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第一章 绪 论

一生物化学研究的内容
1生物化学: 生物化学(biochemistry)是研究生物机体( 微生物、 植物、 动物) 的化学组成和生命现象中的化学变化规律的一门科学, 即研究生命活动化学本质的学科。因此生物化学能够认为就是生命的化学。
生物化学利用化学的原理与方法去探讨生命, 是生命科学的基础。它是介于化学、 生物学及物理学之间的一门边缘学科。2 生物化学研究的主要方面: ( 1) 生物体的物质组成 高等生物体主要由蛋白质、 核酸、 糖类、 脂类以及水、 无机盐等组成, 另外还含有一些低分子物质, 如维生素、 激素、 氨基酸、 多肽、 核苷酸及一些分解产物
( 2) 物质代谢生物体与其外环境之间的物质交换过程就称为物质代谢或新陈代谢。物质代谢的基本过程主要包括三大步骤: 消化、 吸收→中间代谢→排泄。其中, 中间代谢过程是在细胞内进行的, 最为复杂的化学变化过程, 它包括合成代谢, 分解代谢, 物质物质代谢调控, 能量代谢几方面的内容。( 3) 生物分子的结构与功能 根据现代生物化学及分子生物学研究还原论的观点 , 要想了解细胞及亚细胞的结构和功能, 必先了解构成细胞及亚细胞的生物分子的结构和功能。因此, 研究生物分子的结构和功能之间的关系, 代表了现代生物化学与分子生物学发展的方向。

二生物学的发展
( －) 静态生物化学阶段
大约从十八世纪中叶到二十世纪初, 主要完成了各种生物体化学组成的分析研究, 发现了生物体主要由糖、 脂、 蛋白质和核酸四大类有机物质组成 。
( 二) 动态生物化学阶段
大约从二十世纪初到二十世纪五十年代。此阶段对各种化学物质的代谢途径有了一定的了解。
其中主要的有: 1932年, 英国科学家Krebs 建立了尿素合成的鸟氨酸循环; 1937年, Krebs又提出了各种化学物质的中心环节——三羧酸循环的基本代谢途径; 1940年, 德国科学家Embden和Meyerhof提出了糖酵解代谢途径。
(三、 )分子生物学阶段
从1953年至今。以1953年, Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型为标志, 生物化学的发展进入分子生物学阶段。这一阶段的主要研究工作就是探讨各种生物大分子的结构与其功能之间的关系。

三 生物化学与其它学科的关系
生物化学是介乎生物学与化学的一门边缘科学, 它与生物科学的许多分支学科均有密切关系。
首先, 它与生理学是特别密切的姊妹学科。例如植物生理学, 它是研究植物生命活动原理的一门科学。植物的生命活动包括许多方面, 其中有机物代谢是重要的方面, 这本身也属于生物化学的内容。因此, 在植物生理学的教科书中也包括部分生物化学内容。
生物化学与遗传学也有密切关系, 现已知核酸是一切生物遗传信息载体, 而遗传信息的表示, 则是经过核酸所携带的遗传信息翻译为蛋白质以实现的。因此, 核酸和蛋白质的结构、 代谢与功能, 同时是生物化学与遗传学的内容。
生物化学也与微生物学有关, 当前所积累的生物化学知识, 有相当部分是用微生物为研究材料获得的, 如大肠杆菌是被生物化学广泛应用的材料。
生物化学与分类学也有关系, 由于蛋白质在进化上是较少变化的, 因此, 近代利用某些蛋白质结构的研究, 能够作为分类的依据。另外, 农业科学、 生物技术、 食品科学、 医药卫生及生态环境等科学, 都需要生物化学的基础。

四 生物化学的应用与发展
二十一世纪是以信息科学和生命科学为前沿科学的时代。生物化学在生命科学中居于基础地位, 也是医学、 畜牧、 兽医、 农学、 林学和食品科学等专业必修的基础课。生物化学在生产生活中的应用主要体现在医疗、 农业和食品行业等方面。在医学上, 人们根据疾病的发病机理以及病原体与人体在代谢和调控上的差异, 设计或筛选出各种高效低毒的药物。比如最早的抗生素——璜胺类药物就是竞争性抑制使细菌不能合成叶酸从而死亡。依据免疫学知识人们设计研制出各种疫苗, 使人类从传染病中得以幸免。艾滋病疫苗的研制工作也在不断取得进步民以食为天, 这说明了农业生产在人类生活中的基础地位。中国是一个人口大国, 且人均耕地少, 如果不是经过生物技术改良农作物提高产量和质量, 那么不要说实现小康, 可能连社会稳定都无从谈起。大家可能对转基因这个概念比较陌生, 但在当今社会, 没有跟转基因产
品打过交道的人可 , 中国本土生产大豆1541万吨, 从美国和阿根廷等国家共进口了1397万吨大豆, 进口大豆占中国大豆总消费量50%左右。其中美国占573万吨, 剩下是阿根廷和巴西。美国100%转基因, 阿根廷98%, 巴西至少10%。这说明市面上流通的豆类制品, 近50%是转基因作物制造。而这一信息知道的人并不多, 但随着认证的进行, 这一状况会逐步好转。
现代生命科学技术能够大大加快人类的进化历程并改变某些物种, 从而影响到整个自然界的发展历程。科技的每一小步前进都会带来社会的深刻变化。正如网络的出现促成了虚拟社区的形成, 而这虚拟的世界却又实实在在地影响着人们的现实生活。总的来说科技的进步给人类带来的更多是利益, 生命科学领域中的工作者们正在努力实现使生命更完美的目标。没有疾病的困扰, 胎儿在发育之前已对其缺陷基因进行了彻底的修复; 不必杀生, 人工合成的蛋白质取代了动物肉类; 200岁被定为青年, 衰老的器官被人工合成的新器官所移植。。。我想这就是生命科学的未来, 她将营造出一个健康、 繁荣和幸福的生命世界!

第二章 生物体内的糖类

糖是自然界中存在的一大类具有广谱化学结构和生物功能的有机化合物。它主要是由绿色植物经光合作用形成的。这类物质主要是由碳、 氢、 氧所组成, 是含多羟基的醛类或酮类化合物。根据水解后产生单糖残基的多少可将糖作如下分类:
单糖: 这是一类最简单的多羟基醛或多羟基酮, 它不能再进行水解。根据其所含的碳原子数, 单糖又可分为丙糖、 丁糖、 戊糖、 己糖、 庚糖等。依其带有的基团, 又可分为醛糖和酮糖。
寡糖: 是由2～10个单糖分子聚合而成的糖, 如二糖、 三糖、 四糖、 ……、 九糖等。
多糖: 由多分子单糖及其衍生物所组成, 依其组成又可分为两类: ( 1) 同聚多糖: 由相同单糖结合而成, 如戊聚糖、 淀粉、 纤维素等。( 2) 杂聚多糖: 由一种以上单糖或其衍生物所组成, 如半纤维素、 粘多糖等。

第一节 单糖及其衍生物

任何单糖的构型都是由甘油醛及二羟丙酮派生的, 形成醛糖和酮糖。由于糖的构型有D-构型与L-构型, 即凡分子中靠近伯醇(—CH２OH)的仲醇基(—CHOH)中的羟基如在分子的右方者称为D-糖, 在左方者称为L-糖, 因此又有D-醛糖和L-醛糖、 D-酮糖和L-酮糖之分。它们的关系如图1-1、 图1-2。
植物体内最重要的单糖有戊糖、 己糖和庚糖, 现在分别举例说明如下:

一、 戊糖( pentose)

高等植物中有三种重要的戊糖, 即D-核糖、 D木糖及L-阿拉伯糖。其环状结构式为:

β-D-核糖 L-阿拉伯糖 D-木糖
D-核糖( D-ribose) 是所有生活细胞的普遍成分之一, 在细胞质中含量最多。核糖是构成遗传物质──核糖核酸( RNA) 的主要成分。如果D-核糖在C２上被还原, 则形成2脱氧-D-核糖。脱氧核糖是另一类遗传物质──脱氧核糖核酸( DNA) 的主要成分。
L-阿拉伯糖( L-arabinose) 在植物中分布很广, 是粘质、 树胶、 果胶质与半纤维素的组成成分, 在植物体内以结合态存在。
D-木糖(D-xylose)是植物粘质、 树胶及半纤维素的组成成分, 也以结合态存在于植物体内。

图1-1 D-醛糖的关系图

图1-2 D-酮糖的关系图

二、 己糖(hexose)

高等植物中重要的己醛糖有D-葡萄糖、 D-甘露糖、 D-半乳糖; 重要的己酮糖有D-果糖和D-山梨糖。
葡萄糖(glucose)是植物界分布最广、 数量最多的一种单糖, 多以D-式存在。葡萄糖在植物的种子、 果实中以游离状态存在, 它也是许多多糖的组成成分, 如蔗糖是由D-葡萄糖与D-果糖结合而成的, 淀粉及纤维素都是由D-葡萄糖聚合而成的。

a-D-吡喃葡萄糖 b-D-吡喃葡萄糖
果糖( fructose) 也是自然界中广泛存在的一种单糖。存在于植物的蜜腺、 水果及蜂蜜中, 是单糖中最甜的糖类。在游离状态时, 果糖为b-D-吡喃果糖, 结合态时为b-D-呋喃果糖。

甘露糖(mannose)在植物体内以聚合态存在, 如甘露聚糖。它是植物粘质与半纤维的组成成分。花生皮、 椰子皮、 树胶中含有较多的甘露糖。甘露糖的还原产物——甘露糖醇是柿霜的主要成分。
　D-甘露糖醇

半乳糖(galactose)在植物体内仅以结合状态存在。乳糖、 蜜二糖、 棉籽糖、 琼脂、 树胶、 果胶类及粘质等都含有半乳糖。
山梨糖(sorbose)又称清凉茶糖, 存在于细菌发酵过的山梨汁中, 是合成维生素C的中间产物, 在制造维生素C的工艺中占有重要的地位。桃、 李、 苹果、 樱桃等果实中含有山梨糖的还原产物——山梨糖醇。

三、 庚糖(heptose)

庚糖虽然在自然界分布较少, 但在高等植物中存在。最重要的有D-景天庚酮糖及D-甘露庚酮糖。前者存在于景天科及其它肉质植物的叶子中, 故名景天庚酮糖。它以游离状态存在。该糖是光合作用的中间产物, 在碳循环中占有重要地位。D-甘露庚酮糖存在于樟梨果实中, 也以游离状态存在。它们的线状结构如下:

四、 糖的重要衍生物

由于电子显微镜的应用及近代细胞壁化学的研究, 自然界中又发现有两种其它的脱氧糖类, 它们是细胞壁的成分。一种是L-鼠李糖(L-rhamnose), 另一种是6-脱氧-L-甘露糖。
糖醛酸( uronic acid) 由单糖的伯醇基氧化而得。其中最常见的是葡萄糖醛酸( glucouronic acid) 它是脏内的一种解毒剂。半乳糖醛酸存在于果胶中。
糖胺( glycosamine) 又称氨基糖, 即糖分子中的一个羟基为氨基所代替。自然界中存在的糖胺都是己糖胺。常见的是D-葡萄糖胺(D-glucosamine), 为甲壳质(几丁质)的主要成分。甲壳质是组成昆虫及甲壳类结构的多糖。 D-半乳糖胺则为软骨组成成分软骨酸的水解产物。

第二节 寡 糖

寡糖的概念是1930年提出的, 是指由2～10个单糖分子聚合而成的糖。自然界中存在着大量的寡聚糖, 早在1962年就已经发现了584种之多。寡聚糖在植物体内具有贮藏、 运输、 适应环境变化、 抗寒、 抗冻、 调节酶活性等功能。寡糖中以双糖分布最为普遍, 意义也较大。

一、 双糖(disaccharides)

双糖是由两个相同的或不同的单糖分子缩合而成的。双糖能够认为是一种糖苷, 其中的配基是另外一个单糖分子。在自然界中, 仅有三种双糖(蔗糖、 乳糖和麦芽糖)以游离状态存在, 其它多以结合形式存在(如纤维二糖)。蔗糖在碳水化合物中是最重要的双糖, 而麦芽糖和纤维二糖在植物中也很重要, 它们是两个重要的多糖——淀粉和纤维素的基本结构单位。
1． 蔗糖(sucrose)
蔗糖[1-a-D-吡喃葡萄糖-b-D-呋喃果糖苷]
蔗糖在植物界分布最广泛, 而且在植物的生理功能上也最重要。蔗糖不但是主要的光合作用产物, 而且也是碳水化合物储藏和积累的一种主要形式。在植物体中碳水化合物也以蔗糖形式进行运输。另外, 我们日常食用的糖也是蔗糖。它能够大量地由甘蔗或甜菜中得到, 在各种水果中也含有较多。
蔗糖是a-D-吡喃葡萄糖b-D-呋喃果糖苷。它不是还原糖, 因为2个还原性的基团都包括在糖苷键中。蔗糖有一个特殊性质, 就是极易被酸水解, 其水解速度比麦芽糖或乳糖大1 000倍。蔗糖水解后产生等量的D-葡萄糖及D-果糖, 这个混合物称为转化糖。在高等植物和低等植物中有一种转化酶(invertase), 能够使蔗糖水解成葡萄糖和果糖。
2． 麦芽糖(maltose)
它大量存在于发芽的谷粒, 特别是麦芽中, 在自然界中很少以游离状态存在。它是淀粉的组成成分。淀粉在淀粉酶作用下水解能够产生麦芽糖。用大麦淀粉酶水解淀粉, 能够得到产率为80％的麦芽糖
用酸或麦芽糖酶水解麦芽糖只得到D-葡萄糖, 麦芽糖酶的作用表明这2个D-葡萄糖是经过第l和第4碳原子连结的, 故麦芽糖能够认为是a-D-葡萄糖-(l, 4)-D-葡萄糖苷。因为有一个醛基是自由的, 因此它是还原糖。

麦芽糖[a-D-葡萄糖-(l, 4)-D-葡萄糖苷]

3． 乳糖(Iactose)
乳糖存在于哺乳动物的乳汁中(牛奶中含乳糖4％～7％)。高等植物花粉管及微生物中也含有少量乳糖。乳糖是由D-葡萄糖和D-半乳糖分子以 l, 4键连结缩合而成的, 乳糖是还原糖。分子结构如下:

乳糖[β-D吡喃半乳糖( 1,4) a-D-吡喃葡萄糖苷

4． 纤维二糖 (cellobiose)
纤维素经过小心水解能够得到纤维二糖, 它是由2个葡萄糖经过β-l, 4-葡萄糖苷键缩合而成的还原性糖。与麦芽糖不同, 它是β-葡萄糖苷。

纤维二糖[β-D-吡喃葡萄糖( 1,4) -D-吡喃葡萄糖苷]
二、 三糖

自然界中广泛存在的三糖(trisaccharide)仅有棉籽糖(raffinose), 主要存在于棉籽、 甜菜及大豆中, 水解后产生D-葡萄糖、 D-果糖及D-半乳糖。在蔗糖酶作用下, 由棉籽糖中分解出果糖而留下蜜二糖; 在a-半乳糖苷酶作用下, 由棉籽糖中分解出半乳糖而留下蔗糖。棉籽糖的分子结构如下:

三、 四糖

水苏糖(stachyose)是当前研究得比较清楚的四糖, 存在于大豆、 豌豆、 洋扁豆和羽扇豆种子内, 由2个分子半乳糖、 1分子a-葡萄糖及1个分子b-果糖组成。结构如下:

第三节 植物的贮藏多糖和结构多糖

多糖(polysaccharides)是分子结构很复杂的碳水化合物, 在植物体中占有很大部分。 多糖能够分为两大类: 一类是构成植物骨架结构的不溶性的多糖, 如纤维素、 半纤维素等, 是构成细胞壁的主要成分; 另一类是贮藏的营养物质, 如淀粉、 菊糖等。
多糖是由许多单糖分子缩合而成的: 由一种单糖分子缩合而成的如淀粉、 糖原、 纤维素等; 由二种单糖分子缩合而成的如半乳甘露糖胶、 阿拉伯木糖胶等; 由数种单糖及非糖物质构成的如果胶物质等。
1.淀粉(starch)
淀粉几乎存在于所有绿色植物的多数组织中。是植物中最重要的贮藏多糖, 是禾谷类和豆科种子、 马铃薯块茎和甘薯块根的主要成分, 它是人类粮食及动物饲料的重要来源。在植物体中, 淀粉以淀粉粒状态存在, 形状为球形、 卵形, 随植物种类不同而不同。即使是同种作物, 淀粉含量也因品种、 气候、 土壤等条件变化而有所不同。
淀粉在酸和体内淀粉酶的作用下被降解, 其最终水解产物为葡萄糖。这种降解过程是逐步进行的:
淀粉—®红色糊精—®无色糊精—®麦芽糖—®葡萄糖
遇碘显 ( 紫蓝色) ( 红色) ( 不显色) ( 不显色)
用热水溶解淀粉时, 可溶的一部分为直链淀粉; 另一部分不能溶解的为支链淀粉。
(1) 直链淀粉(amylose) 直链淀粉溶于热水, 遇碘液呈紫蓝色, 在620～680nm间呈最大光吸收。相对分子质量约在10 000～50 000之间。每个直链淀粉分子只含有一个还原性端基和一个非还原性端基, 因此它是一条长而不分枝的链。直链淀粉是由 l, 4糖苷键连结的a-葡萄糖残基组成的, 当它被淀粉酶水解时, 便产生大量的麦芽糖, 因此直链淀粉是由许多重复的麦芽糖单位组成的, 分子结构如下:
直链淀粉
(2) 支键淀粉(amylopectin) 支链淀粉的相对分子质量非常之大, 在50 000一1 000 000之间。端基分析表明, 每24～30个葡萄糖单位含有一个端基, 因而它必定具有支链的结构, 每条直链都是a-l, 4键连结的链, 支链之间由a-l, 6键连结, 可见支链淀粉分支点的葡萄糖残基不但连接在C4上, 而且连接在C6上, a-1, 6-糖苷键占5%～6%。支链淀粉的分支长度平均为24～30个葡萄糖残基。遇碘显紫色或紫红色, 在530～555nm呈现最大光吸收。
一般淀粉都含有直链淀粉和支链淀粉。但在不同植物中, 直链淀粉和支链淀粉所占的比例不同, 如表1-1。即使是同一作物, 品种不同二者的比例也不同, 如糯玉米中几乎不含直链淀粉, 全为支链淀粉。
支链淀粉

表1-1 不同植物的淀粉中直链淀粉和支链淀粉的比例
淀 粉
直链淀粉( %)
支链淀粉( %)
马铃薯淀粉
小麦淀粉
玉米淀粉
稻米淀粉
19～20
24
21～23
17
78～81
76
77～79
83

2. 糖原(glycogen)
糖原是动物细胞中的主要多糖, 是葡萄糖极容易利用的储藏形式。其作用与淀粉在植物中的作用一样, 故有”动物淀粉”之称。糖原中的大部分葡萄糖残基是以a-1, 4-糖苷键连结的, 分支是以a-1, 6-糖苷键结合的, 大约每10个残基中有一个键( 图1-3) 。糖原端基含量占9%而支链淀粉为4%, 故糖原的分支程度比支链淀粉约高1倍多。糖原的相对分子质量很高, 约为5 000 000。它与碘作用显棕红色, 在430～490nm下呈最大光吸收。

图1-3 糖原的分子结构
3. 菊糖(inu1in)
菊糖是多聚果糖, 菊糖中的果糖一律以D-呋喃糖的形式存在。菊科植物如菊芋、 大丽花的根部, 蒲公英、 橡胶草等都含有菊糖, 代替了一般植物的淀粉, 因而也称为菊粉。菊糖分子中含有约30个 l, 2-糖苷键连接的果糖残基。菊糖分子中除含果糖外, 还含有葡萄糖。葡萄糖可出现在链端, 也能够出现在链中。
菊糖不溶于冷水而溶于热水, 因此, 能够用热水提取, 然后在低温(如0℃)下沉淀出来。菊糖具有还原性。淀粉酶不能水解菊糖, 因此人和动物不能消化它。蔗糖酶能够以极慢的速度水解菊糖。真菌如青霉菌(Penicillium glaucum)、 酵母及蜗牛中含有菊糖酶, 能够使菊糖水解。
4. 纤维素(cellulose)
纤维素是最丰富的有机化合物, 是植物中最广泛的骨架多糖, 植物细胞壁和木材差不多有一半是由纤维素组成的。棉花是较纯的纤维素, 它含纤维素高于90%。一般纤维素、 半纤维素及木质素总是同时存在于植物细胞壁中。
植物纤维素不是均一的一种物质, 粗纤维能够分为a-纤维素、 b-纤维素和γ-纤维素三种。a-纤维素不溶于17.5％NaOH, 它不是纯粹的纤维素, 因为在其中含有其它聚糖(如甘露聚糖); b-纤维素溶于17.5％NaOH, 加酸中和后沉淀出来; γ-纤维素溶于碱而加酸不沉淀。这种差别大概是由于纤维素结构单位的结合程度和形状的不同。
实验证明, 纤维素不溶于水, 相对分子质量在50 000～400 000, 每分子纤维素含有300～2 500个葡萄糖残基。葡萄糖分子以b-l, 4-糖苷键连接而成。在酸的作用下完全水解纤维素的产物是b-葡萄糖, 部分水解时产生纤维二糖, 说明纤维二糖是构成纤维素的基本单位。水解充分甲基化的纤维素则产生大量的2, 3, 6-三甲氧基葡萄糖, 表明纤维素的分子没有分枝。其分子结构如下:

纤维素
除反刍动物外, 其它动物的口腔、 胃、 肠都不含纤维素酶, 不能把纤维素水解, 因此纤维素对人及动物都无营养价值, 但有利于刺激肠胃蠕动, 吸附食物, 帮助消化。某些微生物、 菌类、 藻类及各种昆虫 , 特别是反刍动物胃中的细菌含有纤维素酶, 能消化纤维素。近年来已筛选出富含纤维素酶的微生物, 它们能将纤维素水解成纤维二糖和葡萄糖等。
5.半纤维素(hemicellulose)
半纤维素大量存在于植物木质化部分, 包括很多高分子的多糖中。能够用稀碱溶液提取, 用稀酸水解, 则产生己糖和戊糖, 因此它们是多缩己糖( 如多缩半乳糖和多缩甘露糖 ) 和多缩戊糖( 如多缩木糖和多缩阿拉伯糖) 的混合物。
多缩戊糖及多缩己糖都是以 b-l, 4-糖苷键相连接的。多缩木糖的分子结构如下:

6. 果胶物质 (pectic substances)
果胶物质一般存在于初生细胞壁中。在水果如苹果、 桔皮、 柚皮及胡萝卜等中含量较多。果胶物质可分为三类, 即原果胶、 果胶及果胶酸。
(1) 果胶酸(pectic acid) 果胶酸的主要成分为多缩半乳糖醛酸, 水解后产生半乳糖醛酸。植物细胞中胶层中含有果胶酸的钙盐和镁盐的混合物; 它是细胞与细胞之间的粘合物, 某些微生物(如白菜软腐病菌)能分泌分解果胶酸盐的酶, 使细胞与细胞松开。植物器官的脱落也是由于中胶层中果胶酸的分解。
(2) 果胶酯酸(pectinic acid) 果胶酯酸常呈不同程度的甲酯化, 酯化范围在0～85％之间。一般把酯化程度很低(5％以下)的称为果胶酸, 酯化程度高的则称为果胶酯酸。果胶酯酸是水溶性的溶胶。酯化程度在45％以下的果胶酯酸在饱和糖溶液中(65％～70％)及在酸性条件下(pH值为3.1～3.5)形成凝胶(胶冻), 为制糖果、 果酱等的重要物质, 称为果胶(Pectin)。果胶酯酸的分子结构如右:
　　(3) 原果胶(Protopectin) 原果胶不溶于水, 主要存在于初生细胞壁中, 特别是薄壁细胞及分生细胞的胞壁。苹果和桔皮最富含原果胶, 后者可达干重的40％。在水果成熟过程中, 原果胶和果胶酸盐由酶的作用使两者由不溶解状变成溶解状的果胶, 因而使水果由硬质的状态变成柔软的成熟状态。
果胶物质除含多缩半乳糖醛酸外, 还含少量糖类, 如L-阿拉伯糖、 D-半乳糖、 L-鼠李糖、 D-木糖、 D-葡萄糖等。
7. 肽聚糖
肽聚糖是细胞壁中的一种结合多糖, 是由多糖与氨基酸连结而成的复杂聚合物, 因其肽链不太长, 故把这些聚合物叫做肽聚糖(peptidoglycan)。肽聚糖的糖链是由N-乙酰葡萄糖胺(N-acetyl-D-glucosamine, 简称NAG)及N-乙酰胞壁酸 (N-acetyl-muramic acid, 简称NAMA)以b-1, 4糖苷键组合而成的二糖。N-乙酰胞壁酸与N-乙酰葡萄糖胺以其C３位的羟基与乳酸的a- 羟基以醚键连接而成。在肽聚糖中, 每个乳酸部分的羧基又与四肽相连, 该四肽是由 L-丙氨酸、 D-异谷氨酰胺、 L-赖氨酸、 D-丙氨酸所组成, 分子结构如下图。
肽聚糖为一线性的多糖链, 每隔一个己糖胺(hexose amine)有一个四肽侧链。在二个相邻的平行多糖链之间还有交叉链连接。在交叉链中, 末端D-丙氨酸的羧基与一个五肽(五甘氨酸)残基连接, 这个五甘氨酸转而再与相邻肽聚糖的四肽侧链的赖氨酸的a-氨基相连接 如图1-4。
肽聚糖在免疫化学、 植物病理学以及细胞的生长与分化等方面有很重要的研究价值。

肽聚糖的重复单位

8. 甲壳质(chitin)
甲壳质(chitin)亦称几丁质, 是一种N—乙酰葡萄糖胺的同聚物(homopolymer), 为组成　甲壳类的介壳(如虾、 蟹)及昆虫类外骨胳的结构成分。 N—乙酰葡萄糖胺以b—l, 4—糖苷键相连结。

图1-4 肽聚糖结构的一部分
Ala: 丙氨酸; Glu: 谷氨酸; Gly: 甘氨酸; Lys: 赖氨酸
9. 粘多糖类(mucopolysaccharides)
粘多糖类为高相对分子质量(高至5×106)的胶性物质, 存在于动物细胞的细胞衣(cell coat)中, 起着润滑和粘合的作用。一种常见的粘多糖为透明质酸, 是由D-葡萄糖醛酸与N-乙酰-D-葡萄糖胺单位交替组成的杂多糖( heteropoly saccharide) 。透明质酸存在于眼睛的玻璃体、 角膜、 细胞间质、 关节液中, 可溶于水, 呈粘稠溶液。软骨素在结构上与透明质酸相似, 惟氨基糖为 N-乙酰-D-半乳糖胺, 也是细胞衣的一种成分。软骨素的硫酸酯(在氨基糖的C4及C6位置上)为软骨、 腱及骨胳的主要成分。透明质酸的化学结构如下:
几丁质 透明质酸

第三章 脂 类

脂类包括的范围很广, 是生物体内一大类重要的有机化合物。这些物质在化学组成和化学结构上有很大差异, 可是它们都有一个共同的特性, 即不溶于水而易溶于乙醚、 氯仿、 苯等非极性溶剂。用这类溶剂可将脂类物质从细胞和组织中萃取出来。脂类的这种特性主要由构成它的碳氢结构成分所决定。
脂类具有重要的生物功能, 它是构成生物膜的重要物质, 细胞所含有的磷脂几乎都集中在生物膜中。脂类物质, 主要是油脂, 是机体代谢所需燃料的贮存形式和运输形式。脂类物质也可为动物机体提供溶解于其中的必须脂肪酸和脂溶性维生素某些萜类及类固醇类物质, 如维生素 A、 D、 E、 K, 胆酸及固醇类激素具有营养、 代谢及调节功能。在机体表面的脂类物质有防止机械损伤与防止热量散发等保护作用。脂类作为细胞的表面物质, 与细胞识别、 种特异性和组织免疫等有密切关系。具有生物活性的某些维生素和激素也是脂类物质。

第一节 脂酰甘油类

脂酰甘油( acyl glycerols) , 又可称为脂酰甘油酯( acyl glycerides) , 即脂肪酸和甘油所形成的酯。根据参与产生甘油酯的脂肪酸的分子数, 脂酰甘油分为单脂酰、 二脂酰和三脂酰甘油三类。三脂酰甘油(triacylglycerols)又称为甘油三酯(triglycerides), 是脂类中含量最丰富的一大类, 其结构如下:

( R1, R2和R3能够相同, 也可不全相同甚至完全不同)
它是甘油中的三个羟基和三个脂肪酸分子缩合、 失水后形成的酯。单脂酰甘油(monoacylglycerols)和二脂酰甘油(diacylglycerols)自然界少见。甘油三酯(三脂酰甘油)是植物和动物细胞贮脂(depot lipids)的主要组分。—般在室温下为液态的称为油(oils), 在室温下为固态的称为脂肪(fats)。这种区别是由于甘油三酯中饱和脂肪酸及不饱脂肪酸的比例不同。

一、 脂肪酸

脂类化合物的主要成分为脂肪酸(fattyacides), 所有的脂肪酸都有一长的碳氢链, 其一端有—个羧基。碳氢链以线性为主, 分枝或环状的为数甚少。不同脂肪酸之间的区别主要在于碳氢链的长短、 饱和与否, 以及双键的数目和位置。
１． 脂肪酸的共性
高等动、 植物的脂肪酸有以下共性:
( １) 脂肪酸大部分为直链结构, 碳原子为偶数, 链长为C14～C20的占多数。最常见的是C16或C18的脂肪酸。C12以下的饱和脂肪酸大量存在于哺乳动物的乳脂中。
( ２) 饱和脂肪酸中最普遍的是软脂酸和硬脂酸, 不饱和脂肪酸中最普遍的是油酸。
( ３) 在高等植物和低温下生活的动物中不饱和脂肪酸的含量高于饱和脂肪酸含量。
( ４) 不饱和脂肪酸的熔点比同等链长的饱和脂肪酸的熔点低。
( ５) 高等动、 植物的单不饱和脂肪酸的双键位置一般在C9 ～C10之间, 不饱和脂肪酸中的一个双键一般也位于C9～C10之间, 其它双键渐次远离羧基。
( ６) 高等动、 植物的不饱和脂肪酸, 几乎都具有相同的几何构型, 而且大都属于顺式(cis), 只有极少数的不饱和脂肪酸属于反式(trans)。
( ７) 细菌所含有脂肪酸种类比高等动、 植物的少得多, 而且绝大多数为饱和脂肪酸, 碳原子数目和高等动、 植物脂肪酸的碳原子数目相似, 也在C12～C18之间, 而且细菌中绝大多数的脂肪酸为饱和脂肪酸, 有的脂肪酸还带有分支的甲基。
２． 植物中的饱和脂肪酸
表2-1 天然的饱和脂肪酸
名称
碳原子数
分子式
来源
熔点/℃
月 桂 酸
豆 蔻 酸
棕榈酸( 软脂酸)
硬 脂 酸
12
14
16
18
CH3( CH2) 10COOH
CH3( CH2) 12COOH
CH3( CH2) 14COOH
CH3( CH2) 16COOH
月桂
豆蔻
一般动植物
一般动植物
44
54
63
70
植物油脂中的脂肪酸能够分为饱和的和不饱和的两类。在饱和脂肪酸(saturated fatty acid)中, 棕榈酸(palmitic acid)、 月桂酸(lauric acid)、 豆蔻酸(myristic acid)和硬脂酸(stearic acid)分布最广泛, 而且数量最多。在几乎所有脂肪中, 棕榈酸都是其中的组分之一。棕榈油中最富于棕榈酸(35％～45％); 棕榈油、 椰子油中富于月桂酸; 从豆蔻籽的脂肪中易分离得到豆蔻酸; 硬脂酸大量存在于动物脂肪中, 在植物油中仅有微量(见表2-l)。
３． 植物中重要的不饱和脂肪酸
植物脂肪酸的大部分都属于不饱和脂肪酸(unsatu-rated fatty acid), 它们含有l～2个或多个双键, 因此也可称为脂肪烯酸。有些植物还含有少数的带羟基及带环状的脂肪酸。在不饱和脂肪酸中, 油酸和亚油酸分布最广, 含量也最丰富。根据世界植物油产量计算, 油酸占农业生产中脂肪总产量的34％左右, 亚油酸占29％, 而棕榈酸只占11％。根据不饱和程度, 将不饱和脂肪酸分为一烯酸、 二烯酸、 三烯酸、 四烯酸等。
( １) 一烯酸(CnH2n-1COOH): 油酸、 棕榈油酸(palmitoleic acid)及芥子酸等都属于一烯酸, 油酸和棕榈油酸是动植物脂类中两种最丰富的不饱和一烯脂肪酸。
CH3 (CH２)7 CH==CH(CH２)7 COOH
油 酸
CH3 (CH2) 5CH==CH(CH2)7 COOH
棕榈油酸
植物油含油酸丰富, 如花生油含58％, 芝麻油含46％, 棉籽油含3０％, 大豆油含32％。 芥子酸存在于十字花科植物种子中, 如菜籽油含46％, 芥菜籽油含28％—32％。
( ２) 二烯酸(CnH2n-3COOH): 植物中存在的重要的二烯酸为亚油酸,如亚麻油含41%,棉籽油含41%, 菜籽油含18%, 芝麻油含35%, 大豆油中含量达49%。
CH3( CH2) 4 CH==CHCH2 CH==CH( CH2) 7 COOH
亚油酸
( ３) 三烯酸(CnH2n-5COOH): 重要的三烯酸为亚麻酸, 在亚麻油中含量达20％; 桐酸(elaeostearic acid)也是三烯酸, 在桐油中含量达72％。桐油是中国特产, 在国际市场上占有重要的位置。
CH3 CH2 CH=CHCH2 CH==CHCH2 CH==CH(CH2)7 COOH
a—亚麻酸
CH3 ( CH2)3 CH==CH—CH==CH—CH==CH(CH2)7 COOH
桐 酸
( ４) 四烯酸(CnH2n-7COOH): 花生四烯酸(arachidonic acid)是含20个碳的四烯酸。植物含C20以上的不饱和脂肪酸较少, 只有在种子的卵磷脂(lecithin)、 脑磷脂(cephalin)中含有少量的C20～C22的不饱和酸。
CH3 (CH2)4 CH==CHCH2 CH==CHCH2 CH==CHCH2 CH==CH(CH2)3 COOH
花生四烯酸
( ５) 羟基脂肪酸: 蓖麻酸(ticinoleic acid)是含有一个羟基的不饱和脂肪酸, 在蓖麻油中含量达80％～86％。

高等植物中存在的不饱和脂肪酸可总结如表2-2。
表2-2 天然的不饱和脂肪酸
名称
碳原子数
分子式
油 酸
蓖麻酸
亚油酸
亚麻酸
桐 酸
花生烯酸
芥子酸
18
18
18
18
18
20
22
CH3( CH2) 7CH=CH( CH2) 7COOH
CH3( CH2) 5CHOHCH2CH=CH( CH2) 7COOH
CH3( CH2) 4CH=CHCH2CH=CH( CH2) 7COOH
CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH( CH2) 7COOH
CH3( CH2) 3 CH=CH—CH=CH—CH=CH( CH2) 7COOH
CH3( CH2) 4( CH=CHCH2) 4( CH2) 2COOH
CH3( CH2) 7CH=CH( CH2) 11COOH

二、 酰甘油的类型

三酰甘油有许多不同的类型, 主要是由它们所含脂肪酸的情况决定的。三酰甘油的通式为:

如果三个脂肪酸是相同的( 即R 1、 R 2 、 R 3是相同的) , 称为简单三酰甘油( simple triacylglycerols) , 具体命名时称为某某脂酰甘油, 如三硬脂酰甘油、 三软脂酰甘油、 三油脂酰甘油等。如果含有两个或三个不同脂肪酸( 即R 1、 R 2 、 R 3不同时) 的三酰甘油称为混合三酰甘油, 如一软脂酰二硬脂酰甘油。在混合三酰甘油中各脂酰基由于位置不同, 又有不同的异构体。
多数天然油脂都是简单三酰甘油和混和三酰甘油的极其复杂的混合物。到当前为止, 还没有发现在天然油脂中脂肪酸分布的规律。
三、 三酰甘油的理化性质
１． 溶解度
三酰甘油不溶于水, 也没有形成高度分散的倾向。二酰甘油和单脂酰甘油则不同, 由于它们有游离羟基, 故有形成高度分散态的倾向, 其形成的小微粒称为微团( micelles) , 它们常见于食品工业, 使食物更易均匀, 便于加工, 且二者都能够被机体利用。
２． 熔点
三酰甘油的熔点是由其脂肪酸的组成决定的, 一般随饱和脂肪酸的数目和链长的增加而升高。如三软脂酰甘油和三硬脂酰甘油在常温下为固态, 三油酰甘油和三亚油酰甘油在常温下为液态。猪