【预备知识】
- 糖生物学 #80
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单糖结构的分类始于19 世纪末埃米尔·费舍尔（Emil Fischer） 的开创性工作。
所有简单的单糖都具有通用的经验公式 Cn (H2O) n，其中 n 是一个从 3 到 9 的整数。所有单糖由一系列手性羟甲基单元组成，一端以羟甲基终止，另一端则以**醛基（醛糖）**或 **α-羟基酮基（酮糖）**终止。
**甘油醛（Glyceraldehyde）**是最简单的醛糖。
**二羟基丙酮（Dihydroxyacetone）**是最简单的酮糖。
甘油醛含有一个不对称（手性）碳原子，而二羟基丙酮则没有。除了二羟基丙酮之外，所有单糖至少有一个不对称碳原子，其总数等于内部 (CHOH) 基团的数量（对于 n 个碳原子的醛糖是 n−2，对于酮糖是 n−3）。
单糖的立体异构体和 D/L 构型
立体异构体的数量对应于 2k ，其中 k 等于不对称碳原子的数量。例如，一个具有通用公式C6H12O6 和四个不对称碳原子（即四个 (CHOH) 基团）的己醛糖可以描述为 16 种可能的异构形式。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.1 甘油醛和二羟基丙酮的结构。(A) 费歇尔投影式。(B) D-型和 L-型甘油醛。甘油醛中的手性中心碳原子产生了分子可能的两种构型，分别称为 D 型和 L 型。
碳原子编号遵循有机化学命名规则。醛碳被称为 C-1，酮糖中的羰基碳被称为 C-2。
D/L 构型确定： 每个糖的整体构型（D 或 L）是由离羰基最远的立体异构中心（即具有最高编号的不对称碳原子；在己糖中是 C-5，在戊糖中是 C-4）的绝对构型决定的。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.2 D-型和 L-型吡喃葡萄糖的费歇尔投影式和椅式构象。
费歇尔投影式（Fischer projection）： 单糖的构型最容易通过费歇尔投影式来确定。如果费歇尔投影式中该碳原子上的 OH（或其他非 H 基团）在右侧，则整体构型为 D 型。如果 OH 在左侧，则整体构型为 L 型。
自然界中的 D/L 型： 大多数脊椎动物单糖具有 D 构型，除了**岩藻糖（Fucose, Fuc）和艾杜糖酸（IdoA）**等少数 L 型糖。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.3 D 系醛糖（从丙糖到己糖）无环形式的费歇尔投影式。
差向异构体与常见单糖
差向异构体（Epimers）： 仅在一个手性碳原子周围的构型不同的任意两个糖被称为差向异构体。例如，D-甘露糖是 D-葡萄糖的 C-2 差向异构体，而 D-半乳糖是 D-葡萄糖的 C-4 差向异构体。
常见单糖： 单糖的名称经常被缩写，最常见的是三字母缩写（例如，Gal、Glc、Man、Xyl、Fuc）。在脊椎动物糖缀合物中发现了九种常见单糖。一旦这些单糖构建单元被整合到糖链中，它们可以被进一步修饰以生成更多的糖结构。例如，葡糖醛酸（GlcA）可以在 C-5 上发生差向异构化，生成艾杜糖酸（IdoA）。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.4 在脊椎动物中常见的单糖。N-乙酰神经氨酸是唾液酸最常见的形式。
单糖主要以环状形式存在
单糖在溶液中以**无环（acyclic）和环状（cyclic）**形式的平衡混合物存在。
1. 环化与环型命名
环状形式的特征是由 C-1 醛基或酮基与其中一个羟基反应形成的半缩醛基团。
化学稳定性： 出于化学稳定性的考虑，通常形成五元环和六元环。
环闭合方式： 己醛糖通常通过 C-1—O—C-5 环闭合形成六元环；己酮糖通过 C-2—O—C-5 环闭合形成五元环；己醛糖也可以通过 C-1—O—C-4 环闭合形成五元环。
命名： 一个五元环状半缩醛被标记为 呋喃糖（furanose），而一个六元环状半缩醛被称为吡喃糖（pyranose）。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.5 无环 D-葡萄糖环化形成吡喃糖和呋喃糖结构。环化反应产生 α 和 β 异头物（即 C-1 差向异构体）。
2. 构象表示法
哈沃斯投影式（Haworth Projections）： 单糖也可以用哈沃斯投影式表示，其中五元和六元环状结构被描绘为平面环系统，羟基朝上或朝下。
转换规则： 对于 D 型糖，费歇尔结构中指向右侧的基团在哈沃斯结构中向下，指向左侧的基团向上，末端的 −CH2OH 基团向上。对于 L 型糖，前两条规则相同，但 −CH2OH 基团向下。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.6. 从费歇尔投影式到哈沃斯投影式的转换。在费歇尔投影式中向右投影的每个羟基在哈沃斯公式中都指向下方。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.7. 椅式构象。(A) β-D-葡萄糖的哈沃斯投影式及其 4C1 和 1C4椅式构象；(B) 五元环结构的信封式和扭船式构象。
平面哈沃斯结构是对实际分子的扭曲表示。吡喃糖环的首选构象是“椅式”构象（Chair Conformation），类似于环己烷的结构。从哈沃斯投影式转换为椅式构象时，环取代基的向下或向上取向保持不变。可以区分两种椅式构象，分别命名为 4C1 和 1C4），这些构象体可以通过称为“环翻转”的过程相互转化。
椅式构象命名中的第一个数字（上标）表示位于“椅座（C）”上方的环碳原子编号，第二个数字（下标）表示位于椅座平面（由 C-2、C-3、C-5 和环氧原子构成）下方的环碳原子编号。椅式构象的命名始于将环氧原子置于环“椅座”的右上方角落，从而使环编号呈顺时针排列。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.8. 从费歇尔投影式到椅式构象式的转换；(R) 右侧；(L) 左侧。红色箭头演示了在关联费歇尔投影式与椅式构象的立体化学时，沿着糖骨架应遵循的路径。
为了确定椅式构象中与费歇尔投影式相对应的立体化学，可以先找到 C−6，然后沿着糖的碳骨架追踪，将每个原子形成的 C−O 和 C−H 键平分。OH（或 OR）和 H 基团的位置会出现在右侧 (R) 或左侧 (L)，正如在费歇尔投影式中一样。
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【进阶】
- 单糖的连接方式 #84
- 异头碳中心的化学 #87
