【预备知识】
- 单糖的结构 #86
- 异头碳中心的化学 #87
寡糖（oligosaccharide）是指任何含有少于 20 个单糖残基，通过糖苷键连接的糖链。
除了作为生物体的能源之外，糖类在自然界中很少以单糖的形式存在。相反，它们充当更复杂分子的构建块。在最常见的过程中，一个初始糖连接到非糖部分（通常是脂质或蛋白质），然后通过糖苷键将其他糖共价连接到该糖上，连接发生在所添加糖的异头碳与现有糖的羟基氧之间。
由此产生的聚糖被称为寡糖（通常少于十几个单糖）或多糖（通常多于十几个单糖）。多糖通常建立在重复连接单糖亚基的核心上。寡糖和多糖的这种组装方式产生了巨大多样性和广泛可变特性的结构。这使得聚糖能够发挥多种作用，从细胞表面与对细胞分化、识别和增殖很重要的蛋白质相互作用，到与其他聚糖相互作用以形成植物和微生物细胞壁的机械特性。
寡糖分支带来的多样性
仅仅通过糖苷键连接不同的单糖就可以创建多样化的结构，从而形成寡糖或多糖。这种多样性不仅来自于糖的选择，还来自于它们的连接方式。
如果连接单糖只有一种方式，那么在十几种常用糖中进行选择，所产生的多糖的多样性将大于多核苷酸（DNA 和 RNA 有四种核苷酸选择），但小于多肽（哺乳动物蛋白质有 20 种氨基酸选择）。
然而，在一个糖的异头碳与另一个单糖或寡糖中任何一个未修饰的羟基之间形成糖苷键的可能性，增加了多样性。这不仅允许有更多线性产物，也允许有分支产物，其中给定糖上的一个以上羟基被用于形成糖苷键。此外，每个异头碳都是一个立体中心，因此每个糖苷键都可以以 α- 或 β-构型构建。
例如，仅使用单一环状糖（如吡喃葡萄糖）来构建一个具有未连接还原端的四糖（四个糖），理论上可以构建 1792 种不同的结构。当然，由于缺乏构建它们的酶，自然界中并非所有理论上可能的分子都会产生，但确实产生了许多，这使得碳水化合物具有广泛的功能特性，从而发挥许多重要作用。
分支是哺乳动物细胞表面发现的许多聚糖的一个主要特征。图 3.1 展示了两种主要类型的真核生物蛋白质糖基化所代表的聚糖。
N-聚糖含有一个由三个甘露糖残基和两个 N-乙酰葡糖胺残基组成的核心 (Manα1→6[Manα1→3]Manβ1→4GlcNAcβ1→4GlcNAcβ1→N−Asn)。图中所示的聚糖是一个双触角聚糖，其分支连接在聚糖链中第一个甘露糖残基的 3 位和 6 位。然而，也存在具有三个和四个分支的更复杂结构。这些聚糖的合成和生物学重要性的细节在第 9 章中介绍。
图中所示的 O-聚糖含有一个典型的核心结构（四种常见核心之一），它始于还原端的一个 N-乙酰半乳糖胺，该 N-乙酰半乳糖胺以 α 形式连接到丝氨酸或苏氨酸 (GlcNAcβ1→6[Galβ1→3]GalNAcα1→O−Ser/Thr)。它最初是双触角结构，但可以向非还原端进一步延伸以形成更复杂的结构。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig.
3.1. N-连接和 O-连接聚糖中分支结构的示例。
所描绘的两种聚糖都在其非还原端以唾液酸（在人类中通常是 Neu5Ac）终止。唾液酸化是哺乳动物聚糖的特征，对免疫反应很重要。
在蛋白质-聚糖相互作用中，不仅特定的残基被识别，而且它们在分支结构中的位置也常常被识别。一个有趣的例子是在 N-聚糖末端添加 2→6 连接的唾液酸的酶的相互作用。尽管两个分支上的残基回溯到分支点上的甘露糖都是相同的 (Galβ1→4GlcNAcβ1→2Manα−)，但它对添加 2→6 连接到 1→3 连接的分支具有很高的偏好性（超过一个数量级）。这可能在某种程度上表明分支在识别过程中所扮演的角色。
哺乳动物中独特的是游离存在于乳汁中的寡糖。人乳寡糖 (HMOs) 在母乳中含量非常丰富。与大多数偶联到蛋白质或脂质上的聚糖不同，HMOs 在其天然状态下是非偶联的。因此，它们在还原端含有一个活性醛基。HMOs 在哺乳期间会减少，但通常比蛋白质含量还要丰富。
尽管它们合成的精确细节仍不清楚，但 HMO 结构更类似于糖脂上的聚糖和蛋白质上的 O-聚糖。这些结构基于乳糖核心 (Galβ1→4Glc)，并以分支或线性形式延伸。延伸部分主要由葡萄糖、半乳糖、N-乙酰葡糖胺、岩藻糖和唾液酸组成。作为分子，它们通常较小，大部分结构的范围在三到六个单糖之间；然而，也观察到超过 20 个单糖的结构。HMO 结构已通过先进的糖组学分析工具（如LC-MS）进行了表征。已观察到数百种结构，尽管一位母亲通常产生约 100 种结构。
存在两种 HMO 表型（来自四种基因型），它们决定了乳汁中结构的类型。分泌其血型或 Lewis b 表位的母亲被称为分泌型。分泌型母亲产生的结构含有 α1→2 连接的岩藻糖。非分泌型母亲产生的 α1→2 连接的岩藻糖很少或没有，而是产生主要为(1-3)-或 (1-4)-连接的岩藻糖基化聚糖。分泌型母亲乳汁中最丰富的成分之一是 2-岩藻糖基乳糖，而非分泌型母亲产生的这种化合物很少或没有。同样，分泌型乳汁中的岩藻糖基化化合物略微更丰富，而非分泌型乳汁中的唾液酸化合物略微更丰富。
HMOs 改变了我们对食物功能的认知。人乳曾被认为主要具有营养作用。然而，尽管 HMOs 在乳汁中含量很高，但婴儿肠道中没有可以降解它们的人体酶。相反，对婴儿肠道微生物组的表征表明，HMOs 主要是肠道细菌的食物。事实上，在健康母乳喂养婴儿的微生物组中发现的双歧杆菌具有专门分解代谢 HMOs 的糖苷水解酶。此外，HMOs 可能还通过阻止病原体在肠道中的结合而发挥保护作用。
【进阶】
- 结构多糖和贮藏多糖 #89
