第二節　單糖的結構

一、有關旋光異構的幾個概念

旋光異構現象在生物分子中普遍存在，并有重要的生物學意義。

1.旋光異構

同分異構現象是指化合物具有相同的分子式，但具有不同結構的現象。主要有兩種類型：結構異構和立體異構。

結構異構是由于分子中原子連接的次序不同而造成的異構現象。原子連接在一起的次序叫做化合物的構造，用結構式表示。結構異構體分為碳架異構體、位置異構體和功能異構體。立體異構具有相同的結構式，但原子在空間的分布不同。原子在空間的相對分布與排布稱為分子的構型，用立體模型、透視式或投影式來區分立體異構體。

立體異構又可分為旋光異構（光學異構）和幾何異構。旋光異構（光學異構）是由于分子中存在手性原子造成的，最常見的是分子內存在不對稱碳原子。旋光異構體是一組至少存在一對不可疊合的鏡像體的立體異構體，一般具有旋光性。幾何異構，也稱順反異構，是由于分子中雙鍵或環的存在或其他原因限制原子間的自由旋轉引起的。幾何異構體中不存在不可疊合的鏡像對，因而不具有旋光性。

2.旋光性與不對稱碳原子

當平面偏振光通過旋光物質的溶液時，光的偏振面會向右（順時針方向或正向，符號+）旋轉或向左（逆時針方向或負向，符號-）旋轉。使偏振面向右旋轉的，稱為右旋物質，如（+）-甘油醛；使偏振面向左旋轉的，稱為左旋物質，如（-）-甘油醛。旋光物質使平面偏振光的偏振面發生旋轉的能力稱為旋光性、光學活性或旋光度。

表示旋光物質旋光性的特征常數是比旋度或旋光度，用[α]表示，比旋度前面加+或-，以指明旋光方向。某一物質的[α]值和旋光方向，與測定時的溫度、光波波長、溶劑種類、溶質濃度以及pH等有關。因此測定比旋度時，必須標明這些因素。

不對稱碳原子是指與4個不同的原子或原子團共價連接并因而失去對稱性的四面體碳，也稱不對稱中心或手性中心，常用C*表示。根據對稱性原理，凡分子中存在對稱面、對稱中心或四重交替對稱軸這些對稱元素之一的，化合物都可以和它的鏡像疊合，因而沒有旋光性；凡分子中沒有上述三種對稱元素的，都不能與它的鏡像疊合，因而具有旋光性。不能與自己鏡像疊合的分子，稱為手性分子。手性與旋光性為一對孿生子。

3.構型的投影式表示

旋光異構體的構型，是指不對稱碳原子的4個取代基在空間的相對取向。這種構型形成兩種可能的四面體形式，即兩種構型。具有不對稱碳原子的甘油醛的構型如圖3-1所示。

從圖3-1可以看出一個不對稱碳原子的取代基在空間里的兩種取向是物體與鏡像的關系，并且兩者不能重疊。可見甘油醛（Ⅰ）和甘油醛（Ⅱ）是兩種旋光異構體，被稱為對映體。除具有程度相等而方向相反的旋光性和不同的生物活性外，它們其他物理和化學性質完全相同。由于人為規定的相對構型和實驗確定的絕對構型是一致的，所以具有甘油醛（Ⅰ）構型的右旋甘油醛，稱為D-型，標為D-（+）-甘油醛，而甘油醛（Ⅱ）標為L-（-）-甘油醛，并選定甘油醛作為其他旋光化合物構型的參考標準。必須指出，在糖的構型中，D-和L-與旋光方向（+，-）并無直接聯系，旋光方向與程度是由整個分子的立體結構（包括各手性碳原子的構型）而不是某一個C*的構型所決定的。

在立體化學中，甘油醛的立體異構體可用立體模型、透視式或投影式來區分（圖3-2）。圖3-2中透視式（A）和（B），手性碳原子和實線鍵處于紙面內，虛線鍵伸向紙面背后，楔形鍵凸出紙面，伸向讀者。投影式可看成是立體模型或透視結構在紙面上的投影，圖3-2中投影式（C）稱為Fischer投影式，其中水平方向的鍵伸向紙面前方，垂直方向的鍵伸向紙面后方。書寫Fischer投影式時，通常規定碳鏈在垂直方向，羰基寫在鏈的上端，羥甲基寫在鏈的下端，氫原子和羥基位于鏈的兩側。

雖然Fischer投影式可以表示單糖分子的鏈式結構，但不能準確表示單糖的環狀結構。所以，在表示單糖的環狀結構時采用另一種透視式，稱為Haworth投影式或Haworth式。以葡萄糖為例，Haworth式中葡萄糖的六元環用一個垂直于紙平面的六角形環表示，粗線表示靠近讀者的環邊緣，細線（含氧橋）表示離開讀者的環邊緣（圖3-3）。

二、單糖的鏈式結構

單糖從丙糖到庚糖，除二羥基丙酮外，都含有手性碳原子。甘油醛含一個C*，有兩個旋光異構體，組成一對對映體。丁醛糖含2個C*，可有4個旋光異構體，組成兩對對映體。依次類推，含n個C*的化合物，旋光異構體的數目為2n，組成2n/2對對映體。

通常所謂的單糖構型是指分子中離羰基碳最遠的那個手性碳原子的構型。如果在Fischer投影式中，此碳原子上的—OH具有與D-（+）-甘油醛C2—OH相同的取向，則稱D-型糖，反之則為L-型糖。

所有的醛糖都可以看成是由甘油醛的醛基碳下端逐個插入C*延伸而成。由D-甘油醛衍生而來的稱D-系醛糖，由L-甘油醛衍生而來的稱L-系醛糖。同樣，各種酮糖可被認為是由二羥基丙酮衍生而來。幾種單糖的結構式如下：

L-系醛糖是相應D-系醛糖的對映體。任一旋光化合物都只有一個對映體，它的其他旋光異構體在化學與物理性質方面都與之不同，這些不是對映體的旋光異構體稱為非對映異構體或非對映體。例如，D-（+）-葡萄糖的對映體只有L-（-）-葡萄糖，其余的14個己醛糖旋光異構體是它的非對映體。

從下面幾個結構可以看到，己醛糖的旋光異構體，葡萄糖和甘露糖或葡萄糖和半乳糖，兩者之間除一個手性碳原子（對葡萄糖和甘露糖是C2*，對葡萄糖和半乳糖是C4*）的—OH位置不同外，其余結構完全相同。這種僅一個手性碳原子的構型不同的非對映異構體稱為差向異構體。

三、單糖的環狀結構

許多單糖，新配制的溶液會發生旋光度的改變，這種現象稱變旋。變旋是由于分子立體結構發生某種變化的結果。從羰基的性質可以了解到，醇與醛或酮可以發生快速而可逆的親核加成，形成半縮醛。如果羥基和羰基處于同一分子內，可以發生分子內親核加成，導致環狀半縮醛的形成。

作為多羥基醛或酮的單糖分子完全可能形成這種環狀結構。

1. α異頭物與β異頭物

單糖由直鏈結構變成環狀結構后，羰基碳原子成為新的手性中心，導致C1差向異構化，產生兩個非對映異構體。這種羰基碳上形成的差向異構體稱異頭物。在環狀結構中，半縮醛碳原子也稱異頭碳原子或異頭中心。

在鏈式結構表示法中，異頭碳的羥基與最末的手性碳原子的羥基具有相同取向的異構體稱α異頭物，具有相反取向的稱β異頭物。

在單糖的環狀結構表示法中，在標準定位（即含氧環上的碳原子按順時針序數排列）的Haworth式中羥甲基在環平面上方的為D-型糖，在環平面下方的為L-型糖；不論是D-型糖還是L-型糖中，異頭碳羥基與末端羥甲基是反式的為α異頭物，順式的為β異頭物（圖3-4）。

標示異頭碳的構型時，必須同時指出糖的構型（D-系或L-系）。異頭物在水溶液中通過直鏈（開鏈）形式可以互變（差向異構化），經一定時間后達到平衡，這就是產生變旋現象的原因。應該指出，α異頭物和β異頭物不是對映體，平衡時兩種成分不是一半一半。例如，D-葡萄糖，平衡后α-D-葡萄糖約占36%，β-D-葡萄糖占64%，含游離醛基的開鏈葡萄糖不到0.024%。

2.吡喃糖和呋喃糖

開鏈的單糖形成環狀半縮醛時，最容易出現五元環和六元環的結構。例如D-葡萄糖C5上的羥基與C1的醛基加成生成六元環的吡喃葡糖，D-果糖C5上的羥基與C2上的酮基加成形成五元環的呋喃果糖。D-葡萄糖主要以吡喃糖存在，呋喃糖次之，其中吡喃型比呋喃型穩定；D-果糖也以這兩種形式存在（圖3-5）。

四、單糖的構象

按Haworth式結構，葡萄糖的成環元素都在一個平面上。實際上并非如此，而是整個環的平面發生折疊形成近似椅形的構象。這是由于繞單鍵旋轉引起的組成原子的不同排列導致的，這樣的結構稱為構象。一種特定的構象稱構象體或構象異構體，常采用鋸架式或紐曼投影式來表示。不像旋光異構體，不同的構象體通常不能分離出來，它們之間的互變太快。

構象分析表明環己烷環是一種無張力環，它的環不是平面結構，而是扭折成釋放了全部角張力的三維構象，有椅式和船式兩種構象（圖3-6）。

吡喃糖與環己烷在結構上有很多相似之處，因此環己烷的構象分析很多適用于吡喃糖。D-吡喃葡萄糖可以有兩種椅式構象（圖3-7）和6種船式構象。椅式D-葡萄糖遠比船式D-葡萄糖穩定。D-吡喃葡萄糖的兩種椅式構象可能經過船式進行互相轉換，這種互換常稱為環轉向。在葡萄糖分子的椅式構象中，醇羥基都在平伏鍵上，氫原子在直立鍵上。α-半縮醛羥基在直立鍵上，β-半縮醛羥基則在平伏鍵上。平伏鍵伸向分子外側，熱力學上穩定。所以，在水溶液中，β-D-葡萄糖所占比例最大。