00642 糖化學（二）

糖化學小史

馬格拉夫可以説是近代糖化學的最早開拓者。他是分離葡萄糖的第一人。他用水潤濕葡萄乾並將其軟化，榨汁濃縮後，得到了一種晶體。囿於當時的條件，他無法鑒定這種物質的結構。1792 年，另一位德國化學家洛維茨（Johann Tobias Lowitz，1757-1804年）再度從葡萄中分離出葡萄糖，並指出它與蔗糖不是同一種物質。1838年，法國化學家杜馬把這種糖命名為glucose，源自於古希臘語γλεῦκος（gleûkos，甜酒），其前綴gluc-源於希臘語γλυκύς（glykýs），意爲甘甜，後綴-ose則表明它是一種糖類。英語借用了這個詞。1843年，杜馬鋻定出糖的實驗式為[CH₂O]_n。^[1]

法國物理學家畢奧（Jean-Baptiste Biot，1774-1862年）率先研究了晶體和溶液的旋光性，並測定了葡萄糖溶液的比旋光度。普通透明物質，比如玻璃，不會改變偏振光的偏振角。但是一些具有不對稱碳原子的有機化合物和一些天然晶體擁有這種能力。1846年法國化學家杜布倫福（Augustin-Pierre Dubrunfaut，1797-1881年）發現葡萄糖溶液的旋光性不是固定的。他觀察到，在12-15°C製備的葡萄糖溶液的比旋光度几乎是畢奧測定值的一倍。如果加熱該溶液，其比旋光度會快速下降，趨近於畢奧測定值。這個過程在室溫下也會發生，但是時間將長達幾個小時。^[2]後人進一步研究發現，從水溶液結晶出來的葡萄糖熔點為146°C，將其溶解在水中後，其初始比旋光度為+112°。放置後，它的比旋光度逐漸降至+52.7°。從醋酸中結晶的葡萄糖晶體溶於水後，其初始比旋光度為+18.7°，放置也逐漸轉變為恆定值+52.7°。這個現象稱爲變旋（mutarotation）。這説明，葡萄糖在水中發生了結構變化，直至達到某種平衡。

此前已經知道，普通醛酮會發生某些特定的反應，比如和多倫試劑發生銀鏡反應，和斐林试剂生成紅色沉澱，和席夫试剂反應變紅，和兩當量的醇生成縮醛等等。很多單糖能夠發生銀鏡反應，顯示它們含有醛基或者α-碳有羥基的酮羰基。但奇怪的是，它們卻缺乏一些醛酮的反應性，比如不與亞硫酸氫鹽反應、不能使席夫試劑變紅、^[3]只能與一當量的醇反應等。同時，單糖和醇反應後的產物不再出現變旋現象。因此，單糖可能是多羥基醛或多羥基酮，但是卻可能沒有游離的醛基或酮羰基。1883年，德國化學家托倫斯（Bernhard C. G. Tollens, 1841-1918年）提出，單糖的醛基或酮羰基與自身4-位或6-位羥基形成半縮醛而失去醛酮的活性。^[4]這個建議可以解釋單糖的很多特性，但是未能引起當時學界的重視。

這個時期的糖化學處於黎明前的黑暗時刻。當時化學界已經發現了三種單糖：六碳醛糖葡萄糖和半乳糖以及一種六碳酮糖（當時被叫做左旋酮糖，就是後來的果糖）；三種二糖：蔗糖、乳糖和麥芽糖。研究者用它們理化性質的差別把它們區別開來，但對於它們的内部結構卻一籌莫展。因爲缺乏研究工具，糖類的分析非常困難。它們絕大多數無法結晶、不溶於有機溶劑、對熱敏感，甚至很難脫除其中的水分。以當時的條件，糖類幾近無法純化。年輕研究者對糖化學視爲畏途，幾乎沒有人願意涉足。

這時一名年輕的德國化學家卻逆流而上，投身到糖化學研究中。他的名字是埃米爾·費歇爾。^[5]1884年，費歇爾開始研究糖類和苯肼之間的反應。他發現，當葡萄糖和果糖與苯肼（音同井，hydrazine）一起加熱時，產生了各種理化性質完全一致的結晶化合物。這種晶體產物可以用重結晶的辦法提純，有固定的熔點，便於分析。後來這種化合物被證明為脎（音同薩，Osazone）。不久費歇爾發現，在較低溫度下糖與苯肼的反應生成苯腙（音同宗，hydrazone），再進一步才生成脎。這個反應相當通用：不管是醛糖還是酮糖，都可以用這種方法鑒定。對醛糖，反應位點是醛基和臨位的碳（C-2）；對酮糖，反應位點是酮羰基和臨位的碳（C-1）。

1887年，費歇爾用這些新反應發現了一種新己糖：用稀硝酸氧化甘露醇，然後用產物和苯肼反應。結果是甘露糖苯腙，與葡萄糖苯腙是同分異構體，但進一步反應的結果卻是同一種脎。如果甘露糖和葡萄糖都是己醛糖，它們的區別一定是在C-2位。後來還發現，果糖苯腙和葡萄糖苯腙、甘露糖苯腙是同分異構體，它們的脎是同一種物質。當時已經知道果糖是酮糖。這些實驗結果説明，果糖和甘露糖與葡萄糖的區別也是在C-2位，C-3到C-5碳的結構應該完全相同。C-1和C-6碳在立體化學上不重要，因爲它們在醛糖和酮糖中均不是不對稱碳。

1889 年，費歇爾首次使用了荷蘭化學家范特霍夫和法國化學家勒貝爾的四價碳理論來解釋他的實驗結果。他推斷，單糖的碳原子和四種不同基團連接之後，產生了立體異構現象。但如何用實驗證實這種現象并把所有單糖的立體構型確定下來卻是個巨大難題。這時費歇爾的同事基利安尼（Heinrich Kiliani，1855-1945年）發現了一個新反應。他用醛糖與氰化鈉加成生成腈（音同晶）醇。腈醇加熱水解後生成糖酸，分子內環化成為內酯，最後用鈉汞齊還原後得到多一個碳原子的醛糖。用這個方法，基利安尼確認了阿拉伯糖是一種直鏈戊醛糖，葡萄糖和半乳糖是己醛糖，而果糖是2-己酮糖。這個反應不具備任何立體選擇性，因此產物總是有兩種，互爲鏡像。

費歇爾使用這個反應「升級」戊醛糖，一步增加一個碳原子，直到辛糖（九碳糖）；他還用這個反應「升級」甘油醛，直至生成己糖。1891年是費歇爾的「奇跡之年」。^[6]在兩篇論文中，通過D-甘油醛，費歇爾確定了所有8種己醛糖異構體的絕對立體構型。至此，糖化學的面紗終於被揭開了。由於費歇爾在糖化學上的建樹，他被授予1902年諾貝爾化學獎。頭一年的獲獎者是荷蘭化學家范特霍夫。

費歇爾揭示的只是直鏈糖的立體化學。這是個良好開端，但更多的謎團還有待解開，比如單糖以及某些二糖爲什麽會變旋。1895年，法國化學家譚雷（Charles Joseph Tanret, 1847-1917年）發現，天然葡萄糖至少有三種可以分離的變體：α-、β-、γ-葡萄糖。^[7]它們有不同的比旋光度，都能變旋。費歇爾的英國助手阿姆斯特朗（Edward Frankland Armstrong，1878-1945）得知了多倫的半縮醛理論，並受到某些醇酸能輕鬆形成内酯的啓發，提出直鏈醛糖和直鏈酮糖可能會生成環式結構。他從甲基葡萄糖苷的異構體入手，用實驗確立了譚雷的α-和γ-葡萄糖與α-甲基葡萄糖苷和β-甲基葡萄糖苷之間的對應關係。^[8]他首次提出甲基葡萄糖苷不是直鏈，而是可能以五元環半縮醛的形式存在。^[9]在這種半縮醛中，葡萄糖C-4上的羥基和C-1位的醛基形成了半縮醛。這相當完滿的解釋了爲什麽單糖擁有醛酮基但卻不能發生一些醛酮的典型反應。它還有助於解釋天然葡萄糖存在的變體：半縮醛生成的時候，端基碳（anomeric carbon，又叫異頭碳）上的新羥基有兩種取向：下和上。它們分別對應於α-甲基葡萄糖苷和β-甲基葡萄糖苷。更重要的是，變旋現象有了一個全新的、更合乎邏輯的解釋。

如果環化是一個可以接受的方案，那麽葡萄糖中只有C-4上的羥基才能和醛基反應嗎？C-3上的羥基顯然很難反應，因爲產物將是四元環，其環内張力太大而不可能自發形成。C-5上的羥基如果生成半縮醛將產生六元環，C-6上的羥基將產生七元環。而這兩種環是相當常見的。因此從理論上來説，六元環或七元環的糖是有可能是存在的。1926年，英國化學家哈沃斯（Walter Norman Haworth，1883-1950年）以實驗證明葡萄糖、半乳糖和甘露糖的C-5的羥基均可以和其醛基生成半縮醛，產物均是六元環。和五元環半縮醛類似，六元環的端基碳上的新羥基也有兩種取向：下和上。^[10]七元環結構也許存在，但未觀察到。後來發現，相比五元環或六元環，四元環（及以下）和七元環（及以上）半縮醛要麽很難自發生成，要麽含量極低以致無法檢測。^[11]

在費歇爾開展糖化學研究40多年之後，化學界對糖類的結構終於有了一個全局性的認識。下面以葡萄糖來説明其要點：

• 葡萄糖存在所謂的「鏈-環」互變異構化。其鏈式包括兩種：直鏈羥基醛以及醛基水合物。其環式包括四種主要形式：兩種呋喃糖（五元環）和兩種吡喃糖（六元環）。一般狀況下，這些結構無論在固態和溶液中均存在，只是量有不同。
• 在通常狀況下的中性水溶液中，環式葡萄糖佔絕大多數，直鏈結構很少。它們處於動態平衡中。環境變化（比如溫度、壓力、pH、能和醛基和羥基反應的物質等）可導致該平衡移動，直至達到形成新的平衡。
• 在特定條件下，可以分離出部分立體構型單一的純環式葡萄糖。它們的比旋光度均不同。一旦溶於中性水，就會發生變旋，達到一個和該條件下平衡組分相應的比旋光度。這就是變旋現象的根源。不管從哪一種環式葡萄糖出發，相同條件下總能得到相同的平衡組分。
• 環式葡萄糖（不管哪一種形式）僅有一個端基羥基，因此僅能和一當量的醇反應生成半縮醛。
• 葡萄糖能發生銀鏡反應，是因爲少量直鏈醛被氧化后，環式葡萄糖轉化爲直鏈醛。它不與亞硫酸氫鹽反應、不能使席夫試劑變紅，是因爲這些試劑反應較多倫試劑緩慢，在相同的時間内只有銀鏡反應能觀測到結果。

和費歇爾的時代相比，現代分析手段的出現大大加速了糖化學的發展。比如使用高分辨核磁共振技術，葡萄糖直鏈和環式異構體的量可以直接測定，費時不過幾分鐘。這在19世紀末和20世紀初需要幾個星期的功夫。因此，以上先驅者們的貢獻更顯得意義非常。

當單糖的研究剛剛起步時，人們發現它們的通式總是符合C_m(H₂O)_n的形式，看上去就是碳經過水化之後的結果。故称碳水化合物。比如葡萄糖、果糖等六碳糖的分子式为C₆(H₂O)₁₂，蔗糖的分子式为C₁₂(H₂O)₁₁等。但后来发现，比如鼠李糖分子式為C₆H₁₂O₅，脱氧核糖為C₅H₁₀O₄。另一方面，有些化合物虽然分子式符合糖的通式，但并不屬於糖類。這類化合物包括如乙酸C₂(H₂O)₂，乳酸C₃(H₂O)₃等。因此糖類絕不簡單是碳和水的化合物。因為歷史原因，這個名稱沿用至今。

糖類是生物圈產量最大的分子。最常見的糖不是蔗糖也不是葡萄糖，而是多糖，比如細菌的細胞壁、植物中存在的澱粉、纖維素以及動物體内的糖原元。它們提供結構支撐、參與分子識別和免疫、儲存並供應能量。一個健康人的血液中，血糖的濃度總是在每升血液700到1000毫克。因此一個體重70公斤的人在任何時候總有4-5克葡萄糖在其血液中，其中60%供應大腦。^[12]因此，人在血糖低於每升血液700毫克時可能造成嚴重後果。

題圖：人類很久以前就知道穀類食品含有豐富的糖類。（來源：wikicommons，公有領域）

引用和注釋

[1] ^{蔡孟深; 李中軍. 糖化學(基礎、反應、合成、分離及結構), 北京: 化學工業出版社, 2007.}

[2] ^{DOI: 10.1016/S0096-5332(08)60167-8.}

[3] ^{後世開發出的PAS染色法（Periodic Acid-Schiff stain）有時也被錯誤的叫做席夫試劑。最初的席夫試劑只含有鹼性品紅與亞硫酸氫鈉。}

[4] ^{張殷全. 大學化學, 2006, 21 (1), 69.}

[5] ^{關於費歇爾的糖化學研究歷程，本文參考了以下綜述：DOI: 1）10.1002/anie.199215413； 2）10.1002/anie.199215413；3）10.1016/S0065-2318(00)55006-9; 4) Ramakrishnan, S. 2004, Textbook of Medical Biochemistry. Orient Blackswan. ISBN 9788125020714.}

[6]^{正如1905年是愛因斯坦的「奇跡之年」。這一年愛因斯坦發表了狹義相對論、光電效應、布朗運動和質能等價關係。。}

[7] ^{Tanret, C. Sur les modifications moléculaires du glucose. Comptes Rendus 1895; 120: 1060–1062.}

[8] ^{譚雷的β-葡萄糖被發現是一種α-和γ-葡萄糖混合物，而不是純化合物。}

[9] ^{Armstrong E. F. J. Chem. Soc. 1903, 83, 1305. DOI:10.1039/CT9038301305.}

[10] ^{DOI: 10.1039/JR9262902303.}

[11] ^{DOI: 10.1021/ja01141a030.}

[12] ^{Wasserman, D. H. Four grams of glucose. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 2009, 296 (1): E11–21. DOI:10.1152/ajpendo.90563.2008.}