段雙庚 盧 彥 李 俊 丁 智 楊榮武?

（1 江蘇省大港中學(xué) 江蘇鎮(zhèn)江 212028 2 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 210023）

生物化學(xué)課程主要是學(xué)習(xí)生物體內(nèi)各種組分，例如，糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸等生物分子的結(jié)構(gòu)和功能。由于糖類化合物的結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)簡單，概念性定義較多，內(nèi)容易教易學(xué)，并且與有機(jī)化學(xué)課程有部分重疊，因此，一些教師不重視糖類生物化學(xué)。近年，人們逐漸認(rèn)識(shí)到糖類除了作為能源物質(zhì)，還具有其他一些重要的生物學(xué)功能，例如，參與分子識(shí)別等。目前，糖鏈的研究已被公認(rèn)為是繼蛋白質(zhì)和核酸的研究后，探索生命奧秘的第3 個(gè)里程碑[1]。近期，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)寡糖鏈可與非編碼RNA 共價(jià)結(jié)合在一起形成糖RNA（glycoRNA），且這種帶有糖衣的RNA 可定位在細(xì)胞表面[2]。由此可見，糖類這一章講解應(yīng)是生物化學(xué)教師的必備技能。本文對(duì)糖的還原性進(jìn)行深度思考，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)酮糖的還原糖屬性。

1 糖的還原性和還原糖

據(jù)調(diào)查，部分學(xué)生對(duì)還原糖的概念存在錯(cuò)誤理解，他們認(rèn)為：還原糖就是具有還原性的糖。這點(diǎn)比較容易糾正，具有高中化學(xué)知識(shí)的學(xué)生，只要記住糖的基本結(jié)構(gòu)定義，即多羥基醛，或是的聚合物或衍生物，便能很快認(rèn)識(shí)到還原糖和還原性之間無法畫等號(hào)。還原性是指在化學(xué)反應(yīng)中被氧化的物質(zhì)失去電子的能力。一種物質(zhì)失電子能力越強(qiáng)，其還原性就越強(qiáng)；反之，物質(zhì)失電子能力越弱，其還原性就越弱。物質(zhì)的還原性是相對(duì)的，需要有參照物，這里的參照物就是配套的氧化劑是強(qiáng)還是弱。因此，不能簡單地將一種糖類化合物概括為具有還原性或不具有還原性。

還原糖的定義是什么？經(jīng)查閱生物化學(xué)經(jīng)典教材，將有關(guān)還原糖定義和說明內(nèi)容，分別摘錄在表1 中。比較表1 中幾種還原糖的定義，不難發(fā)現(xiàn)，還原糖都與斐林試劑（Fehling's solution）這種弱氧化劑有關(guān)，即能被弱氧化劑（例如，Cu2+和Ag+）氧化或能將弱氧化劑還原的糖。其中，斐林試劑是一種可鑒別還原性物質(zhì)的試劑，一般由氫氧化鈉與硫酸銅溶液配制而成，由德國化學(xué)家赫爾曼·馮·斐林在1849 年發(fā)明。Fehling 試劑常用于鑒定可溶性還原性糖，可與還原性糖反應(yīng)生成磚紅色沉淀。此處強(qiáng)調(diào)弱氧化劑非常關(guān)鍵，若是包括強(qiáng)氧化劑（例如，硝酸），則所有的糖類化合物都是還原性的。朱圣庚等［4］在《生物化學(xué)》上冊給出的定義是“能使Fehling 試劑還原的糖，稱為還原糖”。該教材明確了還原糖的參照物其實(shí)是二價(jià)的銅離子。而在楊榮武等［3］的《生物化學(xué)原理》一書中，明確指出“能被弱氧化劑氧化的糖才是還原性糖”，并總結(jié)出“所有的單糖都是還原糖，所有的多糖都不是還原糖，而寡糖有的有、有的沒有”的結(jié)論，該結(jié)論是清晰明確還是略顯草率？

表1 經(jīng)典教材中還原糖的定義

2 單糖還原性的爭議

雖然大多數(shù)大學(xué)生物化學(xué)教材對(duì)于還原糖的定義非常明確，但在網(wǎng)絡(luò)上仍有許多爭議。其中有部分是對(duì)還原性與還原糖的概念模糊造成的。此外，最簡單的酮糖，即1，3-二羥基丙酮（以下稱二羥基丙酮），是否屬于還原糖也令人困惑（圖1A和B）。在高中教輔書（圖1D）中特別指出：二羥基丙酮是非還原糖。在百度百科的詞條上（圖1C），二羥基丙酮也被標(biāo)記了非還原糖屬性。還有一些文獻(xiàn)也提出了二羥基丙酮是非還原糖的觀點(diǎn)，但并沒有給出令人信服的理由[6-7]。筆者推斷：這可能是由于“所有的醛糖都是還原糖”已是共識(shí)，但酮糖的還原糖屬性在大部分的教材中并未明確提及。從圖1 總結(jié)，這些討論都傾向于認(rèn)為：二羥基丙酮屬于非還原糖。

圖1 二羥基丙酮還原糖屬性的爭議

在體外，由于單糖中的醛糖與2-酮糖可在稀堿溶液中通過烯二醇中間物實(shí)現(xiàn)互變，在細(xì)胞內(nèi)，則有專門的異構(gòu)酶——磷酸丙糖異構(gòu)酶催化磷酸化的甘油醛（3-磷酸甘油醛）和磷酸化的二羥基丙酮（磷酸二羥丙酮）相互轉(zhuǎn)變，而Fehling 試劑中含有稀堿溶液，故堅(jiān)持二羥基丙酮是還原糖觀點(diǎn)的人認(rèn)為：既然果糖（六碳酮糖）是還原糖，則二羥基丙酮（三碳酮糖）也應(yīng)屬于還原糖。持反對(duì)意見的理由是：二羥基丙酮的2 號(hào)位為羰基不易被氧化，1 號(hào)位羥基氧化成為羰基，則導(dǎo)致1，2 號(hào)位置電子云密度過大，負(fù)電荷過于集中，產(chǎn)物不穩(wěn)定。以上特性造成二羥基丙酮不易被氧化，即不具有明顯的還原性。

3 二羥基丙酮的還原糖屬性實(shí)驗(yàn)

以上正、反觀點(diǎn)都有一定道理，是否有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二羥基丙酮為還原性糖？筆者未查到利用實(shí)驗(yàn)直接確定二羥基丙酮是否為還原糖的文獻(xiàn)。為此，從上海拓旸生物科技有限公司購買了5 g二羥基丙酮，設(shè)計(jì)并完成以下實(shí)驗(yàn)，用以確認(rèn)二羥基丙酮的還原糖屬性。

常見的還原糖定性實(shí)驗(yàn)主要是采用Fehling試劑和本尼迪特（Benedict）試劑，其中，本尼迪特試劑，也稱班氏試劑、本尼迪克試劑、本尼迪克試液或班乃德試劑，是一種淺藍(lán)色化學(xué)試劑，為Fehling 試劑的改良試劑?？紤]到Fehling 試劑的常用性，決定使用Fehling 試劑驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)試劑

1）試管（10 支）。

2）微量加樣器（1 mL）。

3）沸水浴裝置。

4）Fehling 試劑A：稱取硫酸銅（CuSO4·H2O）3.45 g，溶于蒸餾水并稀釋至50 mL。

5）Fehling 試劑B：稱取氫氧化鈉12.5 g，酒石酸鉀鈉13.7 g，溶于蒸餾水并稀釋至50 mL。

6）2%淀粉溶液：稱取0.2 g 淀粉定容在10 mL熱的蒸餾水中。

7）2%蔗糖溶液：稱取0.2 g 蔗糖定容在10 mL蒸餾水中。

8）2%葡萄糖溶液：稱取0.2 g 葡萄糖定容在10 mL 蒸餾水中。

9）2%二羥基丙酮溶液：稱取0.2 g 二羥基丙酮定容在10 mL 蒸餾水中。

3.2 實(shí)驗(yàn)操作 各取20 mL Fehling 試劑A 和B，混合于燒杯中，即為Fehling 試劑，即混即用。取8只試管，洗凈烘干，按表2 操作。

表2 二羥基丙酮還原糖鑒定實(shí)驗(yàn)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)顯色結(jié)果如圖2（見插頁2）， 描述性結(jié)果如表3。

表3 二羥基丙酮還原糖鑒定實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與討論

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 二羥基丙酮為還原糖，其與Fehling 試劑可快速反應(yīng)。

4 二羥基丙酮的還原糖屬性實(shí)驗(yàn)的反思

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為二羥基丙酮與Fehling 試劑能反應(yīng)的原因是（圖3）：其2 號(hào)位的羰基在堿性條件下生成非?；顫姷南┒冀Y(jié)構(gòu)，1 號(hào)位羰基再與二價(jià)銅離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，羰基被氧化成為羧基，二價(jià)銅離子被還原成一價(jià)銅離子，生成氫氧化亞銅，加熱后變成氧化亞銅沉淀，溶液由藍(lán)色變成紅棕色，且有沉淀析出。而認(rèn)為二羥基丙酮不是還原糖的觀點(diǎn)則只關(guān)注了其1 號(hào)位置上的羥基，認(rèn)為該羥基無法被氧化成羰基，因此，沒有還原性。在確認(rèn)二羥基丙酮屬于還原性糖后，從楊榮武主編的《生物化學(xué)原理》得出的“所有的單糖都是還原糖，所有的多糖都不是還原糖，而寡糖有的有、有的沒有［3］”的結(jié)論是完全成立的。

圖3 二羥基丙酮在堿性條件下通過烯二醇中間物與甘油醛的互變

糖的Fehling 實(shí)驗(yàn)是經(jīng)典還原糖實(shí)驗(yàn)，目前也常用于產(chǎn)物為還原糖的化學(xué)反應(yīng)的定性檢測，或鑒定某些催化上述反應(yīng)的酶的活性，例如，乳糖酶活性檢測[8]。Fehling 實(shí)驗(yàn)在部分高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中已開展，在大學(xué)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中也屬于重要的糖鑒定實(shí)驗(yàn)。但實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較為簡單，一般是對(duì)幾種經(jīng)典的還原糖和非還原糖進(jìn)行測定。筆者認(rèn)為不妨將其升級(jí)，以問題為導(dǎo)向，在講解完畢糖的化學(xué)性質(zhì)和經(jīng)典化學(xué)反應(yīng)后，向?qū)W生提出：“二羥基丙酮是否為還原糖？”這一問題。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生查找資料，進(jìn)行理論分析，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這一過程不僅在課堂上重現(xiàn)了科學(xué)研究的經(jīng)典步驟，即發(fā)現(xiàn)問題→提出假設(shè)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還可加深學(xué)生對(duì)糖的還原性質(zhì)的理解。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，鼓勵(lì)學(xué)生詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過查找資料等方法，對(duì)幾種糖的反應(yīng)過程的現(xiàn)象差異進(jìn)行討論。

教師在授課過程中會(huì)接觸到各種超出教材內(nèi)容的問題，這些問題看似簡單，但很難找到明確的答案。生物化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，直接設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決的問題，比通過理論推演更令人信服，教師在教學(xué)過程中，不僅要傳播理論知識(shí)，更要教會(huì)學(xué)生辯證地思考問題和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仳?yàn)證結(jié)論。