碳水化合物——分子结构与立体化学
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碳水化合物的分子结构与立体化学

引言：超越线性链的视角
我们首先要彻底摒弃一个观念：葡萄糖在我们的身体里是以教科书上那种笔直的链状结构（费歇尔投影式）存在的。这仅仅是一个用于展示其基本化学组成的二维简化模型。在现实的水环境中（如细胞质），99%以上的葡萄糖都会自发地卷曲成更稳定、更低能量的环状结构。理解这一转变以及由此产生的精细三维结构差异，是掌握碳水化合物一切功能的钥匙。

第一部分：手性的根源 —— 碳水化合物的立体异构

在探讨环状结构之前，我们必须先理解单糖的“不对称性”，即手性（Chirality），相信大家在高中化学中都学习过。

1. 手性碳原子 (Chiral Carbon)

一个碳原子如果连接了四个完全不同的基团，它就是一个手性碳原子。这个碳原子就是分子的“手性中心”，使得该分子无法与其镜像重合，就像你的左手和右手。
在葡萄糖的链状结构中，C2, C3, C4, C5 都是手性碳，而C1（醛基）和C6（-CH₂OH）不是。拥有手性中心是立体异构现象的物理基础。也叫不对称碳原子、不对称中心或手性中心，常用C ＊表示。有机化合物的旋光性与分子内部的结构有关，根据对称性原理，凡是分子中存在对称面（镜面）、对称中心或四重交替对称轴这些对称元素(symmetry element)之一的，都可以和它的镜像叠合，因而都没有旋光性；凡分子中没有上述三种对称元素的，都不能与它的镜像叠合，因而都有旋光性。分子这种不能与自己的镜像叠合的关系，犹如人的左右手关系，因此称这种分子具有手性或称它为手性分子(chiralmolecule) 。手性与旋光性是一对李生子。

2. 立体异构体 (Stereoisomers) 的层级

立体异构体是指分子式相同、原子连接顺序相同，但原子在空间中的排布不同的化合物。立体异构体分类方法不止一种，这里根据根据三维空间排列关系分类。异构现象除了立体异构还有一种结构异构，这里我们插入一段什么是异构。

异构
同分异构或称异构（心merism），是指存在两个或多个具有相同数目和种类的原子并因而即具有相同相对分子质量的化合物的现象。同分异构有相同的组成(composition），故具有相同的分子式。同分异构主要有两种类型一是结构异构（structuralisomerism），这是由于分子中原子连接的次序不同造成的，包括碳架异构体、位置异构体和功能异构体。原子连接在一起的次序叫做化合物的构造（constitution），用结构式表示二是立体异构（stereoisomeri叩m），立体异构体具有相同的结构式，但原子在空间的分布不同。 原子在空间的相对分布或排列称为分子的构型(configuration)。区分立体异构体之间的差别须用立体模 型、透视式或投影式。

A. 对映异构体 (Enantiomers): D-型与L-型

定义： 互为镜像但不能重合的一对分子。它们所有的物理化学性质（如熔点、沸点、溶解度）都相同，除了与偏振光的相互作用（旋光性）以及与其它手性分子的相互作用（如酶）不同。这里我们引用《生物化学》中的一个图例：

旋光性
当光波通过尼科尔棱镜(Nicol prism)时，由于棱镜的结构只允许沿某一平面振动的光波通过，其他光波都被阻断，这种光称平面偏振光(plane-polarized light)。 当这种光通过旋光物质(optically active sub­stance)的溶液时，则光的偏振面(plane of polarization)会向右（顺时针方向或正向，符号＋）旋转或向左（逆时针方向或负向，符号 － ）旋转。 使偏振面向右旋的(dextrorotatory)称右旋光物质，如（＋）－甘油醒，左旋的(levorotatory)称左旋光物质，如（ － ） －甘油醒 c 旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力称旋光性、光学活性或旋光度。 在一定条件下旋光度笱与待测液的浓度(c)和偏振光通过待测液的路径长度(l)的乘积成正比： 式中，［a］是比例常数，称比旋或旋光率(specific rotation），即单位浓度和单位长度下的旋光度，比旋是旋光物质的特征物理常数；t代表测定时的温度； 入代表所用光波波长，一般用钠光（入＝589 nm或5 890 A, A为旧单位 angstrom的缩写，lOJ\= 1 nm），此时可写作[a]b;l为样品管长度，以分米(dm,l dm= 10 cm) 表示；浓度 c，用每毫升溶液中所含旋光物质克数(g/mL)表示。 比旋数值前面加＋号或－号，以指明旋光方向。 某一物质的[a]值，甚至旋光方向，与测定时的温度、光波波长、溶剂种类、溶质浓度以及pH等有 关。 因此测定比旋时，必须标明这些因素。

命名规则： 这是我们已经了解的D/L命名法。它严格地只参照离羰基最远的手性碳（对葡萄糖而言是C5）。C5上的-OH在费歇尔投影式中处于右侧，即为D-型（Dextro）；在左侧，即为L-型（Levo）。

压倒性的生物学意义： 生命选择了D-糖。所有参与核心能量代谢、构成核酸和细胞结构的糖类几乎都是D-构型。我们的代谢酶的活性位点在三维结构上是高度特异的，就像一把钥匙只能开一把锁，它们被设计成只能精确地结合和催化D-糖的反应。L-糖（如罕见的L-阿拉伯糖）虽然存在于自然界，但不能被我们的主流代谢途径所利用。因此，在我们后续的讨论中，如无特殊说明，默认讨论的都是具有生物学活性的D-型糖。

B. 非对映异构体 (Diastereomers)

定义： 凡是不是对映异构体的立体异构体，都互为非对映异构体。它们不是彼此的镜像。它们的物理和化学性质（熔点、溶解度等）通常是不同的。
例子： D-葡萄糖和D-半乳糖就是一对非对映异构体。它们都是D-型六碳醛糖，但并非镜像关系。

C. 差向异构体 (Epimers): 最细微的差别

定义： 这是一个更精细的分类。如果一对非对映异构体只在一个手性中心的构型上有所不同，那么它们就互为差向异构体。
至关重要的生物学例子：
D-葡萄糖 (Glucose) vs. D-半乳糖 (Galactose): 它们唯一的区别在于C4手性中心的-OH朝向不同。这个看似微小的区别，使得半乳糖不能直接进入糖酵解途径，必须通过专门的“Leloir途径”先把它转化为葡萄糖才能被利用。患有半乳糖血症的婴儿正是因为缺乏这个转化途径中的酶。
D-葡萄糖 (Glucose) vs. D-甘露糖 (Mannose): 它们唯一的区别在于C2手性中心的-OH朝向不同。这个差别同样导致了它们需要不同的代谢酶系。

(图示：比较D-葡萄糖、D-甘露糖和D-半乳糖，可以清晰地看到它们仅在C2或C4一个位点上存在差异)

注：一般在学习立体化学的时候Fisher 投影式是必不可少的，但是其局限性不能忽视，在本章中我们不详细介绍。想要更全面的观测学习可以了解Fisher 投影式 (Fisher Projection)、楔形-短线结构式 (Wedge-and-Dash Structure)、剑桥猴子式 / 球棍模型 (3D Representation / Ball-and-Stick Model)、Haworth 投影式 (Haworth Projection)、椅子构象 (Chair Conformation)、Newman 投影式 (Newman Projection)我们下文会了解椅子构象。

第二部分：水溶液中的真实形态 —— 环化反应

在解释环化反应之前，学习糖的结构和性质是非常有必要的。但是这里我们不细说，这个系列也不会细说。一篇文章得有核心，太散了不好。想要详细了解的参见《生物化学》第一章。

1. 环化机制：分子内的亲核加成

链状的单糖之所以不稳定，是因为其分子内部同时存在一个亲电体（Electrophile，即羰基碳）和一个亲核体（Nucleophile，即羟基氧）。
对于醛糖（如葡萄糖），C5上的羟基氧原子作为亲核体，会攻击C1上带有部分正电荷的醛基碳原子（亲电体）。
电子重新排布，形成一个共价键，羰基的双键打开，捕获一个质子（H⁺），形成一个新的羟基。
这个反应形成了一个环状的半缩醛 (Hemiacetal)。

2. 吡喃环 (Pyranose) 与 呋喃环 (Furanose)

吡喃环: 当C5-OH攻击C1醛基时，形成一个包含5个碳原子和1个氧原子的六元环。这个结构因与化学物质“吡喃 (Pyran)”相似而得名。绝大多数六碳醛糖（如葡萄糖、半乳糖）在溶液中主要以吡喃环形式存在。
呋喃环: 当C4-OH攻击C1醛基时，可以形成一个不太稳定的五元环。更常见的是，在酮糖（如果糖）中，C5-OH攻击C2的酮基，形成一个包含4个碳原子和1个氧原子的五元环。这个结构因与“呋喃 (Furan)”相似而得名。核糖 (Ribose) 和 脱氧核糖 (Deoxyribose) 作为核酸的骨架，也是以呋喃环的形式存在的。

第三部分：环化产生的新异构 —— 异头物 (Anomers)

环化过程是整个碳水化合物化学的核心转折点。

1. 异头碳 (Anomeric Carbon) 的诞生

在链状结构中，C1（醛基碳）不是手性中心。但在环化反应后，它连接了四个不同的基团（-H, -OH, -OR(环内部分), 和C2），因此C1成为了一个新的手性中心。这个新诞生的手性碳被称为异头碳。

2. α-异构体 与 β-异构体

由于异头碳是新的手性中心，新形成的异头羟基（Anomeric Hydroxyl）可以有两种空间朝向，从而产生了两种新的、可以相互转化的立体异构体——异头物 (Anomers)。

命名规则 (哈沃斯投影式中的D-糖):
α-异构体 (alpha): 异头羟基(-OH)的朝向与C6上的-CH₂OH基团相反（一个朝上、一个朝下）。在标准的哈沃斯投影中，α-OH朝下。
β-异构体 (beta): 异头羟基(-OH)的朝向与C6上的-CH₂OH基团相同（都朝上）。在标准的哈沃斯投影中，β-OH朝上。

3. 变旋现象 (Mutarotation)

将纯的α-D-葡萄糖晶体溶于水，其初始比旋光度为+112°。静置一段时间后，比旋光度会逐渐下降，最终稳定在+52.7°。反之，将纯的β-D-葡萄糖（比旋光度+18.7°）溶于水，其比旋光度会逐渐上升，最终也稳定在+52.7°。

解释： 这种旋光度自发变化的过程就是变旋现象。它雄辩地证明了：在溶液中，α-型和β-型可以通过重新变回微量的、不稳定的链状结构，然后再次环化，从而相互转化，直至达到一个动态平衡。
平衡组分： 在31℃的平衡状态下，D-葡萄糖溶液中约含有 64%的β-型，36%的α-型，以及不到1%的链状和呋喃环型。

第四部分：真实的三维构象 —— 椅子式构象

哈沃斯投影式虽然比费歇尔式更进一步，但它仍是一个二维平面化的表示，掩盖了环的真实立体形态。

1. 椅子式构象 (Chair Conformation)

吡喃环不是一个平面六边形。为了使所有碳原子都保持理想的sp³杂化键角（约109.5°），环会发生折叠，形成几种构象，其中能量最低、最稳定的是椅子式构象。

2. 直立键 (Axial) 与 平伏键 (Equatorial)

在椅子式构象中，每个碳原子上的两个取代基（-H和-OH）占据两种位置：

直立键 (Axial): 与环的对称轴大致平行，垂直于环的“平均平面”。
平伏键 (Equatorial): 从环的“腰部”向外伸出，大致平行于环的“平均平面”。

3. 构象的稳定性与β-D-葡萄糖的特殊地位

空间位阻 (Steric Hindrance): 体积较大的取代基（如-OH和-CH₂OH）处于直立键位置时，会与其他直立键上的原子产生空间排斥，导致构象能量升高，变得不稳定。
β-D-吡喃葡萄糖的完美结构： 奇迹般地，在β-D-吡喃葡萄糖的稳定椅子式构象中，所有五个体积较大的取代基（4个-OH和1个-CH₂OH）都恰好处于空间更宽敞的平伏键(Equatorial)位置！
生物学意义： 这使得β-D-葡萄糖成为最稳定、能量最低的六碳糖异构体。这很可能是它被进化选择为生命系统中最核心的能量分子和结构单元（在纤维素中）的根本物理化学原因。相比之下，它的差向异构体（如半乳糖、甘露糖）总会有一个或多个-OH基团被迫处于不太稳定的直立键位置。

第五部分：连接单体 —— 糖苷键 (Glycosidic Bond) 的立体化学

当两个单糖分子连接成双糖或多糖时，形成的化学键就是糖苷键。

1. 形成机制：

一个单糖的异头碳上的半缩醛羟基与另一个分子的羟基（通常是另一个单糖的）发生脱水缩合反应，形成一个缩醛 (Acetal)。这个新的C-O-C键就是糖苷键。

2. 命名与消化：立体化学的决定性作用

糖苷键的命名必须精确反映其立体化学，因为它直接决定了分子的三维形状和生物功能。

α-1,4-糖苷键： 存在于淀粉和糖原中。由α-异头物在C1位与另一个单糖的C4位-OH连接。这种键导致多糖链自然形成螺旋状结构，有利于紧密包装储存能量，并且其暴露的立体构象能被我们的α-淀粉酶识别和水解。
β-1,4-糖苷键： 存在于纤维素中。由β-异头物在C1位与另一个单糖的C4位-OH连接。这种键导致多糖链形成笔直的、扁平的带状结构。这些直链能通过大量的氢键平行排列，形成极其坚韧、不溶于水的微纤维，是植物细胞壁的理想结构材料。我们体内没有能水解β-1,4-糖苷键的酶（纤维素酶）。

3. 还原性末端 (Reducing End)

定义： 在一个寡糖或多糖链中，如果一端的单糖单元还保留着一个自由的异头碳（即其C1-OH未参与形成糖苷键），那么它就可以在溶液中重新打开成链状，暴露出具有还原性的醛基。这一端就称为还原性末端。
例子： 麦芽糖（两个葡萄糖通过α-1,4键连接）有一个还原性末端。
非还原糖：蔗糖 (Sucrose) 是一个特殊的例子。它是由α-葡萄糖和β-果糖通过各自的异头碳（葡萄糖的C1和果糖的C2）连接而成。两个异头碳都被锁定在糖苷键中，没有任何一端可以开环，因此蔗糖是一个非还原糖。

总结：从原子到功能

碳水化合物的生物学功能完全根植于其精密的分子结构和立体化学：
D/L构型 决定了分子能否被生命系统“识别”和利用。
差向异构（Epimerism） 造成了代谢途径的特异性，如葡萄糖与半乳糖的代谢差异。
环化 形成了稳定的吡喃环或呋喃环，是其在水溶液中的真实形态。
α/β异头物（Anomerism） 是最关键的结构差异，直接决定了由同一单体（葡萄糖）构成的多糖是可消化的储能物质（淀粉）还是坚韧的结构材料（纤维素）。
椅子式构象 解释了为何β-D-葡萄糖在热力学上如此稳定，使其成为生命进化的“天选之子”。

 

补充：

单糖的结构以及物理化学性质
一、 单糖的结构 单糖（Monosaccharides）是最简单的碳水化合物，它们不能被进一步水解成更小的碳水化合物单元。它们的通式通常是 (CH₂O)n，其中 n ≥ 3。 单糖的结构可以从两个主要方面来理解： 1. 结构的分类（按照碳原子数量）： 它们根据碳原子的数量进行分类： 三碳糖 (Trioses): n=3，如甘油醛（醛糖）、二羟基丙酮（酮糖）。 四碳糖 (Tetroses): n=4，如赤藓糖、苏糖（醛糖）。 五碳糖 (Pentoses): n=5，如核糖、脱氧核糖（构成遗传物质）、阿拉伯糖、木糖。 六碳糖 (Hexoses): n=6，最重要的单糖，如葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖。 七碳糖 (Heptoses): n=7，如景天庚酮糖。 更高碳数的单糖: 较少见。 2. 结构的分类（按照羰基位置）： 根据分子中羰基（C=O）的位置，单糖分为： 醛糖 (Aldoses): 羰基位于链的末端（C1），形成羟醛（-CHO）。 命名: 结构中常加上“醛”字，例如葡萄糖（D-Glucose，一种醛己糖）。 酮糖 (Ketoses): 羰基位于链的内部（通常是C2），形成酮基（C=O）。 命名: 结构中常加上“酮”字，例如果糖（D-Fructose，一种酮己糖）。 3. 链状结构（Fisher 投影式）： 在解释单糖结构时，Fisher 投影式非常常用。它将链状碳水化合物表示为垂直的链，其中 C1 在顶部。水平线键表示朝向观察者（向前），垂直线键表示远离观察者（向后）。 例子：D-葡萄糖 (一种醛糖) CHO (C1, 醛基) | H–C–OH (C2, 手性中心) | HO–C–H (C3, 手性中心) | H–C–OH (C4, 手性中心) | H–C–OH (C5, 手性中心) | CH₂OH (C6, 伯醇) D/L 构型： 单糖的 D/L 构型是根据最末端手性碳（对于链状糖，通常是C5）的羟基（-OH）在Fisher投影式中的位置来决定的。 D-构型: 最末端手性碳的羟基在右边。 L-构型: 最末端手性碳的羟基在左边。 几乎所有的天然单糖都是D-构型。 差向异构体 (Epimers): 指在所有手性中心构型都相同，但只有一个手性中心（非C1或C2）的构型不同的单糖。 例子: 葡萄糖和甘露糖在C2的手性碳构型不同；葡萄糖和半乳糖在C4的手性中心构型不同。 4. 环状结构（Haworth 投影式和椅子构象）： 单糖在溶液中，特别是六碳糖和五碳糖，会发生分子内环化反应，形成更稳定的环状结构。 环化反应: 分子内的羟基（通常是C5或C4的羟基）会进攻链顶端的醛基（C1）或酮基（C2），形成半缩醛（来自醛糖）或半缩酮（来自酮糖）。 Haworth 投影式: 用于表示环状单糖，将环画成近似平面的多边形（六元环为六边形，五元环为五边形）。 环内的氧原子通常画在右上角。 取代基的位置：在环平面上方的基团用实线表示，在环平面下方的基团用虚线表示。 α 和 β-异构体: 环化形成半缩醛/半缩酮时，C1（醛糖）或C2（酮糖）碳（称为异头碳，anomeric carbon）会变成一个新的手性中心。其上的羟基与下方或平面的位置关系决定了α和β异构体。 α-异构体: 异头碳上的羟基在下方（与CH₂OH基团同侧）。 β-异构体: 异头碳上的羟基在上方（与CH₂OH基团异侧）。 例子：α-D-吡喃葡萄糖 (α-D-glucopyranose) CH₂OH / \ O OH (C1, 异头碳, OH 在下方) / \ / H C—C H | | C—C OH / \ / \ OH H OH (Haworth 投影式) 椅子构象 (Chair Conformation): 更精确地描绘了六元环（吡喃糖）的真实三维立体形状，即最稳定的椅子构象。 取代基可以是直立键 (axial)（指向环的上方或下方）或赤道键 (equatorial)（在环的“腰部”）。 通常，体积大的基团（如葡萄糖的CH₂OH，或环上的多数羟基）更倾向于占据赤道键位置，以减少空间位阻，提高稳定性。 例子：D-乖糖 (D-Glucopyranose) 存在多种椅子构象，其中最稳定的是所有取代基尽可能占据赤道键的构象。 二、 单糖的物理化学性质 1. 物理性质： 状态: 通常是无色、结晶性的固体。 溶解性: 极性强，能与水形成氢键，因此易溶于水，不溶于非极性有机溶剂（如乙醚、苯）。 甜味: 大多数单糖具有甜味，其中果糖最甜，其次是葡萄糖，半乳糖甜度较低。 旋光性: 大多数单糖是手性分子，具有旋光性，即能够使偏振光发生旋转。溶液中的单糖会发生 变旋 (Mutarotation) 现象，即α-异构体和β-异构体在溶液中会相互转化，最终达到一个动态平衡，总旋光度也随之改变。 2. 化学性质： 单糖的化学性质主要由其分子中的官能团（醛/酮基、羟基）决定。 A. 羰基的反应（体现链状结构的性质）： 尽管在溶液中主要以环状形式存在，但单糖的链状形式（或环状形式打开后的链状形式）仍然能表现出羰基的反应性。 还原性: 羰基（特别是醛基）可以被还原剂（如NaBH₄）还原为伯醇，变成糖醇（如还原葡萄糖得到山梨醇）。 重要: 具有还原性羰基（即链状醛糖或酮糖，或其能互变为链状形式的环状糖），可以还原某些金属离子，如银离子（Tollens’试剂）和铜离子（Fehling’s试剂，Benedict’s试剂），留下金属沉淀。这是鉴定单糖（或还原性二糖、多糖）的重要方法。 例子: 葡萄糖滴定。 氧化性: 羰基（特别是醛基）可以被氧化剂（如硝酸、溴水）氧化。 温和氧化: 醛基被氧化成羧基，形成糖酸（如葡萄糖酸）。 强氧化: 醛基和链末端的伯醇基都被氧化，形成糖二酸。 与胺的反应: 羰基可以与氨或伯胺反应，形成亚胺（Schiff碱）或烯胺，这是许多生物化学反应（如美拉德反应）的基础。 生成腙: 与肼类化合物（如苯肼）反应，生成有特定熔点的腙，可用于鉴定。 B. 羟基的反应（体现链状和环状结构的性质）： 由于存在多个羟基，单糖表现出醇的典型反应，但由于其位置和立体化学的特殊性，这些反应也可能具有选择性。 成醚反应: 羟基可以被烷基化剂（如硫酸二甲酯）甲基化，形成醚。 异头碳上的羟基: 当异头碳上的羟基发生成醚反应后，就不再能稳定地形成半缩醛/半缩酮，而是形成稳定的糖苷（glycoside）。 成酯反应: 羟基可以与酸（如乙酸酐）反应，发生酯化。 例子: 乙酰化葡萄糖。 形成半缩醛/半缩酮（环化）: 上面结构部分已详细说明，这是单糖最重要的反应之一，导致互变异构。 C. 异头碳的反应（环状结构的特殊性质）： 形成糖苷 (Glycoside formation): 异头碳上的羟基是一个半缩醛/半缩酮的羟基，具有一定的活性。在酸催化下，它与醇（R-OH）反应，生成糖苷。糖苷中的糖基和醇基由糖苷键（O-糖苷键）连接。 特点: 糖苷键比半缩醛/半缩酮键稳定得多，不易水解（特别是在碱性条件下）。 重要性: 许多天然存在的糖与非糖部分（称为糖苷配基）结合形成糖苷，如植物中的花青素、皂苷，以及生物体内的核苷（DNA/RNA 中糖与碱基的连接）。 水解（糖苷键的水解）: 酸催化下，糖苷键可以被水解，重新生成单糖和醇。 D. 其他反应： 脱水反应: 在强酸和加热条件下，单糖可以脱水，形成糠醛（furfural，来自五碳糖）或羟甲基糠醛（hydroxymethylfurfural，来自六碳糖），它们进一步反应可以生成焦糖。 氧化还原平衡: 溶液中的单糖在一定条件下可以发生氧化还原平衡。 总结： 单糖的结构是理解其性质的基础。链状结构提供了醛/酮基和多个羟基，决定了其还原性、氧化性等“醇”和“羰基”的典型反应。而溶液中的环化形成半缩醛/半缩酮，则赋予了单糖形成α/β异构体、变旋，以及形成稳定糖苷等独特的性质。这些结构和性质是它们在生命科学中发挥多种功能（能量来源、结构支撑、信息传递等）的关键。
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