第一讲多糖概述

 时间:2011-12-22  贡献者:loveforever522

导读:第一讲 多糖概述,第一讲多糖概述多糖(Polysaccharides)是自然界含量最丰富的物质之一,广泛存在于动物细胞膜、植物和微生 物细胞壁中,是与人类生活紧密相关的一类生物大分子,对维持生命活动

第一讲 多糖概述
第一讲 多糖概述

第一讲多糖概述多糖(Polysaccharides)是自然界含量最丰富的物质之一,广泛存在于动物细胞膜、植物和微生 物细胞壁中,是与人类生活紧密相关的一类生物大分子,对维持生命活动起着重要的作用。

一、多糖的研究历程 核酸、蛋白质和多糖并称为生命三大物质。

核酸、蛋白质研究进程显著快于多糖。

说明原因) (说明原因) 1.生物体内糖的研究历程: 19 世纪:认为多糖是能量物质,主要研究多糖的代谢与转化途径; 20 世纪:认为多糖是机体的结构物质,主要研究细胞外的基质成分; 21 世纪:认为多糖是机体的信息物质,主要研究细胞的信号转导。

2.国内外的研究现状及研究计划 美国:1986 年, “糖库计划” ; 2001 年, “功能糖组学研究计划” ,研究蛋白质/糖链—细胞通讯。

日本:1991 年, “糖工程前沿计划” ; 2002 年, “糖链功能 1000”计划,研究糖链功能/糖类药物。

欧盟:1994 年“欧洲糖类研究开发网络” ; “欧盟第四、五、六框架” ,研究糖链结构与功能。

中国:跟踪性研究和探索生研究; 急需国家重大科技计划支持。

作为三种生物大分子之一,糖类的研究工作和蛋白质、核酸的研究工作相比,在我国还是一个 薄弱环节。

现在国际上多糖研究以日本、美国、德国、加拿大处于领先地位,我国多糖的研究起步 较晚,经过一个相对寂静的时期之后,自 80 年代各地的研究如雨后春笋般掀起。

3.糖链与生理病理的关系 (1)与生理、病理的关系 在正常生命过程中,多糖参与细胞分化、胚胎发育和免疫应答; 在病理过程中,多糖参与癌变、感染过程。

(2)在分子内及分子间的作用 分子内:影响蛋白质的折叠、半衰期,并对蛋白质有监护作用。

分子间:具有细胞识别、抗原性和信号转导作用。

二、多糖分类 1.根据组成单糖的类别,多糖可分为: (1) 均聚多糖 (homopolysaccharides) 指由同一种单糖组成, : 如淀粉 (starch) 纤维素 、 (cellulose) 。

(2)杂多糖(heteropolysaccharides) :杂多糖则是由多种单糖组成,如树胶(gums) 、粘胶多糖 (mucillages) 、果胶(pectins) 、半纤维素(hemicelluloses)等。

(3)糖缀合物(glycoconjugates ) :糖缀合物是指多糖与其它非糖部分如蛋白质、肽、脂类以 及核酸等结合形成(glycoconjugates) 。

糖缀合物(Complex carbohydrates)糖肽 (Glycopeptides)糖核酸(Glyco-nucleic acid)糖脂(Glyco-lipid)肽聚糖 (Peptidoglycans)肽聚糖 (Peptidoglycans)糖蛋白 糖蛋白 (Glycoprotein) (Glycoprotein)蛋白聚糖 (Proteoglycan)蛋白聚糖 (Proteoglycan)糖缀合物的研究在近 30 年才渐渐热起来,随着生物和生化技术的发展,一些卓有成效的新技术 如高效液相色谱(HPLC)、核磁共振(NMR) 、质谱(MS) 、放射免疫、定点突变等的应用,大量糖 缀合物的结构与功能不断地被揭示和认识。

目前从天然产物中提取分离出来的已达 300 多种。

2.按 来源不同,可分为五大类: 真菌多糖 藻类地衣多糖 细菌多糖 高等植物多糖 动物多糖三、多糖的结构 多糖是由多个相同或不同的单糖基以糖苷键相连而形成的高聚物,自然界分布很广,植物的纤 维素、半纤维素、树胶、粘胶、果胶、淀粉,动物的糖原、甲壳质、粘性物质等都是多糖或由多糖 组成的。

对多糖的结构研究虽远不及蛋白质及核酸,其结构分类与蛋白质的结构含义基本相同,也 可分为一级结构与高级结构。

而高级结构又可分为二级、三级及四级结构。

1.多糖的一级结构 一级结构主要是由单糖基的构型(L 或 D) 、异头物的构型(α或β) 、糖基环化方式(五元环 或六元环) 、有无分支、糖基上多个羟基是否被取代(如氨基、硫酸基、磷酸基、酰基等取代) 、相2

邻单糖基相连糖苷键的的位置(1→2,1→3,1→4) 、单糖基相邻的顺序等因素组成。

2.多糖的高级结构 多糖的高级结构(即构象)决定于其一级结构,其结构层次可分为二级、三级、四级结构。

(1)二级结构 多糖的二级结构通常指多糖的骨架的形状,即多糖骨架链内以氢键结合所形成的各种聚合体。

二级结构一般只关系到多糖分子的主链构象,不涉及侧链的空间排布。

例如纤维素分子是锯齿形带 状,直链淀粉是空心螺旋状。

在多糖链中,糖环的几何形状几乎是硬性的,各个单糖残基绕糖苷键 旋转而相对定位,可决定多糖的整体构象。

(2)三级结构 多糖链一级结构的重复顺序,由于糖单位的羟基、羧基、氨基以及硫酸基之间的非共价相互作 用,导致在二级结构的基础上进一步卷曲或折叠,或者是两链双螺旋排列关系而形成的一定构象即 多糖的三级结构。

(3)四级结构 多糖的四级结构是相同或不同多糖链的协同结合而形成的聚集体,也即亚单位现象。

多糖的内 部基团有相互作用,因其不同氢键的形成而构成特定的高级结构。

四、多糖的生物活性 多糖的生物学功能是多种多样的,除众所周知的多糖在生物体内有的是贮存物质、有的是结构 支持物、有的有水合机械保护作用等等外,随着对糖类在生命现象中重要性的不断认识,发现生物 多糖可以携带巨大的信息量,而成为参与生命现象中形形色色识别作用的基础。

不论是生物体作为 通讯识别的信息分子还是细胞间的识别无不与糖链有关。

近年来,大量研究表明多糖具有免疫调节、降血糖、降血脂、抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、抗衰 老、抗凝血、抗溃疡、防辐射等多种生物学功能。

1.多糖的免疫活性免疫包括:器官免疫、细胞免疫和体液免疫。

多糖类是一种非特异性免疫增强剂,它因具有提高机体的免疫功能,对正常细胞没有毒副作用, 而且药物质量容易用化学手段控制等优点,已成为当今新药发展方向之一。

研究结果表明,多糖主要是通过激活 T 细胞、B 细胞、活化补体巨噬细胞(Mj)、自然杀伤细胞 (NK)、细胞毒 T 细胞(CTL)、淋巴因子激活的杀伤细胞(LAK)等免疫细胞,促进细胞因子生成, 活化补体等途径对免疫系统发挥多方面的调节作用。

2.多糖的抗氧化作用 肿瘤的发生、辐射致癌、心脑血管疾病、器官的缺血再灌流、药物中毒、人体衰老等过程都涉 及到自由基和活性氧。

已有许多研究指出,自由基和活性氧是细胞癌变的原始引发机制。

活性氧包括超氧阴离子(O2·-) 、羟基自由基(·OH) 、多种有机氧自由基、单线态氧(O1) 、无 机和有机过氧化物(ROO·)等,它们有很强的生物活性。

研究表明,多糖具有抗氧化性,且多糖的抗氧化活性与其分子中所含酸性基团有关,并与它与 否与其它大分子形成缀合物有关。

3.多糖的抗肿瘤作用 多糖是一种免疫增强剂,免疫调节是目前公认的多糖抗肿瘤作用产主要机制之一。

多糖是生物反应调节剂的重要组成部分,能激活免疫细胞,诱导多种细胞因子和细胞因子受体3

基因的表达,增强机体抗肿瘤免疫力。

4.多糖的降血糖作用 多糖降血糖作用的研究近十年来进展迅速,已逐渐成为治疗糖尿病的新药。

5.多糖的抗病毒作用 多糖的抗病毒作用已被药学界认可。

对于多糖及其衍生物的抗病毒活性的研究主要集中在硫酸化多糖、中性多糖、脂多糖、糖蛋白 和结合有肽的多糖。

硫酸化多糖包括:硫酸葡聚糖、角叉菜胶、肝素、硫酸软骨素。

中性多糖中包括:猪苓多糖、裂褶菌多糖、松果多糖等。

6.多糖的抗感染作用 多糖抗感染作用主要是通过提高宿主免疫功能和直接杀菌,抗病毒作用来实现的。

7.多糖的抗衰老作用 衰老会导致由 T 细胞所介导的细胞免疫功能低下,而多糖类化合物能促进机体的免疫功能,有 抗老延寿的作用。

另外,很多研究表明,多糖的抗衰老作用与其抗氧化作用密切相关。

8.多糖的降血脂作用 在正常情况下,人体脂质的合成与分解保持一个动态平衡。

而一旦平衡遭到破坏,血脂含量的 增加使动脉内膜受到损伤而导致动脉粥样硬化,从而诱发心脑血管疾病。

多数研究认为,可溶性好的和有凝胶特性的多糖,如琼脂、果胶、海藻胶、阿拉伯树胶和从魔 芋中提取的葡甘聚糖等多种粘液质均能起到降低血浆与肝组织胆固醇含量和调节脂蛋白代谢的作 用。

现已发现的具有降血脂活性的多糖有茶叶多糖、海带多糖、木耳多糖、枸杞多糖、灵芝多糖、 薯蓣多糖、莼菜多糖等 9 其它作用 多糖除具有上述功能以外,还有许多其它方面的作用。

如枸杞多糖有抗疲劳作用,它能显著地增加小鼠肌、肝糖元的储备量; 酸性多糖类海洋药物具有抑制银屑病患者表皮细胞增生,提高颗粒层形成的作用。

香菇多糖可显著地预防老年白内障和糖尿病引起的视网膜病的并发症发生。

瓦茸多糖对照射过γ射线的小白鼠脾脏损伤有修复作用。

五、多糖研究的分子生物学前沿 研究多糖对细胞凋亡及相关基因表达的影响是近年非常活跃的研究领域,已发现细胞凋亡及相 关基因表达与许多疾病的发生相关,如癌症、自身免疫性疾病、病毒感染及神经退行性变等疾病都 与凋亡调节紊乱有密切的关系。

因此可从分子生物学基础上揭示多糖的活性机制。

主要研究方向包括: 1.多糖对基因表达的影响4

2.细胞膜天线 3.多糖对细胞凋亡的影响 4.多糖活性中心及结合位点研究六、多糖生物活性构效关系研究 多糖生物活性构效关系研究一直是多糖研究的热点和难点。

目前,研究较多的是多糖的生物活性与多糖的组成、糖苷键类型、分子量、取代基团、空间结 构、溶解度、粘度之间的关系。

1.多糖的组成对生物活性的影响 具有抗肿瘤活性的植物多糖一般由半乳糖或半乳糖醛酸等组成。

酸性杂多糖具有抗补体活性,如当归多糖、艾叶多糖、薏苡仁多糖、柴胡多糖、紫根多糖等主 要是半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸组成。

2.多糖的糖苷键类型对生物活性的影响 多糖的糖链结构以及重复结构中的主侧链上糖残基的比例与多糖活性有很大关系。

主链结构为 β-1, 3,有 β-1, 6 侧链的葡聚糖,只是主侧链上分子比为 7:2 结构的多糖,如竹荪 多糖、木耳多糖都对大鼠的角叉菜胶浮肿和热水浮肿性疼痛有显著抑制作用。

菌体活性多糖一般由葡萄糖组成,而且葡聚糖主链上的β-1,3 甙键和支链上的β-1,6 甙键为 活性所必须的。

3.多糖的分子量对生物活性的影响 多糖的分子量对其生物活性起着重要作用。

如多糖分子量大小不同使其生理活性也不一样。

多糖分子量很大,几十万到几百万不等,往往影响其作用效果。

将多糖降解到适宜的分子量, 可得到高活性的多糖片段或寡糖。

4.多糖的取代基团对生物活性的影响 多糖及其衍生物中取代基的种类、数目和位置对其活性具有显著的影响。

如糖链上硫酸基、乙 酰基、烷基和羧甲基等的取代位置和含量及络合元素的种类决定了多糖有何活性及活性大小。

5.多糖的空间结构对生物活性的影响 进一步的研究认为高级结构对功能的影响比一级结构还重要。

多糖的立体构型是它生理活性的 决定因素之一。

例如:经 X 射线分析,表明香菇多糖及裂褶多糖均为β-三股绳状螺旋型立体构型,但在香菇多 糖中加入尿素或二甲亚砜,使分子的立体构型发生改变后,则其活性丧失。

参考书目 [1] 张惟杰.糖复合物生化研究技术.浙江大学出版社,1994 [2] 赵永芳.生物化学技术原理及其应用(第二版).武汉大学出版社,1994 [3] 达世禄.色谱学导论(第二版).武汉大学出版社,1999 [4] 师治贤,王俊德.生物大分子的液相色谱分离和制备(第二版).科学出版社,19995

[5] 何炳林,黄文强.离子交换与吸附树脂.上海科技教育出版社,1995 [6] 吴寿金,赵泰,秦永祺.现代中草药成分化学.中国医药科技出版社,2002 [7] 朱正美,等译.糖生物学基础.科学出版社,20036