一種稱為糖苷鍵的共價鍵連接而成。在脫水過程中,一分子單糖脫除H,而另一分子單糖脫除-OH。未經(jīng)修飾的雙糖化學式可表達為:C12H22O11。雖然雙糖種類繁多,但大多數(shù)并不常見。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式是(C6H10O5)n其中多糖又可分為:

(1)復合糖;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,細胞的識別、定性以及免疫等無不與之有關。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(見鞘脂)。復合糖具有不對稱性,糖脂和糖蛋白只分布于細胞的外表面。

(2)低聚糖和多糖;低聚糖和多糖都是由單糖單元通過糖苷鍵組成的長鏈分子。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個單糖單元,而多糖則超過10個單糖單元。實際應用中,糖的分類更傾向于個人的判斷,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)生味覺的分子,與糖科學分別屬于兩個完全不同的范疇。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,仍對甜味劑作一些簡單的介紹。甜味劑 目前公認的味覺至少有五種:甜、苦、酸、咸和鮮。甜味是其中的一種,普遍認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特定的區(qū)域,被稱為甜效團。和受體結(jié)合時,起主要作用的是甜效團,分子的其他部分,通常并不重要。對甜效團曾有幾種不同的假設。一般認為其有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;另一種假設認為,除了A-H和B外,尚有第三個疏水性質(zhì)的位點X;還有一種多點附著理論。它們的共同點是具有甜味團,能和甜味受體特異結(jié)合?；谶@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

糖對蛋白質(zhì)的保護作用大小有時依賴于其濃度,通常在某個濃度范圍內(nèi),保護效果隨著濃度的升高而增加。以乳糖為例,實驗證明:0.5mol/L乳糖對SOD的保護效果整體優(yōu)于0.1mol/L乳糖。當某些糖達到某一濃度,作用一定時間后,保護作用達到最大值,而此后再增加濃度和保存時間,保護效果不再增加,有時反而降低。以纖維糊精為例,其來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,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啟動子傾向于被CldRHis負調(diào)控,后者結(jié)合于兩個反向重復。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的底物。

5 糖類的分解與代謝

以雙歧桿菌為例:雙歧桿菌對營養(yǎng)要求較為苛刻,在大多數(shù)基質(zhì)中生長緩慢。它以有機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。雙歧桿菌通過分泌到細胞外的各種酶來分解利用不同的糖類,促進其生長繁殖。已經(jīng)證實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

糖類的生產(chǎn),分離與鑒定在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位,自上世紀90年代興起的“糖工程”這一概念以來,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,已廣泛被世界各國所重視。

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

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

趙世聰,男,南京大學金陵學院化學與生命科學學院應用化學本科在讀。