00643 糖化學（三）

碳水化合物的結構

單糖的直鏈結構

上文已經提到，單糖的化學本質就是多羥基醛（醛糖）或多羥基酮（酮糖）。最簡單的單糖含有三個碳原子，稱為三糖，比如甘油醛。最簡單的酮糖是二羥基丙酮。其它常見的醛糖和酮糖中，含有四個碳稱作丁糖，又叫做四碳糖。再往上有戊糖（五碳）、己糖（六碳）和庚糖（七碳）。己糖在自然界中最為豐富，包括葡萄糖、果糖等。但兩種五碳糖對於生命來説最爲重要：核糖和脫氧核糖。它們分別是RNA和DNA的構件。丁糖和庚糖是光合作用和代謝中的重要分子。單糖都具有甜味。以蔗糖為甜度標準的話，葡萄糖不及蔗糖（約爲75%），而果糖更甜（可達170%^[1]）。反過來説，甜味并不只限於多羥基醛、酮。比如簡單分子丙三醇（甘油），其甜度和葡萄糖相差不大。

對於糖類，一般不采用系統命名法（學名），而是使用常用名。比如葡萄糖的學名是(+)-(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-五羥基己醛，常用名是D-(+)-葡萄糖。一對比就能看到，學名又長又拗口，常用名簡單易用。另一方面，學名信息量大，名字和結構緊密聯係。而常用名基本不含結構信息。對於初學者，如何記住8種D-己醛糖和4種D-己酮糖的構造確實是個不小的難題。

那麽含有多少羥基才能被叫做糖？還以D-葡萄糖爲例。如果C-2、3、4、5、6位上的任何一個羥基被氫代替，得到的產物通常叫做脫氧葡萄糖。比如C-3位羥基缺失，應稱爲3-脫氧D-葡萄糖。如果有兩個羥基被氫取代，可稱爲二脫氧葡萄糖，比如3，4-二脫氧-D-葡萄糖。如果有更多的羥基缺失，一般就不再稱爲糖，而按照羥基醛來命名。比如葡萄糖C-3，4，6-位都沒有羥基，通常稱爲2，5-二羥基己醛。天然酮糖的羰基都在C-2位，比如D-果糖。這類酮糖被稱為2-酮糖。如果有酮糖的羰基在C-3位，則稱為3-酮糖，以此類推。

那麽葡萄糖學名中的R/S以及常用名中的D/L又是什麽意思呢？在蛋白質化學一節中，我們已經簡答地描述了D/L命名法則的來源。1840年代，科學界已經認識到某些晶體和一些有機化合物分子具有光學活性，即它們能偏轉線性偏振光的偏振角，稱爲旋光性。如果一種分子能把偏振光向左偏轉，這種物質就是左旋的，記作(-)-或者l-，兩者都表明該物質的旋光方向。比如後來發現的天然果糖（即D-果糖），當時被叫levulose（即左旋糖）。反之，右旋物質的名稱前會加上(+)-或者d-，指明它能把偏振光向右偏轉。^[2]

1848年，法國生化學家巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895）發現旋光性和分子的内部結構有關。酒石酸是葡萄酒生產的副產品，具有旋光性。而人工合成的酒石酸，雖然在化學構成上和天然產物相同，卻沒有旋光性。巴斯德通過結晶分離不出了兩種互爲鏡像的晶體。把它們分別溶於水中，二者的水溶液均有旋光性，比旋光度相同，但是方向相反。將二者等量一起溶於水，得到的溶液沒有旋光性。這充分證明，旋光性是某些分子的固有特性。^[3]在此基礎上，少數這種分子的特性能夠反映到宏觀尺度上來，表現形式就是互爲鏡像的晶體。

1874年，荷蘭化學家范特霍夫以及法國化學家勒貝爾獨立提出了四價碳理論。他們認爲，在通常狀況下，有機化合物中的碳原子只能結合四個基團。^[4]因爲共價鍵不能輕易斷開然後再生成，這個理論立刻導致一個推論：如果四個基團都不相同，那麽四個基團在空間上能形成兩種不同的空間排佈，兩者互爲鏡像。這個現象被稱爲立體異構（stereoisomers），兩種構型稱作對映異構體（enantiomers，偶爾叫做antipodes^[5]）。此類碳原子被稱爲不對稱碳（assymetric carbon）或者立體中心（stereocenter）。由於對映異構體在空間上無法重合，但卻可以和對方的鏡相重合，就像人的兩隻手一樣，所有又被叫做手性異構（chirality）。因爲初期觀察到的對映異構體都具有光學活性（即旋光），它們又被稱作光學異構體（optical isomers）。這些名詞在描述只含有一個不對稱碳的化合物時可以通用。但是對於更複雜的分子，其含義可能不夠精確甚至誤導。我們將在立體化學一節更詳細的討論光學異構現象和名詞。

不對稱碳是光學異構現象的最常見來源，但不是唯一來源。^[6]含有手性碳的最小碳水化合物是甘油醛，有兩種光學異構體，分別是d-甘油醛（即(+)-甘油醛，右旋）和l-甘油醛（即(-)-甘油醛，左旋）。它們都含有一個不對稱碳原子，即C-2碳。費歇爾當時不知道如何確定C-2的絕對構型，於是假設在其費歇爾投影式中，d-甘油醛緊鄰其羥甲基的的羥基——即其不對稱碳的羥基——在中綫右邊。他把這種構型稱作D-構型。而l-甘油醛的C-2羥基在中綫左邊，費歇爾把它記作L-構型。因此，D/L構型和旋光性沒有直接關聯，而是描述不對稱碳的絕對構型。D-甘油醛是右旋的，這只是個巧合。比如D-果糖就是左旋的。D-甘油醛的全名是D-(+)-甘油醛，而D-果糖是D-(-)-果糖。這樣絕對構型和旋光性就聯係起來了。酮糖的立體異構體要少於醛糖，因爲前者的羰基不能在端基，因此比後者少一個不對稱碳。比如二羥基丙酮不含手性碳原子，沒有光學異構體。

d/l-命名系統現在已經基本不再使用。原因之一是它和(+)/(-)-功能重合，都指旋光的方向，除此之外不能提供更多的信息。其二，現在已經有關於光學異構現象的系統命名法。這個規則不僅涵蓋碳中心的立體異構，還能描述以其它元素為立體中心的分子；不僅涵蓋了基於不對稱中心的立體異構，還能描述擁有其它不對稱元素的立體異構現象。其超越d/l-系統的功能遠矣。這兩種系統不是一一對應的，而是相互衝突。

對於含碳數量高於甘油醛的糖，如何確定其立體構型？和氨基酸一樣。以葡萄糖爲例。首先我們把該分子氧化程度最高的碳（醛基碳，即C-1）放在一個平面的頂部，其氧化程度最低的羥甲基（C-6）在底部，通過投影得到其費歇爾投影式。緊鄰其羥甲基的不對稱碳羥基（即C-5羥基）如果在中綫右邊，則爲D-構型；反之則爲L-構型。天然葡萄糖就是D-型糖，同時是右旋光的。其全名是D-(+)-葡萄糖。

通過這個例子可以看出，所謂D/L-構型只取決於分子中的一個碳原子。因此其信息量多於d/l-命名系統，但也是很有限的。對於D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖，其它不對稱碳的構型如何，我們無從得知。生物化學一直沿用D/L-命名法，因爲只要能夠區分天然葡萄糖與其對映體就足夠了。而對於有機化學，這個系統就遠遠不夠了，因爲我們需要關注每一個碳的構型。

於是就有了國際純粹和應用化學聯合會（IUPAC）推薦的CIP規則。^[7]考慮一個和四個不同基團相連的碳原子。按照每一個基團的原子序數，把序數最小的基團放在離你最遠的地方，然後把剩餘三個基團按照原子序數從大到小連接起來。如果其旋轉方向為順時針，則該手性碳為R-構型（來自拉丁語rectus，右旋）；反之則為S-構型（來自拉丁語sinister，左旋）。需要指出的是，D/L-命名法和CIP規則也不完全相容。比如，20種標準氨基酸中，甘氨酸沒有光學異構體；其餘19種都是L-構型。其中L-半胱氨酸是R-構型，剩下18種L-氨基酸都是S-構型。所以D/L-命名法和CIP規則也不儘相容。雖然延續至今，其應用基本只限於氨基酸和糖類。

丁醛糖有兩個手性碳（C-2和C-3）。每個手性碳上的羥基可能指向兩個方向：左或有。因此丁醛糖有2²=4種立體異構體：D-和L-赤蘚糖（Erythrose），D-和L-蘇阿糖（Threose）。赤蘚糖中，C-2和C-3的羥基在費歇爾投影式的同一側；蘇阿糖的則在不同側。D-/L-赤蘚糖與D-/L-蘇阿糖都是對映異構體，它們彼此互爲鏡像。任何一個赤蘚糖與兩種蘇阿糖都是非對映異構體；反之亦然。D-赤蘚糖和D-蘇阿糖的差異在於C-2羥基的構型相反，但C-3羥基的構型相同。這種只有一個手性碳構型相反但至少有另一個構型相同的手性中心的分子有一個特殊名稱：差向異構體（epimers）。一般需要指出構型不同碳的位序。比如，D-赤蘚糖和D-蘇阿糖是C-2差向異構體，即它們的C-2羥基構型相反。丁酮糖只有兩個手性碳（C-2），共有兩種立體異構體：D-赤蘚酮糖（D-Erythrulose）和L-赤蘚酮糖（L-Erythrulose）。它們是對映異構體。

戊醛糖具有3個手性碳，共有2³=8種可能的立體異構體：四種D-型和四種L-型。己醛糖有4 個手性碳和2⁴=16種立體異構體（八種D-型和八種L-型）。戊酮糖具有2個手性碳，共有2²=4種可能的立體異構體：兩種D-型和兩種L-型。己酮糖有3個手性碳和2³=8種立體異構體（四種D-型和四種L-型）。大多數戊糖和己糖不常見，也沒有已知重要的生理功能。我們只需要瞭解幾種重要的天然戊糖和己糖，比如D-(-)-核糖、2-脫氧-D-(-)-核糖、D-(+)-葡萄糖、D-(-)-果糖、D-(+)-半乳糖、D-(+)-甘露糖等等。

題圖：路易·巴斯德在實驗室工作，阿爾貝特·埃德費爾特繪於1885年。（來源：wikicommons，公有領域）

引用和注釋

[1] ^{Helstad, S. Corn Sweeteners, in Corn, 2019. DOI: 10.1016/B978-0-12-811971-6.00020-6.}

[2] ^{l-和d-均來自拉丁語。levu-意爲左， dextro-意爲右。開始時，葡萄糖被叫做dextrose，即右旋糖。}

[3] ^{參見Flack, H. D. Louis Pasteur’s discovery of molecular chirality and spontaneous resolution in 1848, together with a complete review of his crystallographic and chemical workActa Cryst. (2009). A65, 371–389 doi:10.1107/S0108767309024088.}

[4] ^{後來發現，碳原子也可能結合三個集基團（碳正離子、碳自由基）或者五個基團（比如SN2反應過渡態）。但是這些特殊的碳化合物在通常狀況下（20-25°C，50%相對濕度，一個大氣壓）要麽極其不穩定，要麽轉瞬即逝，無法分離。某些穩定碳正離子的鹽可以分離並結晶，但是對水汽和氧氣極其敏感。}

[5] ^{Anti來自希臘語，指相對的。Podes也來自希臘語πούς，意爲脚。人的雙脚也是不對稱的，彼此在空間上無法重合，但可以和對方的鏡像重合。既然可以用人的手來比喻立體異構現象，脚當然也可以。}

[6] ^{本節我們將忽略其它手性因素，而集中在基於不對稱碳的手性分子和光學活性。}

[7] ^{CIP優先規則是三位化學家姓氏的首字母縮寫：Robert Sidney Cahn、 Christopher Kelk Ingold和Vladimir Prelog。規則全文見：https://publications.iupac.org/pac/1976/pdf/4501x0011.pdf，首發於1974年。這裏僅做簡單説明。}