任务2.1　糖类

糖类（saccharides）是多羟基醛或多羟基酮及其聚合物或衍生物的总称。早期发现的糖中都含有碳、氢、氧三种元素，大多数糖分子中氢和氧的比例是2∶1，因此，又称为碳水化合物（carbohydrates）。

在自然界中，糖的分布极广，无论是在植物界还是动物界。糖可分布于植物的各个部位，植物的根、茎、叶、花、果实、种子等大多含有葡萄糖、果糖（fructose）、淀粉和纤维素（cellulose）等糖类物质。糖类与核酸、蛋白质、脂质一起合称为生命活动所必需的四大类化合物，糖还可和其他非糖物质结合，形成苷类（glycosides）等存在于生物体中。

现代研究表明，糖类在抗肿瘤、抗肝炎、抗心血管疾病、抗衰老等方面具有独特的生物活性，是天然药物的基本成分之一。

2.1.1　结构与分类

糖类物质可根据其能否水解和分子量的大小分为单糖（monosaccharides）、低聚糖（oligosaccharides）和多聚糖（polysaccharides）。

2.1.1.1　单糖

单糖是不能水解的最简单的糖类，是组成糖类物质及其衍生物的基本单位；从三碳糖到八碳糖都存在，但以五碳（戊）糖和六碳（己）糖最多。自然界中糖都以六元或五元氧环形式存在，五元氧环的糖称为呋喃型糖，六元氧环的糖则称为吡喃型糖。

单糖的结构常用的表示方式有Fischer投影式、Harworth投影式和优势构象式三种。如葡萄糖的Fischer式、Harworth式和构象式之间存在如下转变：

单糖的绝对构型：在Fischer式中以编号最大的不对称碳原子的构型与α-OH甘油醛作比较，向右的为D型，向左的为L型。在哈沃斯（Haworth）式中，只要看六碳吡喃糖C5（五碳呋喃糖C4）上取代基的取向，向上的为D型，向下的为L型。

单糖的相对构型：单糖成环后形成的一个新的手性碳原子，形成的一对异构体称为端基碳差向异构体，用α和β来表示C1羟基与六碳糖C5（五碳糖C4）上取代基的相对关系。相对构型的判断方法，在Haworth式中看C1羟基与六碳糖C5（五碳糖C4）上取代基的相对关系，在环同侧的为β构型，异侧的为α构型。

（1）常见的单糖

①五碳醛糖　D-木糖（D-xylose）、D-核糖（D-ribose）、L-阿拉伯糖（L-arabinose）。

②甲基五碳糖　L-鼠李糖（L-rhamnose）、D-夫糖（L-fucose）、D-鸡纳糖（D-quinovose）。

③六碳醛糖　D-葡萄糖（D-glucose）、D-甘露糖（D-mannose）、D-半乳糖（D-galactose）。

④六碳酮糖　D-果糖（fructose）、L-山梨糖（L-sorbose）。

（2）特殊的单糖

①去氧糖　单糖分子中的一个或两个羟基被氢原子取代的糖。如D-洋地黄毒糖（D-digitoxose），去氧糖主要存在于强心苷等成分中。

②氨基糖　单糖上的一个或几个醇羟基被氨基置换后成为氨基糖。主要存在于动物和微生物中，如存在于龙虾甲壳中的2-氨基-2-去氧-D-葡萄糖。

③支碳链糖　自然界中发现的一些有分支碳链的糖，如D-芹糖（D-apiose，api）。

（3）单糖衍生物

①糖醛酸　单糖中的伯羟基被氧化成羧基后形成的化合物。如D-葡萄糖醛酸（D-glucuronic acid）、D-半乳糖醛酸（D-galacturonic acid）。

②糖醇　单糖的醛或酮基还原成羟基后所得到的多元醇称糖醇。如卫矛醇（dulcitol）、D-甘露醇（D-mannitol）、D-山梨醇（D-sorbitol）。

③环醇　环状的多羟基化合物叫环醇。如最常见的是环己六醇（肌醇）。

2.1.1.2　低聚糖

由2～9个单糖通过苷键脱水聚合而成的糖。按组成低聚糖的单糖基个数可分为二糖、三糖、四糖等，根据是否含有游离的醛基或酮基，又可将其分为还原糖和非还原糖。如果两个单糖均以端基碳上的羟基脱水缩合，形成的低聚糖就没有还原性，称为非还原糖。如二糖中的蔗糖（sucrose）就是非还原糖，而龙胆二糖（gentiobiose）、麦芽糖（maltose）、芸香糖（rutinose）、蚕豆糖（vicianose）、槐糖（sophorose）等都是还原糖。

天然存在的三糖大多是在蔗糖的基础上再连接一个糖而成，如棉子糖（raffinose）。四糖五糖又多是在三糖的结构上再延长，如水苏糖（stachyose），它们一般都属于非还原糖。

2.1.1.3　多聚糖

多聚糖又称多糖，是由10个以上的单糖分子通过苷键聚合而成，分子量较大，一般由几百甚至几万个单糖分子组成。由一种单糖组成的多糖为均多糖（homosaccharide），由两种以上不同的单糖组成的为杂多糖（heterosaccharide）。

多糖按其在生物体内的功能又可分为两类，一类为不溶于水的动植物体内的支持组织，如植物中的半纤维素和纤维素，动物甲壳中的甲壳素等，分子呈直链型。另一类为水溶物，如动植物体内贮藏的营养物质淀粉、菊糖、黏液质、果胶、树胶等，分子多呈支链型。许多多糖具有较强的生物活性，是该药的有效成分，如人参多糖、黄芪多糖、刺五加多糖、猪苓多糖、灵芝多糖等。

（1）植物多糖

①纤维素（cellulose）　是一类聚合度为3000～5000的以β1→4苷键结合的直链葡聚糖，是植物细胞壁的主要组成成分，不易被稀酸或碱水解。纤维素不能被人类和食肉动物消化利用，因为人类和食肉动物体内无水解纤维素的酶。

②淀粉（starch）　广泛存在于植物体的根、茎及种子中。淀粉是葡萄糖的高聚物，约由73%以上的胶淀粉（支链淀粉）和27%以下的糖淀粉（直链淀粉）组成。糖淀粉是α1→4连接的D-葡聚糖，聚合度为300～350；胶淀粉聚合度3000左右，也是α1→4葡聚糖，但有α1→6的分支链。淀粉可溶于热水，胶淀粉还可溶于冷水，遇碘呈色，所呈色调与聚合度有关，糖淀粉遇碘呈蓝色，胶淀粉遇碘呈紫红色。淀粉通常无明显的生理活性在制剂中常用作赋形剂，在工业上常用作生产葡萄糖的原料。

③黏液质（mucilage）　是植物种子、果实、根、茎和海藻中存在的一类黏多糖。黏液质可溶于热水，冷后呈胶冻状。在植物中有保持水分的作用。

④菊糖（inulin）　又称菊淀粉。在菊科植物中分布较多，由35个D-果糖以β2→4苷键连接在D-葡萄糖上构成，难溶于冷水，不溶于乙醇及其他有机溶剂，可作为植物显微鉴别的依据。

⑤树胶（gum）　是植物在受伤害或毒菌类侵袭后分泌的物质，干后呈半透明块状物，如中药没药内含64%树胶。树胶易溶于水，不溶于乙醇和其他有机溶剂，在水中能膨胀成极黏稠的胶体溶液。在医药工业中常用作乳化剂、赋形剂及混悬剂。

（2）菌类多糖

①猪苓多糖（polyporus polysaccharide）　能显著提高荷瘤小鼠巨噬细胞的吞噬能力，促进抗体形成，是良好的免疫调节剂，具有抗肿瘤转移和调节机体细胞免疫功能的作用。此外，对慢性肝炎也有良好的疗效。

②茯苓多糖（poria cocos mushroom polysaccharide）　本身无抗肿瘤活性，若切断其所含的β1→6吡喃葡聚糖支链，成为单纯的β1→3葡聚糖（称为茯苓次聚糖pachymaran），则具有显著的抗肿瘤作用。

③灵芝多糖（ganoderma lucidum polysaccharide）　能提高机体免疫力，提高机体耐缺氧能力，消除自由基，抑制肿瘤，抗辐射，提高肝脏、骨髓、血液合成DNA、RNA、蛋白质能力，延长寿命，还具有刺激宿主非特异性抗性、免疫特异反应以及抑制移植肿瘤生理活性的特性。

（3）动物多糖

①肝素（heparin）　是一种含有硫酸酯的黏多糖，含硫量在9%～12.9%，分子量5000～15000，分子呈螺旋形纤维状。广泛分布于哺乳动物的内脏、肌肉和血液里，有很强的抗凝血作用，可用于预防血栓形成，并已形成了一种肝素疗法。

②透明质酸（hyaluronic acid）　广泛存在于动物的各种组织中，在哺乳动物体内，以玻璃体、脐带和关节滑液中含量最高，鸡冠的含量与滑液相似。透明质酸可用于视网膜脱离手术，并作为天然保湿因子，广泛用于化妆品中。

③硫酸软骨素（chondroitin sulfate）　是从动物的软骨组织中得到的酸性黏多糖，其中的硫酸软骨素A能增强脂肪酶的活性，使乳糜微粒中的甘油三酯分解成脂肪酸，使血液中乳糜微粒减少而澄清，还具有抗凝和抗血栓形成的作用。

④甲壳素（chitin）　是组成甲壳类昆虫外壳的多糖，其结构和安定性与纤维素类似。由N-乙酰葡萄糖胺以β1→4反向连接成直线状结构。不溶于水，对稀酸和碱稳定。甲壳素经浓碱处理，可得脱乙酰甲壳素（chitosan）。甲壳素及脱乙酰甲壳素应用非常广泛，可制成透析膜、超滤膜，用作药物的载体具有缓释，持效的优点，还可用于人造皮肤、人造血管、手术缝合线等。

2.1.2　理化性质

2.1.2.1　性状

小分子单糖为无色结晶性固体，有甜味，分子结构中有若干个手性碳原子，具有旋光性。多糖随分子量的增大已失去一般单糖的性质，难结晶，多为无定形物质，甜味也随之消失。

2.1.2.2　溶解性

单糖为小分子极性化合物，易溶于水，可溶于含水乙醇，难溶于低极性有机溶剂。低聚糖与单糖类似。多聚糖随着聚合度增高，水溶性下降，一般难溶于冷水以及乙醇（70%乙醇即可形成沉淀）、丙酮等有机溶剂，可溶于热水成胶体溶液。

2.1.2.3　化学性质

糖的化学性质在普通有机化学中已有所涉及，以下介绍的主要是一些与糖的分离和结构测定密切相关的化学反应。

（1）氧化反应

单糖分子中有醛（酮）、醇羟基和邻二醇等结构，可以与一定的氧化剂发生氧化反应，一般都无选择性。如Ag+、Cu2+、溴水可使醛氧化为羧基，硝酸可使醛酮及伯醇氧化为糖二酸。

以过碘酸为氧化剂，不仅能氧化邻二醇，而且能氧化α-氨基醇、α-羟基醛（酮）、邻二酮和某些活性次甲基。通过测定反应中过碘酸的消耗量以及最终的降解产物，在推测糖的结构和连接位置上具有重要的意义。基本反应如下：

（2）糠醛形成反应

单糖在浓酸作用下失去三分子水，生成具有呋喃环结构的醛类化合物。由五碳糖生成的是糠醛，由甲基五碳糖生成的是5-甲基糠醛，由六碳糖生成的是5-羟甲基糠醛。这些糠醛衍生物和许多芳胺、酚类可缩合成有色物质，可借此反应来检识糖类和苷类化合物的存在。许多糖的显色剂就是根据这一原理配制而成的，如Molish反应试剂就是α-萘酚和浓硫酸。

（3）羟基反应

在糖及苷类化合物的分离和结构鉴定中，为了降低其亲水性、判断糖与糖以及糖与苷元连接位置的需要，往往要对糖上的羟基进行醚化、酰化等制备成衍生物。从糖的结构看，活性最高的是半缩醛羟基，但该羟基在苷类化合物中多已被苷化；其次是伯醇基；仲醇基更次。仲醇基中又以C2-OH较活泼，糖的羟基反应包括醚化、酯化、缩醛缩酮化以及与硼酸的络合反应等。其中以乙酰化衍生物较为常见，常用的试剂有Ac2O-吡碇、Ac2O-NaAc、Ac2O-ZnCl等。

2.1.3　检识

2.1.3.1　化学方法

（1）Molish反应

取样品的提取液1mL，加5%α-萘酚乙醇液1～3滴，摇匀后沿试管壁缓缓加入浓硫酸，若在两液面间有紫色环产生，说明样品组成中含有糖类或苷类。但Molish反应阳性仅能说明样品中含有游离或结合的糖，却不能判定是苷类还是游离糖或其他形式的糖。

（2）费林反应和多伦反应

样品与费林试剂或多伦试剂反应呈阳性，说明存在还原糖，而非还原糖和苷类则呈阴性反应。将反应液滤液酸水解后再进行费林反应或多伦反应，如果为阳性反应，说明存在多糖或苷类。

2.1.3.2　色谱法

糖类和苷类的色谱检识主要有薄层色谱和纸色谱，薄层色谱常用的吸附剂是硅胶、反相硅胶，也可用纤维素进行薄层色谱。

（1）薄层色谱

硅胶薄层色谱常用极性较大的含水溶剂系统为展开剂，如正丁醇-乙酸-水（4∶5∶1，上层）、氯仿-甲醇-水（65∶35∶10，下层）、乙酸乙酯-正丁醇-水（4∶5∶1，上层）等三元溶剂系统。由于糖的吸附性强，点样量不宜过多（一般小于5μg），否则斑点拖尾会比较明显，Rf值下降。若用硼酸溶液或一些无机盐的水溶液，如0.3mol/L的磷酸氢二钠或磷酸二氢钠的水溶液，代替水调制吸附剂进行铺板，就能显著提高点样量，并可改善分离效果。

（2）纸色谱

糖的极性较大，其纸色谱一般用水饱和的有机溶剂为展开剂，如正丁醇-乙酸-水（4∶5∶1，上层）、水饱和的苯酚等。其Rf值与溶剂的含水量有关，在含水量少的溶剂系统展开时Rf值很小。因此在配制展开剂时特别是多元组分的展开剂时应特别注意，其混合比例力求准确，并须用标准品同时点样作为对照。单糖中，一般碳原子数目少的糖Rf值比碳原子多的大。碳原子数目相同，则酮糖比醛糖的大，去氧糖则更大。分子组成相同的糖，构象式中竖键羟基多的比横键羟基多的Rf值大。

（3）显色

糖的薄层色谱或纸色谱所用的显色剂其显色原理主要是利用糖的还原性或由于形成糖醛后引起的呈色反应。喷显色剂后一般要在100℃左右加热数分钟至斑点显现。

常用的PC显色剂有苯胺-邻苯二甲酸试剂、三苯四氮盐试剂（TTC试剂）、间苯二酚-盐酸试剂、双甲酮-磷酸试剂等，这些显色剂对不同的糖往往显不同的颜色。TLC的显色剂除纸色谱应用的以外，常用的还有茴香醛-硫酸试剂、苯胺-二苯胺磷酸试剂、酚-硫酸试剂等。