糖类的生物学功能与作用

2014-10-30赵世聪

中国科技纵横 2014年18期

关键词：糖链糖类单糖

赵世聪

(南京大学金陵学院化学与生命科学学院,江苏南京 210000)

糖类的生物学功能与作用

赵世聪

(南京大学金陵学院化学与生命科学学院,江苏南京 210000)

糖类在生物学,特别是现代生物学发展中扮演着越来越重要的角色,很多食品行业逐渐把糖类的含量作为重要的食品成分加以注明,同时,糖类在生物免疫,细胞识别,抗体蛋白研究方面也发挥着重要作用,已被世界各国科学界高度重视。

糖类生物免疫食品成分

1 糖生物学的产生

糖类在生命过程中的作用糖在生命过程中除了充当细胞的能量来源和细胞的骨架等作用外,还可作为细胞识别的主要标记物、细胞信息传递物质和细胞的“天线”。它不仅以游离寡糖或多糖的形式直接参与生命过程,而且还可以作为糖缀合物(如糖蛋白、蛋白多糖及糖脂等)参与许多重要的生命活动。糖蛋白、蛋白多糖和糖脂都是细胞膜的重要组成部分其结构中的糖链作为生命活动过程中主要的生物信息携带者和传递者调节着细胞的生长、发育、分化和代谢。近年来研究还表明无论是在基本的生命过程中如受精、受精卵细胞的分裂增殖、发生、发育和分化,还是在疾病的发生和发展中都有糖链的参与,糖链在生命和疾病过程中起特异性的识别和调控的作用并且糖类药物对预防、诊断和治疗各种疾病都显示出巨大的应用前景有人说上世纪70年代兴起基因工程,80年代兴起蛋白质工程,而90年代兴起了糖工程。

糖类化合物在结构上的复杂性决定其功能多样性糖链是生命的第3条链,糖链中糖昔键的连接方式比核酸中的磷酸脂键及蛋白质中肤键要复杂很多。4种单核昔酸组成不同的寡聚核苷酸四聚体为24种;而4种氨基酸组成的不同四聚寡肽也只有24种;但是4种单糖可以形成四聚寡糖35560种由此可以看出糖链中所含的信息量远远超过核酸和蛋白质。同时糖链结构的测定和化学合成远比核酸和蛋白质要困难因为糖链的合成不是依据膜板的复制过程,而是包含了糖基的供体、糖基的受体、糖基转移酶及糖昔酶等因素在内的复杂过程,除受酶基因表达的调控外,还受酶活性的影响所以各国科学家都在致力于糖链结构分析和合成方法学上的突破为糖链的功能分析提供技术支持。继功能基因组学和蛋白质组学研究后,糖组学正在成为全面揭示生命本质所不可缺少的内容。

2 糖的分类及结构

所有分子式可写成Cm(H2O)n的化学物质皆被称为“碳水化合物”,根据这个定义,有些科学家认为甲醛(CH2O)为最简单的糖类,但是也有其他人认为是乙醇醛(C2H4O2)。但是除了碳数不为一和二的糖类皆被生物化学理解。

2.1 单糖

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。

2.2 二糖

由两个连接成一起的单糖组成的糖类,称为:二糖。它们是最简单的多糖,如:蔗糖和乳糖。双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H,而另一分子单糖脱除-OH。未经修饰的双糖化学式可表达为:C12H22O11。虽然双糖种类繁多,但大多数并不常见。蔗糖是存量最为丰富的双糖,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。

2.3 多糖

淀粉、纤维素、糖原和木糖他们化学式是(C6H10O5)n其中多糖又可分为:

(1)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)。复合糖具有不对称性,糖脂和糖蛋白只分布于细胞的外表面。

(2)低聚糖和多糖;低聚糖和多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－棉籽糖和四糖－水苏糖。

3 糖类的食品学功用

甜味剂及其受体作为甜味剂的“糖”只是一类产生味觉的分子,与糖科学分别属于两个完全不同的范畴。只是葡萄糖等糖类有甜味,使得不少人产生了概念上的混淆。因此,这一系列讲座虽然并不对作为甜味剂的“糖”作深入的探讨,但是在这一讲的后半部分,仍对甜味剂作一些简单的介绍。甜味剂目前公认的味觉至少有五种:甜、苦、酸、咸和鲜。甜味是其中的一种,普遍认为是一种给人以愉悦感受的物质。甜味剂中某些部位的空间排列而形成一个特定的区域,被称为甜效团。和受体结合时,起主要作用的是甜效团,分子的其他部分,通常并不重要。对甜效团曾有几种不同的假设。一般认为其有A-H和B两部分组成,A-H和B分别是路易斯酸和路易斯碱,彼此相距约3nm;另一种假设认为,除了A-H和B外,尚有第三个疏水性质的位点X;还有一种多点附着理论。它们的共同点是具有甜味团,能和甜味受体特异结合。基于这样的考虑,甜味分子可以具有不同的分子结构,也就很容易理解和认可的了。因此,甜味最能体现分子的多样性的一种属性。

4 糖类的代谢作用

糖对蛋白质的保护作用大小有时依赖于其浓度,通常在某个浓度范围内,保护效果随着浓度的升高而增加。以乳糖为例,实验证明:0.5mol/L乳糖对SOD的保护效果整体优于0.1mol/L乳糖。当某些糖达到某一浓度,作用一定时间后,保护作用达到最大值,而此后再增加浓度和保存时间,保护效果不再增加,有时反而降低。以纤维糊精为例,其来自不溶的纤维素的不完全水解产物,可以作为某些人体肠道微生物群落的碳源。POKUSAEVAK等研究证实,短双歧杆菌(B.breve)UCC2003的cldEFGC基因簇用于这些糖类的代谢。此外,cld基因簇的转录被一个由cldR编码的LacI-型操纵子控制,后者紧紧位于cldE的上游。cldEFGC启动子倾向于被CldRHis负调控,后者结合于两个反向重复。短双歧杆菌UCC2003能够利用纤维二糖、纤维三糖、纤维四糖和纤维戊糖,而纤维三糖是明显的偏爱的底物。

5 糖类的分解与代谢

以双歧杆菌为例:双歧杆菌对营养要求较为苛刻,在大多数基质中生长缓慢。它以有机碳源作为碳源和能源。通常双歧杆菌不能利用大分子的糖类,可利用的糖类主要是葡萄糖等单糖和一些低聚糖。双歧杆菌通过分泌到细胞外的各种酶来分解利用不同的糖类,促进其生长繁殖。已经证实的双歧杆菌糖苷酶有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。