Carbohydrates and Glycobiology
葉思芳老師授課
小海 宗勳 嘉哲整理
(一) Monosaccharides and Disaccharides
P293
1. 醣類的通式(CH2O)n
2. 醣類可分為三種：monosaccharide(單醣)，oligosacchride(寡糖)，polysaccharide(多醣)
Figure 9-1
1.Aldose(醛糖)：表示其carbonyl group (c=o) 位於碳鍊的一端的單醣
2.Ketose(酮糖)：表示其 carbonyl group (c=o) 不位於碳鍊的一端單醣
3 carbon=triose，4carbon=tetrose，5carbon=pentose，6carbon=hexose
Figure 9-3
1. Aldose→C數﹣2= chiral center 數目
2. Ketose→C數﹣3= chiral center 數目
3. chiral center數目=n→stereoisomer的數目=2n (且L-form與D-form佔各半)
4. L-form與D-form的判別：離c=o最遠的chiral center其OH在右→D-form
其OH在左→L-form (記憶方法：左Left→L-form )
Figure 9-4
1.epimer(差位異構物)：two sugars that differ only in the configuration around one carbon atom
2.互為epimer的兩個糖可以藉著enzyme(epimerase)互相轉換成對方
Figure9-5
1. 在水溶液中，Aldotetroses(4C的醛糖)及五C以上的醛糖和酮糖會形成環狀的結構
2. 這種環狀結構的產生就像醛或酮和酒精的反應，而醛和酒精反應的結果可以產生一種叫hemiactel的化合物，而酮和酒精的反應則會產生一種叫hemiketal的化合物
Figure9-6
1. 環狀結構的產生會使原有的醣類化合物多出一個chiral center(此C又稱為anomeric carbon 或者又因為醛糖或者酮糖的關係所以分別又可以稱為hemiacetal carbon和hemiketal carbon)
1
2. 環狀化合物的產物又有兩種，OH在anomeric carbon下方的為α form在上方的為β form
3. anomers：isomeric forms of monosaccharides that differ only in their configuration about the hemiacetyl or hemiketal carbon
4. mutarotation：指互為anomeric的α和β型式的環狀糖類化合物在水溶液中可以互相轉換達一個平衡的過程
Figure9-7
1. 6角環的糖類化合物又叫為pyranose因為其結構像pyran，5角環的又叫furanose因為其結構像furan
2. 唯有5C以上的aldose可以形成pyranose ring
Figure9-9
1. 直線變成環狀結構後，OH原本在直線結構中左邊的會變成在環狀結構平面的上方，在右邊的則變成在下方
2. sugar derivatives(衍生物)：可能是OH被其他的東西取代，或者是一個C原子被氧化成COOH
Figure9-10
1. 單糖在當還原劑一定是直線的形式才可以(因為其當還原劑時，是將醛基氧化成酸基)
Figure9-11
1. 兩個單糖可以藉著O-glycosidic bond的連結形成雙糖
Figure9-12
1.maltose(麥芽糖)，lactose(乳糖)，sucrose(蔗糖)，trehalose(漏蘆糖)是一些較常見的雙醣
(二) Polysaccharides
一、Polysaccharides也叫做Glycan，彼此可以從四個不同的類別來作分類：
i. 重複單糖單位的identity
ii. 形成鏈的長度
iii. 鍵結的鍵的type
iv. 分支的程度
二、Starch和glycan極易溶於水的原因，是因為分子上有許多裸露的OH基可以和水分子形成H bond所造成
三、Starch：可以分為兩類：amylose和amylopectin：
i. amylose：
a. 為由D-Glc residules所構成沒有分支的長鏈
b. 屬於α1→4 linkages
c. 分子量從幾千到幾百萬範圍不等
d. 只有一個reducing end和一個nonreducing end
ii. amylopectin： 2
a. 高度分支的鏈狀結構
b. 連續的鏈是α1→4
c. 分支的鏈是α1→6（每24到30個residues就會有一個分支）
d. 分子量超過100萬
e. 只有一個reducing end可是有很多的nonreducing ends
四、Glycogen：
a. 和amylopectin一樣有分支，但其分支更為頻繁，平均為每8到12個residues就有一個分支
b. 而且比starch更為緊湊
c. Glycogen也會在骨骼肌中出現
五、Glycogen分支的原因： 當Glycogen作為能量來源時，Glc units可以在同一個時間裡被從nonreducing ends搬離，只作用在nonreducing end的degradative enzyme 可以自動的在許多分支上作用，以加速polymer轉變成單糖。
六、為什麼不將Glc以單糖的方式儲存呢：我們經由測量得知hepatocytes（肝細胞）所儲存的Glycogen相當於0.4M的Glc濃度。然而實際的Glycogen濃度（不溶且對於胞質液的滲透壓有貢獻的濃度）卻只有0.01μM。
a. 如果胞質液維持0.4M的Glc濃度的話，則細胞內的滲透壓將會危險性的提昇，而導致水分的進入，造成細胞的破裂
b. 另外，如果細胞內濃度為0.4M，而細胞外濃度為5mM的話，將Glc攝入細胞內所需用來對抗濃度梯度自由能變化，必然會非常昂貴的大，而造成浪費
七、Cellulose分子：
a. 是一種線性且沒有分支的homopolysaccharides
b. 由10000到15000個D-Glc units所組成
c. 為β1→4型態（相對於amylose、amylopectin、glycogen是α型態）
d. 其中連結兩residues的C-O鍵可以自由的轉動，但最穩定的型態還是當相鄰的residues（each chair）轉成180º時為最穩定
e. 當幾條鏈side by side並排時，由鏈和鏈之間的氫鍵所構成的穩定網狀結構產生一種有很大張力的直線、穩定的超分子纖維
八、為什麼大部分的動物無法使用cellouse當作能量來源：
a. 因為像是Glycogen和starch都是由α1→4所構成的，而我們體內有一種α-amylase可以用來打斷在兩個residues之間的α1→4 glycosidic bonds；然而，因為cellulose是由β1→4所構成，對於體內缺乏打斷β1→4 glycosidic bonds的酵素的動物而言，當然就無法使用cellulose來當作能量來源了
b. 但是某些動物像是白蟻可以消化cellulose，因為在他們的小腸
3
裡有一種共生細菌可以分泌這種enzyme來消化cellulose
c. 所有脊椎動物中只有反芻類是唯一可以消化cellulose的，因為他們有額外的胃（rumen）裡面充滿bacteria和 protists可以消化cellulose
九、Chitin 和 cellulose的型態類似，皆為β型態所構成的homopolysaccharide，唯一的差別在於cellulose上C2位置的OH基被一個acetylated amino group所取代
十、細菌的細胞壁主要是由peptidoglycans所構成：
a. N-acetylglucosamine和N-acetylmuramic acid residues藉由β1→4鍵結形成鏈狀，這些polymers並排後，加上短的peptides作為cross-linked，就是所謂的peptidoglycans
b. 這些peptide cross-links密結這些polysaccharides成一種鞘，來包住整個細胞，使得細胞免於因滲透壓的變化而造成細胞的漲大或萎縮
c. 眼睛的淚水中有一種enzyme（lysozyme）可以藉由打斷兩個residues間的β1→4 glycosidic bond鍵結來殺死細菌，以對抗細菌對於眼睛的感染和發炎
d. “盤尼西林”以及一些抗生素利用阻止cross-links的形成，使得細菌對與抵抗滲透的能力大大減弱來殺死細菌
e. PS.如果不知道N-acetylglcosamine和N-acetylmuramic acid 的結構的人可以參考P.300
十一、 在多細胞動物組織其細胞外的空間充滿一種像gel-like的物質叫做 extracellular matrix，有兩個功用：
a. hold the cells together
b. provide a porous pathway for the diffusion of nutrients and oxygen to individual cells
十二、 The extracellular matrix：是由一種結合成網狀的heteropolysaccharides（叫做glycosaminoglycans，是一種由重複的雙糖單位所構成的線狀polymer）和纖維蛋白（ex：collagen、elastin、fibronectin、laminin）所構成。
十三、 在有些glycosaminoglycans中，一些OH基被SO4¯所取代掉，這樣的結合和COO¯一樣，提供glycosaminoglycans一個非常高的負電密度，為了要抵銷相鄰的charge group所造成的斥力，這些分子在溶液中常成直鏈狀。
十四、 因為這種特殊的sulfated and nonsulfated型態，提供在眾多的protein ligands bind到分子上一種特殊的辨認方式。
十五、 課本上Figure9-20列出三種最重要的Glycosaminoglycan：
1. Hyaluronate： 4
a. 由GlcA和GlcNAc兩種residues所構成
b. 鏈長可以達到50000個單位
c. 形成一種用來提供關節處潤滑的潔淨、高黏性的液體
d. 提供脊椎動物眼睛的玻璃狀液的jellykike consistency
e. 為細胞間質的一種必要組成成分，提供高強度的張力和彈性
2. Chondroitin sulfate（cartilage）：
a. 只有較短的polymer
b. 和一些特殊的proteins鍵結
c. 提供軟骨、肌腱、ligaments和主動脈管壁的張力
3. Keratan sulfate（horn）：
a. 只有較短的polymer
b. 和一些特殊的proteins鍵結
c. 沒有uronic acid且sulfate content是variable的
d. 存在於角膜、軟骨、硬骨，還有很多洞狀結構形成的死細胞像是：horn、hair、hoofs、nails和claws
(三) Glycoconjugates
一.Polysaccharides除了stored fuel,structural materials之外，在cell與extracellular matrix之間還扮演著訊息的攜帶(information carries)
F9-21
Proteoglycans在扮演cell surface與Extracellular matrix之間 bridge的角色時，Proteoglycans會與core protein上胺基酸序列中的Ser結合
**以O-linked方式結合
F9-23
Proteoglycans aggregates：許多Keratan sulfate and Chondroitin sulfate可藉由Proteoglycans binding到core protein上，而這些protein稱做aggrecan core protein，而這些protein再經由Link protein接到Hyaluronate上(Hyaluronat詳見p309)而這種Proteoglycans聚集的情況就稱為Proteoglycan aggregates
F9-25
Oligosaccharide可藉由O-linked與N-linked 結合到glycoprotein上其中O-linked是Oligosaccharide和glycoprotein上序列中的Ser orThe等(有OH基)形成glycosidic bond，N-linked是Oligosaccharide只和glycoprotein上序列中的Asn形成N-glycosyl bond to amino N。
二.除了protein能接上Oligosaccharides形成glycoprotein，lipid一樣也能和Oligosaccharides形成glycolipid
F9-26
在細菌的outer membrane上有一種Lippolysaccharides(一端”Lipid”+a core “Oligosaccharid”+一端O-Specific chain)而在Lippolysaccharides上有一特定的結
5
構O-Specific chain(不同的細菌其O-Specific chain亦不同)當細菌侵入正常細胞時，正常細胞的antibody會辨識Lippolysaccharides的O-Specific chain而破壞之，使細菌不得作用。
F9-29
當外物想要進入細胞時會和細胞膜上的受器作用而這些受器的構造有很多形式若Oligosaccharide接到細胞膜上的Lipid則形成glycolipid，若接到transmembrane protein(此protein的形式也有很多種)則稱為glycoprotein，但這些Proteoglycans ，glycolipid， glycoprotein的作用都是在做cell surface上與外界的conconjugates
葉思芳老師授課
小海 宗勳 嘉哲整理
(一) Monosaccharides and Disaccharides
P293
1. 醣類的通式(CH2O)n
2. 醣類可分為三種：monosaccharide(單醣)，oligosacchride(寡糖)，polysaccharide(多醣)
Figure 9-1
1.Aldose(醛糖)：表示其carbonyl group (c=o) 位於碳鍊的一端的單醣
2.Ketose(酮糖)：表示其 carbonyl group (c=o) 不位於碳鍊的一端單醣
3 carbon=triose，4carbon=tetrose，5carbon=pentose，6carbon=hexose
Figure 9-3
1. Aldose→C數﹣2= chiral center 數目
2. Ketose→C數﹣3= chiral center 數目
3. chiral center數目=n→stereoisomer的數目=2n (且L-form與D-form佔各半)
4. L-form與D-form的判別：離c=o最遠的chiral center其OH在右→D-form
其OH在左→L-form (記憶方法：左Left→L-form )
Figure 9-4
1.epimer(差位異構物)：two sugars that differ only in the configuration around one carbon atom
2.互為epimer的兩個糖可以藉著enzyme(epimerase)互相轉換成對方
Figure9-5
1. 在水溶液中，Aldotetroses(4C的醛糖)及五C以上的醛糖和酮糖會形成環狀的結構
2. 這種環狀結構的產生就像醛或酮和酒精的反應，而醛和酒精反應的結果可以產生一種叫hemiactel的化合物，而酮和酒精的反應則會產生一種叫hemiketal的化合物
Figure9-6
1. 環狀結構的產生會使原有的醣類化合物多出一個chiral center(此C又稱為anomeric carbon 或者又因為醛糖或者酮糖的關係所以分別又可以稱為hemiacetal carbon和hemiketal carbon)
1
2. 環狀化合物的產物又有兩種，OH在anomeric carbon下方的為α form在上方的為β form
3. anomers：isomeric forms of monosaccharides that differ only in their configuration about the hemiacetyl or hemiketal carbon
4. mutarotation：指互為anomeric的α和β型式的環狀糖類化合物在水溶液中可以互相轉換達一個平衡的過程
Figure9-7
1. 6角環的糖類化合物又叫為pyranose因為其結構像pyran，5角環的又叫furanose因為其結構像furan
2. 唯有5C以上的aldose可以形成pyranose ring
Figure9-9
1. 直線變成環狀結構後，OH原本在直線結構中左邊的會變成在環狀結構平面的上方，在右邊的則變成在下方
2. sugar derivatives(衍生物)：可能是OH被其他的東西取代，或者是一個C原子被氧化成COOH
Figure9-10
1. 單糖在當還原劑一定是直線的形式才可以(因為其當還原劑時，是將醛基氧化成酸基)
Figure9-11
1. 兩個單糖可以藉著O-glycosidic bond的連結形成雙糖
Figure9-12
1.maltose(麥芽糖)，lactose(乳糖)，sucrose(蔗糖)，trehalose(漏蘆糖)是一些較常見的雙醣
(二) Polysaccharides
一、Polysaccharides也叫做Glycan，彼此可以從四個不同的類別來作分類：
i. 重複單糖單位的identity
ii. 形成鏈的長度
iii. 鍵結的鍵的type
iv. 分支的程度
二、Starch和glycan極易溶於水的原因，是因為分子上有許多裸露的OH基可以和水分子形成H bond所造成
三、Starch：可以分為兩類：amylose和amylopectin：
i. amylose：
a. 為由D-Glc residules所構成沒有分支的長鏈
b. 屬於α1→4 linkages
c. 分子量從幾千到幾百萬範圍不等
d. 只有一個reducing end和一個nonreducing end
ii. amylopectin： 2
a. 高度分支的鏈狀結構
b. 連續的鏈是α1→4
c. 分支的鏈是α1→6（每24到30個residues就會有一個分支）
d. 分子量超過100萬
e. 只有一個reducing end可是有很多的nonreducing ends
四、Glycogen：
a. 和amylopectin一樣有分支，但其分支更為頻繁，平均為每8到12個residues就有一個分支
b. 而且比starch更為緊湊
c. Glycogen也會在骨骼肌中出現
五、Glycogen分支的原因： 當Glycogen作為能量來源時，Glc units可以在同一個時間裡被從nonreducing ends搬離，只作用在nonreducing end的degradative enzyme 可以自動的在許多分支上作用，以加速polymer轉變成單糖。
六、為什麼不將Glc以單糖的方式儲存呢：我們經由測量得知hepatocytes（肝細胞）所儲存的Glycogen相當於0.4M的Glc濃度。然而實際的Glycogen濃度（不溶且對於胞質液的滲透壓有貢獻的濃度）卻只有0.01μM。
a. 如果胞質液維持0.4M的Glc濃度的話，則細胞內的滲透壓將會危險性的提昇，而導致水分的進入，造成細胞的破裂
b. 另外，如果細胞內濃度為0.4M，而細胞外濃度為5mM的話，將Glc攝入細胞內所需用來對抗濃度梯度自由能變化，必然會非常昂貴的大，而造成浪費
七、Cellulose分子：
a. 是一種線性且沒有分支的homopolysaccharides
b. 由10000到15000個D-Glc units所組成
c. 為β1→4型態（相對於amylose、amylopectin、glycogen是α型態）
d. 其中連結兩residues的C-O鍵可以自由的轉動，但最穩定的型態還是當相鄰的residues（each chair）轉成180º時為最穩定
e. 當幾條鏈side by side並排時，由鏈和鏈之間的氫鍵所構成的穩定網狀結構產生一種有很大張力的直線、穩定的超分子纖維
八、為什麼大部分的動物無法使用cellouse當作能量來源：
a. 因為像是Glycogen和starch都是由α1→4所構成的，而我們體內有一種α-amylase可以用來打斷在兩個residues之間的α1→4 glycosidic bonds；然而，因為cellulose是由β1→4所構成，對於體內缺乏打斷β1→4 glycosidic bonds的酵素的動物而言，當然就無法使用cellulose來當作能量來源了
b. 但是某些動物像是白蟻可以消化cellulose，因為在他們的小腸
3
裡有一種共生細菌可以分泌這種enzyme來消化cellulose
c. 所有脊椎動物中只有反芻類是唯一可以消化cellulose的，因為他們有額外的胃（rumen）裡面充滿bacteria和 protists可以消化cellulose
九、Chitin 和 cellulose的型態類似，皆為β型態所構成的homopolysaccharide，唯一的差別在於cellulose上C2位置的OH基被一個acetylated amino group所取代
十、細菌的細胞壁主要是由peptidoglycans所構成：
a. N-acetylglucosamine和N-acetylmuramic acid residues藉由β1→4鍵結形成鏈狀，這些polymers並排後，加上短的peptides作為cross-linked，就是所謂的peptidoglycans
b. 這些peptide cross-links密結這些polysaccharides成一種鞘，來包住整個細胞，使得細胞免於因滲透壓的變化而造成細胞的漲大或萎縮
c. 眼睛的淚水中有一種enzyme（lysozyme）可以藉由打斷兩個residues間的β1→4 glycosidic bond鍵結來殺死細菌，以對抗細菌對於眼睛的感染和發炎
d. “盤尼西林”以及一些抗生素利用阻止cross-links的形成，使得細菌對與抵抗滲透的能力大大減弱來殺死細菌
e. PS.如果不知道N-acetylglcosamine和N-acetylmuramic acid 的結構的人可以參考P.300
十一、 在多細胞動物組織其細胞外的空間充滿一種像gel-like的物質叫做 extracellular matrix，有兩個功用：
a. hold the cells together
b. provide a porous pathway for the diffusion of nutrients and oxygen to individual cells
十二、 The extracellular matrix：是由一種結合成網狀的heteropolysaccharides（叫做glycosaminoglycans，是一種由重複的雙糖單位所構成的線狀polymer）和纖維蛋白（ex：collagen、elastin、fibronectin、laminin）所構成。
十三、 在有些glycosaminoglycans中，一些OH基被SO4¯所取代掉，這樣的結合和COO¯一樣，提供glycosaminoglycans一個非常高的負電密度，為了要抵銷相鄰的charge group所造成的斥力，這些分子在溶液中常成直鏈狀。
十四、 因為這種特殊的sulfated and nonsulfated型態，提供在眾多的protein ligands bind到分子上一種特殊的辨認方式。
十五、 課本上Figure9-20列出三種最重要的Glycosaminoglycan：
1. Hyaluronate： 4
a. 由GlcA和GlcNAc兩種residues所構成
b. 鏈長可以達到50000個單位
c. 形成一種用來提供關節處潤滑的潔淨、高黏性的液體
d. 提供脊椎動物眼睛的玻璃狀液的jellykike consistency
e. 為細胞間質的一種必要組成成分，提供高強度的張力和彈性
2. Chondroitin sulfate（cartilage）：
a. 只有較短的polymer
b. 和一些特殊的proteins鍵結
c. 提供軟骨、肌腱、ligaments和主動脈管壁的張力
3. Keratan sulfate（horn）：
a. 只有較短的polymer
b. 和一些特殊的proteins鍵結
c. 沒有uronic acid且sulfate content是variable的
d. 存在於角膜、軟骨、硬骨，還有很多洞狀結構形成的死細胞像是：horn、hair、hoofs、nails和claws
(三) Glycoconjugates
一.Polysaccharides除了stored fuel,structural materials之外，在cell與extracellular matrix之間還扮演著訊息的攜帶(information carries)
F9-21
Proteoglycans在扮演cell surface與Extracellular matrix之間 bridge的角色時，Proteoglycans會與core protein上胺基酸序列中的Ser結合
**以O-linked方式結合
F9-23
Proteoglycans aggregates：許多Keratan sulfate and Chondroitin sulfate可藉由Proteoglycans binding到core protein上，而這些protein稱做aggrecan core protein，而這些protein再經由Link protein接到Hyaluronate上(Hyaluronat詳見p309)而這種Proteoglycans聚集的情況就稱為Proteoglycan aggregates
F9-25
Oligosaccharide可藉由O-linked與N-linked 結合到glycoprotein上其中O-linked是Oligosaccharide和glycoprotein上序列中的Ser orThe等(有OH基)形成glycosidic bond，N-linked是Oligosaccharide只和glycoprotein上序列中的Asn形成N-glycosyl bond to amino N。
二.除了protein能接上Oligosaccharides形成glycoprotein，lipid一樣也能和Oligosaccharides形成glycolipid
F9-26
在細菌的outer membrane上有一種Lippolysaccharides(一端”Lipid”+a core “Oligosaccharid”+一端O-Specific chain)而在Lippolysaccharides上有一特定的結
5
構O-Specific chain(不同的細菌其O-Specific chain亦不同)當細菌侵入正常細胞時，正常細胞的antibody會辨識Lippolysaccharides的O-Specific chain而破壞之，使細菌不得作用。
F9-29
當外物想要進入細胞時會和細胞膜上的受器作用而這些受器的構造有很多形式若Oligosaccharide接到細胞膜上的Lipid則形成glycolipid，若接到transmembrane protein(此protein的形式也有很多種)則稱為glycoprotein，但這些Proteoglycans ，glycolipid， glycoprotein的作用都是在做cell surface上與外界的conconjugates
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