正如蛋白质化学的发展糖类的结构基础也是由欧洲诸多有机化学实验室奠定的。在某种意义上，生命科学中的糖化学始于1891年，当时由杰出的化学家埃米尔 · 费希尔（Emil Fischer）提出了D(+)－葡萄糖构型的著名证据，他因此获得了诺贝尔奖这一殊荣、随着生物化学这门学科的发展，糖化学已成为糖原酵解和葡糖异生等一系列重大发现的同义词。1900年前后，科学家认识到糖类有时能与蛋白质缔合，这一事实证实了有关粘蛋白组成的早期报道。到1949年，已确证糖类聚合物可对多肽链进行共价修饰。神经氨酸直到后来才被确认，这是由于与所有其他糖类不同，它们通常不是以游离单糖的形式出现。然而，最初引起世界各国科学家兴趣的却是蛋白质以及后来发现的核酸。而根源于中间代谢以及天然产物的化学研究的、作为生物学效应物或蛋白质功能决定子的单糖以及糖类聚合物的认真研究反而受到冷落。
一、易变性和异质性
科学家之所以转向这一领域的研究似乎是由于有关糖类聚合物功能的重要性“受冷落者的大声疾呼”。呼声之一来自里斯（D. A. Rees，目前是英国医学研究委员会的主要成员），它在60年代中期引起了对糖类以及糖类聚合物的广泛研究。当时的物理化学家对确定糖类聚合物的正式结构作出了重大贡献。他们并且指明了了解这类生物聚合物惊人的易变性的途径（事实上，将单糖连接起来的途径比将氨基酸连接起来形成生物聚合物的途径要多得多）。糖类聚合物所具有的产物凝胶形成特性、持水性、蛋白酶抗性、硬性和弹性以及中性或高电荷特性似乎已足以解释为什么它们会在细胞表面以及间质组织中存在。
如此看来，多糖类以及蛋白多糖对于构建限制细胞转移、过滤或保留生物聚合物以及其他代谢物的障壁（基底膜，细胞外被多糖）是十分必要的，并且它们在建造骨组织、软骨组织以及其他结构组织的过程中也是不可缺少的。带有较少或较多复合低聚糖链的糖蛋白仍是一个谜。它们的异质性（或称不均匀性；正开始被注意到）表明它们缺乏特异的功能。曾几何时，许多科学工作者都简单地把糖蛋白中的糖类的主要作用看作是保护其对蛋白酶敏感的位点。
二、糖生物学获得公认
目前，人们的认识已经发生改变。那些坚守在这一领域的科学家们因为他们坚定不移的信念而开始硕果累累。于是，我们有了生物科学的一个“新的”分支——糖生物学，以及新的术语，包括像“糖仿glycoform”这样的名词。药物化学家在糖类药物（如合成性肝素，能增强抗凝并酶－Ⅲ的抗凝活性）的研究工作正在逐步增多。毫无疑问，我们除了“肽仿学peptidomimetics”以外，还将很快见到“糖仿学glycomimetics”。糖生物学家的时代已经到来。
三、糖类轭合物
多少年来，科学家们一直在专心研究肽类及蛋白质。糖生物学对许多生物科学家来说还是比较陌生的包括一些与蛋白质特性有关的内容。因此，这里有必要先简单地介绍一下糖类轭合物（主要是聚糖蛋白轭合物）。大多数类型的生物聚合物以及细胞膜上的类脂类可与糖类或糖类聚合物形成轭合物（见表1）。一般有三种主要类型的蛋白糖类轭合物：（1）与天冬酰胺（Asn）键合（N端与GlcNAc连接）；（2）与丝氨酸（Sor），苏氨酸（Thr）或羟基赖氨酸（hydroxylysine）键合（O位与GalNAc，Xyl或Gal连接）以及（3）通过磷酸肌醇聚糖——“GPI或PIG拖尾”与脂类键合（蛋白质－CONH-Et-OP(O)2O－聚糖O－肌醇磷脂）。
1. N端连接的聚糖
近来所获得的有关糖类轭合物的认识大多数来自血清糖蛋白的结构研究。N端连接的聚糖在其顺序，配糖键正位异构性以及寡聚糖链的取代方面显示出广泛的变异。大多数血清糖蛋白中带有两个以上的寡聚糖链。
2-O位连接的聚糖
O位糖基化是在酵母细胞中的内质网或哺乳动物细胞中的高尔基体上进行的。O位连接的聚糖可通过将糖类直接加到蛋白质上获得，并不需要有脂类载体的参与。它们的糖链通常比N端与天冬酰胺连接的聚糖要简单一些，并且只含有较少的分支。这类聚糖有一个相似的中心结构并由少数几个基团修饰，但是我们对这种底物糖基化的要求仍知之甚少。
在过去10年中，曾利用哺乳动物及酵母细胞对附着到蛋白质的寡聚糖类的生物化学和细胞生物学进行了大量研究。在许多实验室中，科学研究与意外发现的许多科学事实的完美结合加深了对这些寡聚糖类的认识。这些意外的科学发现中包括温度敏感型酵母菌以及动物细胞中的病毒突变体、抗菌素、离子载体、体外转录、翻译以及易位和糖基化的特异抑制剂。
3.与磷酸肌醇脂类连接的糖蛋白
磷酸肌醇糖脂的接合是通过形成C－末端酰胺与2－羟基乙胺的键合发生的。磷酸二酯键将由此产生的C－末端延伸部分接到某一糖脂的聚糖部分之上，使这种经过修饰的蛋白质永久地附着在细胞膜上面。这种形式的接合在某一特定的寄生物的表面外套蛋白中以及在“胞外酶”如乙酰胆碱酯酶的附着过程中十分常见。
4.其他糖类轭合物
蛋白多糖是细胞外基质的主要成分。这是一些带有一个或多个葡糖胺聚糖链（GAGs）的蛋白质。同样、GAG链也在细胞膜蛋白或脂类中出现，因此在细胞表面可以见到。
在细菌细胞中，糖脂类包括一些在动物中可产生致热原效应的内毒素。在这些复合塘脂类中，有一些可泎用于外周血的白细胞，使其释放出白细胞介素和肿瘤坏死因子（TNF）——这主要与外伤和败血性休克有关。
在细胞培养过程中，可见到人体原尿激酶通过一单个的L－岩藻糖分子进行的O位糖基化。蛋白质上胺基的非酶促反应是十分普遍的。这在糖尿病患者的血液中尤为明显。在这些患者中高浓度的葡萄糖导致与血红蛋白和白蛋白形成的结合物。“糖化glycation”这一术语指的就是这种类型的修饰作用。单糖的糖基化或糖化是否具有生理功能目前尚不清楚。
四、研究糖生物学的新工具
缺乏糖类轭合物研究的适当技术已成为糖生物学发展的一个主要障碍。近年来这类研究工具的发展部分是由于对用重组DNA技术产生的蛋白质产物进行定性的需要。尽管治疗用的蛋白质产物的转译氨基酸顺序是由核苷酸顺序规定的，但对终产物来说却未必这样。事实上，转译后的过程（包括糖基化）是由寄主内目前尚不很清楚的特异因子所调节的，因此无法预期它们怎样发生，于是有必要对糖仿类（天然及重组产物）进行定性，并确定它们与特定的寡糖结构有关的生物学功能。
牛津大学的雷蒙德 · 德韦克（Raymond Dwek）小组的研究工作大大推动了这类研究的发展。几年前，该小组出人意料地发现了解凝酶——组织特异性的血纤维蛋白溶酶原活化剂（tPA）——的寡糖结构。由Genetech公司及其他公司提出的有关tPA的专利仅涉及多肽以及难以确定的寡糖结构。牛津大学这一开拓性的工作目前已形成了一种相对常规的确定糖蛋白的寡糖结构的方法。
目前已经弄清，糖蛋白中的单糖成分以及寡糖的结构与宿主细胞及它们的生长环境极有关系。这种异质性表现为它们具有不同的糖链成分、结构以及可用的糖基化位点数目。糖基化作用可极大地影响到它们的生物学活性。例如，对成血激素促红细胞生成素（FPO）来说，这一分子中糖基化位点越多，其生物活性越高。同样重要的是，药物动力学上的活体内半衰期也取决于糖基化作用。在重组糖蛋白（如免疫球蛋白）的试验中可观察到其半衰期具有惊人的变异。
O或N位连接的聚糖可用化学法将其从蛋白质中释放出来。早期利用糖类水介酶或“聚糖酶”的酶催方法对于存在天然产物不足问题的蛋白质和多肽类来说是无能为力的。在不同时间及不同的温度条件下利用无水肼（NH2· NH2）解使O位连接，或O位及N位都连接的聚糖类分别释放，然吞利用糖类氨基的重新乙酰化对聚糖库进行“修补”并使库中的某些部分通过甲醇分解作用转变成单糖。糖类成分是由气体色谱与质谱测定（GC-MS）方法定量测定的。利用剩余的完整聚糖链，可在用碱性硼酸氚化物还原法进行微量标记后，进行定性及定量的“图谱”分析。
目前正在研制聚糖分析的自动化仪器。用于释放、制图以及定序寡糖类的商用仪器的出现无疑将会在糖生物学中带来一场革命，就像过去在蛋白质化学中引进气相测序仪一样。
在糖生物学研究领域中，质谱测定法是一可行的技术，糖类化学家比他们研究蛋白质的同事们更常使用这一工具。80年代后期出现的激光解吸及电子喷显质谱测定法，突然使得直接测定糖蛋白的分子量成为现实，其测量精度为整个分子量的0.01~0.02%。毫无疑问，这一粘度足以检测出仅有一个糖基不同的2种或更多种糖仿类的存在。从这些糖蛋白制备糖肽以及在进行线上质谱分析之前利用高压液相色谱（HPLC）来减低由此形成的混合物的复杂性，提出了一种新的可能极有效的技术——既可用于作图或制备糖仿类“指纹图谱”，也可用于详细的特性鉴定。
五、聚糖－蛋白质在控制细胞生长、宿主防御及组织修复过程中的相互作用
80年代早期，“代用表面（surrogate surfaces）”如基底膜及纯化的胞外基质蛋白的组织培养的迅速发展，使人们明白这些物质对粘附细胞的形状、生长及分化有着深远的影响。很明显，胞外基质分子（如胶原蛋白，“粘合”糖蛋白－laminin，vitronectin，fibronectin，tenascin以及蛋白多糖）能设法将信息传递到众多细胞，导致细胞内复杂的生化及形态学改变。基质分子所具有的促进细胞生长以及诱导分化的特性自然吸引了大多数科学家的注意力。糖类结构的丰富及多样性有力地说明隙间及细胞表面的糖类轭合物在这些特性中扮演着令人感兴趣的角色。糖类的类似外源凝集素的识别作用以及可能的信号传导作用至少在此之前10年就已被注意到。
利用分子克隆已弄清了肝内类似外源凝集素的细胞表面受体（Ashwell或半乳糖受体）的结构。这一受体的功能是通过细胞摄粒作用从血循环中迅速地移动某些糖蛋白，并将它们转移到溶酶体。另一个细胞表面蛋白（CD44，Hermes抗原）已被确定为一种分布很广的透明质酸结合分子。其他由科恩菲尔德斯（Kornfelds）做的工作表明磷酸甘露糖起一种“分子入场券”（molecular ticket）的作用，将磷酸甘露糖基蛋白质运到溶酶体。
此外，对曾令糖类生化学家感到激动井备受鼓舞的科学发现作一简短回顾。固定于膜上的胞外蛋白（Thy-1和一种不同的糖蛋白，是寄生物Trypanosoma brucei的主要表面抗原，以及胞外酶，碱性磷酸酯酶和乙酰胆碱酯酶）已被确定。这些蛋白质通过前面提到的磷酸肌醇糖脂与细胞表面结合。特异的磷酸脂酶C的瞬间表达能产生使这些分子迅速通过的间隙，结果导致宿主对寄生物表面抗原的免疫系统的消失。
很清楚，聚糖蛋白还参与细胞－细胞外基质的识别，并提供在血小板凝块、血管及组织修复中细胞粘连的机制。其他聚糖蛋白可参与在宿主防御如白细胞的外渗及T－细胞介导的细胞毒性等过程中的细胞－细胞识别。
细胞表面的糖蛋白、糖脂或胞外基质的蛋白多糖上的硫酸乙酰肝素的表达对细胞生长有一种生长调节作用。然而，蛋白多糖对细胞生长的某些已报道的作用可能得归功于生长因子——蛋白质。如成纤维细胞生长因子（FGF），它能非常牢固地粘附到肝素及硫酸乙酞肝素蛋白多糖之上。不同族的生长调节剂目前都被认为可粘附到肝素之上。现已公认，生长刺激剂及生长抑制剂的作用都是由不同的生长因子所提供的。
通过白细胞在炎症时的渗入或肿瘤细胞在转移时的渗入过程以及血小板血栓形成的过程自然具有极大的药学重要性。这些研究结果对糖类化学家来说确实是令人欣喜的。然而，上述过程都是由多种因素决定的，它们涉及蛋白质－蛋白质以及蛋白质－糖类之间相互作用的高度调节的平衡作用。正如聚糖类－蛋白质之间相互作用本身的过程，对糖生物学家的“新的冲击波”来说，前面要走的路很显然需要蛋白质化学家的通力合作。
[TIBTECH年7月]
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*糖生物学毕竟还是一门比较陌生的学科，文中许多专业名词均系译者试译，意在抛砖引玉，使人们对这一生物学分支有一定了解。——译者