第二章 聚糖的化学-110919

1、高级生物化学,第一章 聚糖化学 朱永宁编辑,本章目录,1.1 糖生物学 1.2 寡糖的研究 1.3 多糖的研究 1.3.1 均一多糖 1.3.2 不均一多糖 1.4 复合多糖 1.5 多糖的分离纯化 1.6 多糖的含量测定,高级生物化学,糖知识回忆,糖类物质多羟基醛或酮的化合物、聚合物或衍生物。 根据分子大小分类单糖、寡糖、多糖； 根据组成分类均一多糖、杂多糖、 糖蛋白、糖脂等。,高级生物化学,1.1 糖生物学,1988年，牛津大学生化系的德韦克在生化年评上,提出了“糖生物学”(Glycobiology)概念,并发表了题为糖生物学的综述。,高级生物化学,糖链的多样性和复杂性,4 种核苷酸每3个

2、一组，可组成： 43 = 64 个三联体密码 而4种己糖则可组成：3万多种寡糖链。 所以，糖链结构具有极端复杂的特性 糖链信息量大：糖链所包含的信息量远远大于核酸和蛋白质（甚至大几个数量级）,高级生物化学,活性多聚糖：如：血管内皮细胞白细胞黏附分子（E-选择蛋白），能识别白细胞表面SLex抗原(四聚糖表面抗原）。 当组织受损或感染时，白细胞通过其表面SLex抗原黏附于血管内皮细胞表面的白细胞黏附分子上进入受损组织，进而杀灭入侵病原体。 但过多的白细胞聚集，会引起炎症及类风湿等自身免疫性疾病。,高级生物化学,美籍华裔科学家王启辉首先用酶法合成了SLex（4聚糖表面抗原)； 之前的推算价格：20亿

3、美元/千克。经他合成后，价格降低了34个数量级，并已由凯特尔(Cytel)公司生产。 此后，格力斯迈德(Glycomed)公司从甘草中，发现了SLex类似物-甘草素，可识别E-选择蛋白，因此封闭血管内皮细胞表面的E-选择蛋白，因而可抑制白细胞聚集，从而达到抗炎的目的。,高级生物化学,1.1.1 多糖 (polysaccharides,PS),多聚糖广泛地存在于动物、高等植物、微生物(细菌和真菌)及海藻等机体中。 多糖的生物活性、功能及特点： 复杂、多样 例如： 广谱免疫促进剂，具有免疫调节功能 如：可治疗风湿病、病毒性肝炎、癌症等免疫系统疾病；能抗爱滋病病毒；具有抗感染、抗放射、抗凝血、降血糖

4、、降血脂等疗效；,高级生物化学, 促进核酸与蛋白质的生物合成 可控制细胞分裂和分化，调节细胞的生长与衰老； 毒性较低 我国对多糖的活性功能研究起步较晚，但近十几年来取得了较大进展，有大量活性多糖被发现，并证实均具有广泛的生物功能。,高级生物化学,研究发现： 多糖活性与其结构密切相关,相关因素： 与单糖种类、糖苷键的类型有关； 与多糖的取代基，特别是硫酸基的取代度与取代位置有关； 与多糖的空间结构有关； 与多糖的分子量大小有关；,高级生物化学,多糖缺点： 分子量大，粘度大，溶解扩散困难，结构复杂，因此，吸收困难，应用受限。 寡糖优点： 分子量小，结构简单，溶解性增强，低毒性，因此，稳定性和安全性

5、较好。 许多多糖链经断裂后，可使活性提高，寡糖的低毒性是多糖与其他天然活性物质所不能比拟的，因此，对寡糖的研究日益受到重视。,高级生物化学,对海洋生物活性物质的开发利用，是近30年发展起来的。 海洋的独特环境造就了众多具有特异性功能的活性物质。多糖在其中占有重要地位。 海藻多糖由于其在海藻中的含量高，原料来源丰富且有保障，药理作用显著，毒副作用小，成为当前海洋药物开发的热点。 通过对海藻多糖的结构及生物活性的研究，目前已开发出多种多糖类药物。,高级生物化学,1.2 寡 糖,寡糖(oligosaccharide)由2-20个单糖分子通过糖苷键连接而成的化合物，它广泛存在于生命体内； 主要以糖蛋白

6、、糖脂和糖肽等糖化合物的形式参与生命活动； 发挥生物学功能的多为寡糖残基。,高级生物化学,功能性低聚糖,低聚果糖、低聚水苏糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚异麦芽糖等。 功能性低聚糖的吸收： 人体肠胃道不含水解某些低聚糖的酶系统，故不能被消化吸收； 直接进入大肠被双歧杆菌利用，是肠道有益菌的增殖因子，因此这些功能性低聚糖又被称为益生元。,现已发现在激素、抗体、维生素、生长素和其他各种生物大分子中都有寡糖的存在。 寡糖也存在于细胞膜表面，整个细胞膜表面都覆盖有寡糖。 寡糖在生物大分子及细胞间的相互作用中发挥着信号功能，桥梁作用。,高级生物化学, 寡糖的分类和结构类型,寡糖种类繁多，构成寡糖的单糖在自

7、然界分布广； 意义较大的是五碳糖和六碳糖，尤其以六种单糖组成为多： 葡萄糖(glucose)、果糖(fructose)、半乳糖(galactose)、木糖(xylose)、阿拉伯糖(arabinose)和甘露糖(mannose)。,高级生物化学,根据构成寡糖的单糖种类可将寡糖分为同源寡糖(均一)，即由同一种单糖反复成苷结合而成的寡糖； 异源寡糖(不均一)，即由两种或两种以上单糖构成的寡糖及其衍生物； 寡糖侧链化学修饰包括：胺基化、羧基化、磺酸化、磷酸化等。,高级生物化学, 寡糖的生物学活性,与多糖相比，由于寡糖分子量较小，结构简单，溶解性较强，稳定性和安全性都远高于多糖； 同时许多多糖链在经过

8、不同形式的断裂后，使原有生物活性大大提高，有些甚至产生了特殊活性，同时寡糖还具有低毒特征，因此目前对寡糖活性的研究极为重视。,高级生物化学,寡糖是生物体内重要的信息物质，参与细胞接触与识别。如： 在细胞表面、细胞之间通讯，识别和相互作用； 在胚胎发育，细胞代谢，信号传递，细胞运动与黏附，以及病原与宿主细胞的相互作用等方面起着重要作用。,高级生物化学,有些寡糖能激活植物的自我防卫系统。 有些寡糖能诱导根瘤菌的固氮作用。 有些寡糖可与入侵微生物上的糖蛋白相结合，从而阻止这些微生物对人体正常细胞的侵袭。 有些寡糖具有抗菌、抗病毒及提高免疫活性的功能。 一些寡糖具有肝素的凝血功能。 研究表明：血型决定

9、族寡糖很有希望成为防治癌症的药物。,高级生物化学,寡糖具有营养保健功能 由于人体不具备分解、消化寡糖的酶系统，在摄入之后，它很少或根本不产生热量，可有效地防治肥胖病、高血压、糖尿病等。 纯寡糖如：乳果糖、果聚糖、大豆低聚糖、异麦芽糖等可导致双歧杆菌生长因子； 寡糖被双歧杆菌发酵脂肪酸肠道内pH值下降有害菌群调整微生物群落的合理分布B族维生素、促进肠蠕动、蛋白质吸收加快提高免疫力。,高级生物化学,寡糖研究现状,寡糖原料难得、制取困难， 例如：某些糖蛋白、糖脂上寡糖链 许多高活性寡糖还处于试验阶段， 制备方法：合成或降解为主 分离检测技术尚不完善 因此，寡糖研究缓慢, 海洋寡糖的生物活性,海洋寡糖

10、来源于海洋生物的寡糖类 代表物质：几丁寡糖、褐藻寡糖、卡拉胶和琼胶寡糖等。 来源丰富，结构独特， 结构与内源性寡糖有很多相似点，因此具有巨大的实用性和开发潜力。,高级生物化学,卡拉胶寡糖的抗肿瘤活性： 对小鼠S180肉瘤具有抑制作用； 促进超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性，具有抗氧化功能。 促进效果 硫酸取代低硫酸取代高 推测抗肿瘤活性主要来源于抗氧化活性、免疫调节功能。,高级生物化学, 寡糖生物活性的作用机理,寡糖类的生物活性通常是建立在细胞水平，主要作为调控因子或信号传导因子。 目前对寡糖在细胞表面受体功能区域及精确定位功能有了较深入的了解，这为发展新一代寡糖药物奠定了理

11、论基础。 寡糖类药物主要涉及：分子间的相互作用与契合，所以对其结构要求非常严格。 特点：专一性高、效力高、副作用低和抗药性低等优点。,高级生物化学,糖类化合物的化学修饰及其对生物活性的影响,许多糖类化合物本身具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤活性，但由于毒副作用较大，限制了其作为药物应用。 进行化学修饰可起到下列作用： 提高生物活性，降低毒副作用，通过抗病毒、参与细胞间信号传导、抑制干扰或阻断病毒复制、抑制酶的活性等途径发挥药效。因此化学修饰被高度重视。,高级生物化学,卡拉胶及其分解的寡糖,卡拉胶是由某些红藻的细胞壁中提取的一种多糖(属于细胞壁多糖)； 我国早期称其为咖啦胶、角叉莱胶、麝角菜胶等，后统称

12、为卡拉胶。,卡拉胶：一种硫酸半乳聚糖 卡拉胶结构特点： 1,3-D半乳糖和1,4-D半乳糖交替连接形成骨架结构。 根据半乳糖中是否含有内醚以及半乳糖上硫酸基的数量和连接位置不同区分为-、-、-、-、-、-、-七种类型。 常见的卡拉胶多为-、-、-型,高级生物化学,高级生物化学,高级生物化学,卡拉胶的基本性质,理化性质、组成与结构： 溶于热水，不溶于有机溶剂； 凝胶强度和粘度：受分子量、离子强度、盐、氧化剂及其他化学物质的影响。 卡拉胶(凝胶和非凝胶)与蛋白质反应： 通过硫酸基与离子型蛋白质分子发生离子反应。 反应依赖于蛋白质等电点、环境pH值、卡拉胶与蛋白质比率等。,高级生物化学,卡拉胶的应用

13、,卡拉胶性能优良，具有极好的凝胶特性和流变特性，能与其它食品胶共溶并有协同增效作用，因此，在食品、医药、日化及其它科研领域有着极为重要的应用。 最主要的是食品添加剂(如凝固剂、稳定剂、乳化剂、悬浮剂、增稠剂等)，广泛应用于果冻、饮料、乳制品、肉制品等食品工业。,高级生物化学,卡拉胶的生物学活性,卡拉胶是一种有效的体内致炎剂，广泛用于各种抗炎剂的检验。 卡拉胶有较强的抗病毒活性。 是有效的抗胃蛋白酶、抗溃疡、抗凝、抗栓物质； 具有：抑制胃蛋白酶活性、保护组织、抑制溃疡、抗凝血、清除血脂等功能。,高级生物化学,硒化卡拉胶的生物活性,保护心脏； 抗氧化； 免疫调节； 降血糖； 抗肿瘤； 安全性好,高

14、级生物化学,海藻多糖的研究与进展,五年前，海藻产业经济低下，出现了自二十世纪六十年代以来的最低潮，但近几年来又有了大幅度的提升。,2005年前后，支撑海藻产业的褐藻胶、琼胶、卡拉胶及甘露醇的价格持续下跌。 例如：卡拉胶，从上个世纪八十年代中期的23万元吨下降到当时的34千元吨。 原因：海藻产品应用面窄，是限制我国海藻工业迅速发展的直接因素。 所以，拓宽海藻产品用途，用高新技术改造传统海藻化工产业，已成为我国当时必须面对的问题，卡拉胶的高附加值化就是其重要的研究议题之一。,高级生物化学,未降解卡拉胶的局限性,分子大，粘度大，扩散困难，吸收困难； 毒性大，未等达到有效剂量就将试验动物致死。 因此，

15、大大地限制了其应用。 所以，对海藻多糖的设计改性，降解、修饰和结构衍变等研究，是获得有重要开发价值的海洋功能食品、保健品和海洋新药、增加产品的技术含量，促进海藻化学工业蓬勃发展的必由之路。 近几年来在此思想的指导下使卡拉胶改造研究取得了极大的进展。使得今天的卡拉胶功能和活性、利用价值有了大大提高，其价格也已达到了19.5万/吨。,高级生物化学, 大豆低聚糖,大豆低聚糖主要分布于大豆胚轴中, 主要成分：水苏糖、棉子糖。 大豆水苏糖和棉子糖属于贮藏性糖类,在未成熟豆中几乎没有,随种子成熟含量递增。 但当大豆发芽、发酵或者大豆贮藏温度低于15、60%相对湿度条件下,水苏糖、棉子糖含量也会减少。,高级

16、生物化学,棉子糖分子式,-D-呋喃(型)果糖基-O-D-吡喃半乳糖基-(16)-D-吡喃葡糖苷,高级生物化学,水苏糖分子式,高级生物化学,1,6,6,1,1,2,大豆及大豆制品中水苏糖、棉子糖含量(%),高级生物化学,大豆低聚糖理化特点, 有甜味：甜度=70%蔗糖； 产热低：2千卡/克, 热值=50%蔗糖 可以替代蔗糖作为低热能甜味剂 无色透明液体， 粘度：麦芽糖大豆低聚糖异构化糖 保温、吸湿性：小于蔗糖，优于果糖和葡萄糖 水分活性：接近蔗糖 可用于清凉饮料和焙烤食品； 可降低水分活性，抑制微生物繁殖； 可起到保鲜、保湿效果,高级生物化学, 酸性热稳定性强，大于果糖低聚糖和蔗糖 140时开始热

17、分解 适用于需要加热杀菌的酸性食品。 90，pH3.5,30min低聚糖受热后残存率： 大豆低聚糖：90% 蔗糖：70%80%; 果糖低聚糖：40%45%。 大豆低聚糖属非还原糖，在食品加工中添加,可减少美拉反应，降低营养素的损失，并且使用方便。,高级生物化学, 具有明显抑制淀粉老化作用 如在面包等面类食品中添加大豆低聚糖,能延缓淀粉的老化，防止产品变硬，延长货架期,大豆低聚糖的生理功能, 难消化 水苏糖、棉子糖不会被人体消化酶分解，也不会被小肠消化吸收 当到达消化道下部时，可被肠内双歧杆菌利用。, 双歧杆菌对大豆低聚糖的选择利用率,精制大豆低聚糖： 水苏糖71%、棉子糖20%、其他成份2%。

18、 因此，大豆低聚糖的主要成分水苏糖、棉子糖，二者特别容易被双歧杆菌利用，难被肠内有害菌利用（肠内有害菌荚膜梭菌，大肠杆菌几乎不利用）。, 增殖双歧杆菌、改善肠内菌丝,人们食用大豆低聚糖及加入双歧杆菌的食品时，会对肠内菌丝产生良好影响。 抑制肠内腐败物的生成 抑制肠道氨的生成 抑制有害物质，促进某些酶活性 如：可使-葡萄糖醛酸苷酶、偶氮还原酶、致癌物质生成酶活性下降。, 改善排泄功能,大豆低聚糖不能被人体直接消化、吸收。 到达回肠时，就成为双歧杆菌的“食饵”。 促进肠道内有益细菌活化、增殖，可增进肠道健康，产生“整肠功能”。 低聚糖肠内有益细菌(双岐杆菌)增殖整肠作用改善便秘净化肠道, 安全性和保健性,急性、亚急性毒性试验、诱变性试验证实： 大豆低聚糖不存在安全问题 以腹泻为指标，大豆低聚糖的最大作用量 0.64克/kg体重（32g/50kg） 具有降低血液胆固醇、降血压、增强免疫功能，具有防癌、抗衰老作用，不引起龋齿等保健功能。,大豆及大豆制品中水苏糖、棉子糖含量(%),高级生物化学,1.3 多糖的研究,多糖又称多聚糖(polysaccharide) 单糖聚合而成，聚合度大于20的极性复杂大分子，分子量为数万数百万。 高等动植物细胞膜和微生物细胞壁的天然高分子含碳化合物，它是生命活动