【预备知识】
- 单糖的结构 #86
- 单糖的连接方式 #84
变旋现象
当单糖环化形成环状结构时，会从羰基碳原子衍生出一个额外的不对称中心。这个新的不对称中心被称为“异头碳”（例如，葡萄糖环状结构中的 C-1）。由于异头羟基可以采用两种可能的取向，环化反应会形成两种非对映异构体。
与单糖环上其他构型稳定的立体中心不同，异头中心可以通过变旋过程进行立体异构体的相互转化。该反应由稀酸或稀碱催化，通过环化反应的逆过程进行。单糖环打开，然后重新闭合，形成另一种异头构型的环。
“变旋”一词来源于观察到纯异头物形式的单糖溶解在水中时，其比旋光度（表示为 [α]D）会发生快速变化。例如，β-D-吡喃葡萄糖的初始比旋光度为 +19∘，而 α 异头物则为 +112∘。当任一异头物进行变旋反应后，会得到含有两种异头物的平衡混合物，其比旋光度为 +52.5∘。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.9. 异头中心构型的确定。
氧化与还原
通常，单糖的无环（醛或酮）形式在平衡混合物中仅占极少量（<0.01%）。然而，开链的醛或酮可以参与化学反应，从而驱动平衡并最终消耗掉糖。
醛糖和酮糖在历史上被称为“还原糖”，因为它们在化学测试中呈阳性反应，该测试分别使其醛基和羟基酮官能团发生氧化。醛糖中的醛基被氧化形成的羧酸被称为糖酸（例如，葡萄糖酸是葡萄糖的氧化产物）。
单糖的羟基也可以被氧化，最值得注意的是末端 OH 基团（例如，葡萄糖的 C-6）。在这个反应中，会生成糖醛酸；如果两个末端基团都被氧化，产物是糖二酸。图 2.10 展示了源自 D-葡萄糖的三种酸。这些化合物倾向于发生分子内环化反应，优选生成六元内酯。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.
10. D-葡萄糖的氧化形式。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.
11. 通过用 NaB
3H
4还原将单糖转化为
氚标记的糖醇。
图 2.11 展示了两种内酯化形式的例子。单糖的氧化形式可以在自然界中找到。例如，GlcA 是许多糖胺聚糖的重要组成部分。
醛糖和酮糖的羰基也可以用硼氢化钠 (NaBH4) 还原，形成多元醇，称为糖醇。通过用NaB3H4还原，该反应被广泛用于在单糖的 C-1 引入放射性标记。
希夫碱形成
单糖的醛基和酮基还可以与胺或肼发生希夫碱形成反应，分别生成亚胺和腙。该反应常用于将单糖与蛋白质（通过其赖氨酸残基）或生物化学探针（如生物素肼）偶联。
需要注意的是，与氨基形成的亚胺在水中不稳定，通常通过称为“还原胺化”的过程，用氰基硼氢化钠 (NaCNBH3) 还原。
[/reply]
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.
12. 通过形成亚胺将单糖偶联到氨基上。实心圆代表任何含有胺的小分子或大分子。
作为醛，还原糖也可以与蛋白质中赖氨酸残基的氨基形成希夫碱。这种将聚糖连接到蛋白质上的非酶促过程被称为“糖化”（glycation），它不同于涉及糖与蛋白质之间形成糖苷键的“糖基化”（glycosylation）。糖化产物可以进一步发生反应，导致蛋白质交联的形成，这可能具有致病后果（即它们具有免疫原性并改变蛋白质的性质）。由于血糖水平升高，糖尿病患者体内的葡萄糖糖化产物积累水平高于健康个体。人们认为这些被修饰的蛋白质是与糖尿病相关的一些病理的基础。
糖苷键的形成
两个单糖单元可以通过糖苷键连接在一起——这是所有寡糖中单糖构建块之间的基本连接。糖苷键是在一个单糖的异头碳和另一个单糖的羟基之间形成的。从化学角度来说，半缩醛基与醇基反应形成缩醛。
糖苷键几乎可以与任何羟基化合物形成，包括简单的醇（如甲醇）或羟基氨基酸（如丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸）。事实上，在蛋白质内，糖与这些氨基酸之间形成了糖苷键，从而形成了糖蛋白（参见第 9 章和第 10 章）。
像半缩醛一样，缩醛或糖苷键可以以两种立体异构形式存在：α 和 β。但与半缩醛不同的是，缩醛在大多数条件下构型稳定。因此，一旦糖苷键形成，其构型就会保持不变。与一般的缩醛一样，糖苷键可以在稀酸中水解，从寡糖中生成组成单糖。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2.
13. 糖苷的形成。半缩醛转化为缩醛。
糖苷键的构建是聚糖合成的核心挑战，人们已投入巨大的努力进行高产率和立体选择性的糖基化反应。
单糖官能团的化学
羟基的甲基化
单糖和寡糖中存在的羟基可以进行化学修饰而不影响糖苷键。甲基化用于聚糖的结构分析（参见第 50 章）。含有部分甲基化聚糖的天然产物是已知的，并且已经鉴定出许多甲基转移酶。
羟基的酯化
各种不同的酶可以酯化聚糖的羟基，从而暂时改变聚糖结构。有时需要酯化才能与其他生物分子相互作用。自然界中最重要的糖酯类型是磷酸酯（包括焦磷酸酯）、酰基酯（与乙酸或脂肪酸）和硫酸酯。酰基酯有时可以迁移到同一单糖上的其他羟基。
羟基的脱氧
用氢原子取代单糖羟基会形成脱氧糖。自然界已进化出酶，可以在最少的步骤内完成这个反应，而化学合成需要多步过程。在 DNA 生物合成中，核糖核苷酸中的核糖发生脱氧以形成 2-脱氧核糖核苷酸是一个关键反应。岩藻糖 (Fuc)，一种常见的脊椎动物单糖，在其由甘露糖生物合成的过程中（第 5 章），在 C-6 位发生脱氧。
氨基
许多单糖含有 N-乙酰氨基，例如 GlcNAc、GalNAc 和 NeuNAc。通过 N-脱乙酰化形成的游离氨基很少见，发现于硫酸乙酰肝素 (HS)（第 17 章）、糖基磷脂酰肌醇 (GPI) 锚（第 12 章）、神经氨酸（第 15 章）以及许多细菌聚糖结构（第 20 章）中。氨基可以像羟基一样被硫酸化修饰，例如在 HS 中发现的那样。
糖苷键
两个单糖之间可以形成各种连接。糖苷键可以在一个糖的异头碳处产生两种可能的立体异构体（α 或 β）。此外，另一个糖的许多羟基允许存在几种可能的区域异构体。
例如，两个葡萄糖残基可以通过多种方式连接在一起，如麦芽糖 (Glcα1→4Glc) 和龙胆二糖 (Glcβ1→6Glc)。这些异构体具有非常不同的三维结构和生物活性。一个单糖可以参与两个以上的糖苷键，从而充当分支点。分支序列的普遍存在（与几乎所有肽和寡核苷酸中的线性序列相对）是聚糖独有的特征，并有助于其结构多样性。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2
.14. 两种异构二糖。
糖苷键与寡糖的关系类似于酰胺键与多肽以及磷酸二酯键与多核苷酸的关系。然而，氨基酸和核苷酸在多肽和核酸的形成过程中仅以一种方式连接；这些生物聚合物中没有立体化学或区域化学多样性。
寡糖中包含的单体残基数量在命名中有所指定——二糖、三糖等。正如多肽有氨基和羧基末端，多核苷酸有 5′ 和 3′ 末端一样，寡糖也有由其还原端和非还原端定义的极性。
寡糖的还原端带有一个游离的异头中心，该中心没有参与糖苷键，因此保留了醛的化学反应性。然而，即使它参与了连接（例如，与糖蛋白中丝氨酸或苏氨酸的羟基连接），它仍然被称为还原端。结构通常从左侧的非还原端向右侧的还原端书写。
对于某些结构，没有还原端。例如，常见的二糖蔗糖和海藻糖在两个单糖组分的异头中心之间具有糖苷键。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2
.15. 二糖的还原端和非还原端。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2
.16. 非还原性二糖。
糖苷键是二糖结构中最灵活的部分。虽然组成单糖的椅式构象相对刚性，但糖苷键周围的扭转角 (ϕ、ψ 和 ω；图 2.17) 可以变化。因此，具有明确一级结构的二糖在溶液中可以采取多种构象，这些构象在两个单糖的相对取向上有所不同。结构刚性和柔性的结合是复杂碳水化合物的典型特征，对其生物功能至关重要。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 2
.17. 定义糖苷键构象的扭转角 ϕ、ψ 和 ω。(A) 沿 C1−O1 键的纽曼投影，说明 1→6 糖苷键的 ϕ。(B) 沿 C6′−O1 键的纽曼投影，说明 1→6 连接的 ψ。(C) 沿 C5′−C6′ 键的纽曼投影，说明 1→6 连接的 ω。糖苷氧原子上的小叶代表孤对电子。所描绘的扭转角是任意的，不一定反映最稳定的构象。
聚糖通过糖苷键连接到其他生物分子上，例如脂质或多肽中的氨基酸，形成糖缀合物（参见第 9、10、11 和 12 章）。聚糖通常被称为糖缀合物的聚糖部分（glycone），而非碳水化合物组分被称为非糖部分（aglycone）。聚糖可以是一个单糖或一个寡糖。
总而言之，单糖构建块可以以各种区域化学和立体化学连接，所产生的寡糖可以组装在蛋白质或脂质支架上。
