多糖的构效关系研究进展

多糖的构效关系研究进展

黄卉　　王弘　　刘欣　

（华南农业大学食品学院，广州５１０６４２）　

摘　　要：本文论述了影响多糖活性的结构因素，从糖单元的组成、糖苷键的类型、主链的构型、支链、空间构型、取代基的种类及数量等几个方面说明结构对其生物活性的影响。　

关键词：多糖；构效关系；结构　

Study’s Advances in the Structure Activity Relationship of Polysaccharide

Huang Hui, Wang Hong, Liu Xin

(Food Science College, South China Agricultural University, Guangzhou, 5102) Abstract: The review is about the relationship of structure factors and the activities of polysaccharide. The structure factors such as sugar unit, types of glycosidic chains and the backbone, the branch, conformation of chain, the substitute of the backbone and so on were discussed.

Keywords: Polysaccharide; Structure-activity relationship; Structure

近年来，在对免疫物质以及新药物资源的研究过程中，人们发现糖类参与了生命科学中细胞的各种活动，具有多种多样的生物学功能。多糖及其缀合物对多种危害人类健康的疾病，如免疫紊乱、癌症、肝炎、血栓等，都具有显著的疗效。其中最引人注目的是它们的免疫修饰和抗肿瘤活性。因此，多糖的研究与开发已日益引人注目。

１　　多糖的构效关系　

多糖的构效关系是指多糖的一级结构和高级结构与其生物活性的关系。对多糖的研究显示，多糖的各种生物活性与其结构、构像等有着密切的关系。目前对多糖构效关系的研究主要包括以下几个方面：糖单元的组成、糖苷键的类型、主链的构型、支链、空间构型、取代基的种类及数量、分子量等。

1.1 糖单元的组成

不同种类的多糖, 其主链糖单元的组成不同，生物学活性存在较大差异。葡聚糖是自然界许多动植物和微生物多糖的基本结构单元，多糖的抗病毒功能主要是利用其相似结构，通过免疫调节机制产生宿主免疫功能。如香菇多糖，裂褶多糖均具有葡聚糖主链结构【１】，二者都具有抗肿瘤作用及提高细胞免疫及体液免疫功能。其他种类的糖单元组成对多糖的生物活性也有影响。银耳多糖主链为α-(1→3)糖苷键连接的甘露聚糖，具有免疫调节、抗肿瘤、抗凝血、抗血栓等收稿日期：２００４－４－２０　作用【１】。从酵母细胞壁中得到的甘露多糖能抑制人体细胞突变和抗氧化的活性【２】。除均聚多糖外，杂多糖也具有一定的生物学活性。冬虫夏草多糖的单糖组成为甘露糖、半乳糖、葡萄糖，其具有提高机体免疫功能，抑制肿瘤细胞的作用，并能改善化疗引起的不良反应【１】。具有抗肿瘤活性的灰树花多糖(从其子实体和菌丝体中提取的多糖)为含葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖、阿拉伯糖、岩藻糖的杂多糖【３】。

1.2 糖苷键的类型

糖苷键的类型是指多糖主链上相邻糖基的连接方式。香菇多糖主链的葡聚糖由(1→3)糖苷键连接，具有较强的抗肿瘤活性，而同是葡聚糖主链的淀粉，其糖苷键为(1→4)键型，却没有生物学活性，这在一定程度上源于二者主链糖苷键的类型不同【２】。多数具有突出生物学活性的葡聚多糖都以(1→3)糖苷键连接。如以(1→3) 葡聚糖为主链的凝结多糖，在相同取代条件下，其衍生物的抑瘤率远大于地衣多糖（33% (1→3) 葡聚糖和66%(1→4) 葡聚糖组成的混合多糖）衍生物　【４】。以(1→6) 糖苷键连接的葡聚糖也有一定的活性。如灰树花多糖，其抗瘤免疫活性主要来自β-(1→3)或(1→6)葡聚糖【３】。其他多糖的活性也受到糖苷键类型的影响。具有抗肿瘤活性的甘露多糖为(1→6)键型；活性半乳多糖则以(1→3)键型连接【２】。

1.3 主链的构型

多糖活性不仅受到糖单元、糖苷键的影响，主链构型的不同也会导致其生物活性的差异。对于葡聚多

159糖而言，α-葡聚糖一般没有活性，而大多数具有抗肿瘤活性的多糖都具有β-(1→3)-Ｄ-葡聚糖的主链结构。食药用菌中的活性多糖，如香菇多糖、猪苓多糖等，其活性成分是具有分支的β-(1→3)-D-葡聚糖【５】。

1.4 支链的长度、取代度和位置

对有抗肿瘤活性的多糖结构研究显示，水溶性Ｄ-葡聚糖有抗肿瘤活性，特别是那些直链的、无过长支链的多糖。如茯苓多糖由于支链过长而不具有抗肿瘤活性，需经过控制性氧化水解，降低支链长度，才具有活性。带支链的菌多糖抗肿瘤的生物活性也取决于支链化的程度，支链化程度超过4个糖单元时，就会失去生物活性。支链化程度越大，生物活性越弱【６】。

支链的分支度(degree of branch, DB)，也称取代度(degree of substitute, DS)，对多糖的活性也有影响。只有当多糖达到一定的取代度时，才能具有生物活性。如食药用菌活性多糖β-(1→3)-Ｄ-葡聚糖，分支度在0.2～0.33时生物活性较强【５】。从紫胶树的树胶中提取出来的漆多糖，当取代度大于0.8时，随着DB的提高，抗凝血活性增大【７】。硫酸化凝结多糖不论硫酸取代基的分布如何，当DB<1.3时，抗HIV活性明显降低。但并不是DB越高，活性越强，真菌多糖Pestalotan 是一种高度分支化的葡聚糖，DB高达2.8，活性低，经过氧化还原处理将部分葡萄糖分支还原成羟基后，DB降至1.0，在大鼠体内的抑瘤率从57%提高到92.3%【２】。因此，每种多糖都存在最佳DB，使其活性达到理想状态。如以葡萄糖为分支的各种分子质量的葡聚糖在DB=0.20～0.33内抗肿瘤活性最强【８】，而以硫酸基取代葡萄糖基后的硫酸葡聚糖，其产生抗病毒活性的最佳DB为1.5左右。将从紫胶树的树胶中提取出来的漆多糖硫酸化，当取代度为1.15时有最高的生物活性【７】。

支链的位置也影响分支多糖的活性。ＰＭＩＩ是一种从Plantago major L的叶子中分离出来的多糖，具有抗补体的活性。移去末端连接到半乳糖上的阿拉伯糖可以增加活性，但移去连接在主链聚半乳糖醛酸上的阿拉伯糖则降低了活性【９】。硫酸化多糖硫酸软骨素B 的抗凝血活性取决于硫酸取代基位置，如果改变了取代基的位置，将氨基半乳糖O-4位上的硫酸基变为O-6位硫酸基，则其抗凝血活性完全丧失，即使有很高的硫酸化程度，抗凝血活性也会丧失【１０】。

1.5 空间构型

许多对多糖结构的研究表明，多糖的特定空间构像是其产生生物学活性所必需的，生物学活性较强的多糖，通常都具有规则的空间构像。一般认为，高级结构呈屈状螺旋的多糖活性较高，而呈可拉伸带状或皱纹型带状的多糖活性一般较低甚至没有活性。三股螺旋构型是多糖最具活性的空间构像。X-衍射分析表明，具有抗肿瘤活性的香菇多糖呈三股螺旋结构，具有免疫活性的裂褶多糖也能形成类似三股螺旋的对称螺旋结构。当向香菇多糖中添加尿素或二甲亚砜，使其失去其三股螺旋构像，改变空间构型，其生物活性也随之消失【１１】。而向水不溶的裂褶多糖中添加尿素或氢氧化钠，则可诱导产生规则的空间构像，从而表现出抗肿瘤活性。这些都说明，规则的空间构像与多糖的生物学活性密切相关。

1.6 取代基的种类及数量

多糖及其衍生物中取代基的种类和数量对其活性有显著影响。因此，常通过分子修饰等手段，改变多糖的官能团，有目的地提高多糖的活性。

常用于多糖官能团改造的方法有硫酸化、乙酰化、磺酰化、烷基化、碘化、羧甲基化等。

1.6.1 硫酸化

硫酸多糖及某些多糖的硫酸化衍生物无论在体内还是在体外，都显示了不同程度的抗病毒活性。一些多糖未硫酸化前或者没有抗HIV活性，或者活性较低，硫酸化后在分子中引入硫酸基，从而具有或增强了活性。因此，硫酸基团可能是某些硫酸酯多糖抗病毒活性的决定成分。如金顶侧耳多糖PC-3经硫酸化修饰后，对病毒感染细胞的预防作用及对病毒的直接杀伤作用均有所增强，而对病毒的生长的抑制作用尤为显著【１２】。牛膝多糖能明显增强机体免疫功能，抑制肉瘤生长和升高白细胞，但无抗病毒和抗凝血等生物活性，将牛膝多糖硫酸化得到牛膝多糖硫酸酯，有抑制乙肝病毒HBsAg、HbeAg和I型单纯疱疹病毒的活性【１３】。灰树花多糖硫酸化形成灰树花多糖硫酸酯后，对人胃癌细胞SGC-7901有直接杀伤作用【１４】。海带褐藻多糖硫酸酯对超氧阴离子具有良好的清除作用，能够抑制H2O2诱导的红细胞氧化溶血，对FeSO4-抗坏血酸体系造成的脂质过氧化具有良好的保护作用。【１５】相反一些具有抗病毒活性的硫酸化多糖被脱去硫酸根后，失去抗病毒活性。如具有生物活性的海藻糖化的硫酸软骨素，通过温和水解去除其硫化海藻糖支链或硫酸基团，其活力都大大降低甚至失去。肝素钠N-脱硫酸化、O-脱硫酸化都会降低其抗病毒活性，【16】。

尽管硫酸根与多糖的抗病毒活性密切相关，但并不是硫酸根越多，多糖的活性越强。即多糖的生物活性与硫酸化度(即每二糖单位硫酸基数量)有关。一般认为，硫酸根含量在每个糖残基平均含1.5~2.0为最

160佳。如藻酸硫酸化后含硫量达17%，呈现显著的抗凝血作用【１７】。香菇多糖硫酸化后生成的香菇多糖硫酸酯，其分子内每个葡萄糖单位含有1.7个硫酸根时抗HIV活性最强【１８】。

1.6.2 乙酰化、磺酰化、烷基化

向多糖中引入乙酰基，也是重要的修饰方法。乙酰基能改变多糖分子的定向性和横向次序，从而改变多糖的物理性质。乙酰基的引入使分子的伸展变化，最终导致多糖羟基基团的暴露，增加其在水中的溶解性【１７】。如斜顶菌多糖乙酰化后，其抑瘤活性较修饰前有所提高，其原因除修饰基团自身因素外，还与修饰后水溶性改变有关【１９】。乙酰基的数量及位置对多糖活性也有影响。地衣类多糖石脐素是β-(1→6)-Ｄ-葡聚糖，因部分乙酰化而具有溶解性，表现为抗肿瘤活性，当脱乙酰化或全乙酰化后其溶解性降低，丧失了抗肿瘤活性【１７】。

同样采用磺酰化对多糖进行修饰，也能达到提高其生物活性的效果。茯苓多糖无抗肿瘤活性，磺酰化后的磺酰化新茯苓多糖具有良好的抗肿瘤活性【２０】。

多糖的烷基化对多糖的活性的影响也有研究。如烷基化对硫酸多糖的抗HIV活性有促进作用。对HIV 有抑制活性的硫酸烷基寡糖，如硫酸十八烷麦芽醇己糖苷，硫酸十二烷昆布戊糖苷和硫酸十二烷昆布寡聚物，未烷基化的寡糖显示抗HIV活性，烷基化后活性显著提高【２１】。硫酸烷基寡糖抑制HIV的机理推测为对HIV向细胞结合的抑制，在某种程度上是烷基部分与病毒脂双分子层反应所致【２２】。未烷基化的硫酸昆布多糖显示低抗HIV活性，烷基化后其活性显著提高。这可能是因为烷基部分有类似表面活性剂的性质，可与HIV囊膜脂双层反应而破坏其囊膜【２３】。

此外，纤维素没有活性，但经Ｏ-甲基化和Ｏ-羧甲基化后有抗肿瘤活性【１７】。昆布多糖部分羧甲基化后水溶性提高，抗肿瘤活性也明显增强。从虎奶菌菌核中提取的一种水不溶虎奶多糖，对其进行羧甲基化修饰后，制得水溶性的羧甲基化虎奶多糖，能有效抑制Fe2+-Vit C引起的大鼠线粒体肿胀和清除邻苯三酚自氧化产生的超氧自由基【２４】。在碱性水溶液中对牛膝多糖(Abps)进行羟乙基化，羟乙基化牛膝多糖对荷Lewis 肺癌小鼠NK活性具有一定促进作用。【２５】

1.7 分子量的影响

多糖的生物活性也与其分子量大小有关。如硫酸葡聚糖抗HIV病毒活性随着相对分子质量的增加而增加，相对分子质量10000时达到最大，10000～500000之间保持最大活性。一般来说，分子量在100～200kD之间的多糖片段有较高的生物活性，而相同来源的分子量在5～10kD之间的多糖片段无生物活性。如分子量大于100kD的裂褶菌多糖具有较强的抗肿瘤活性，而分子量小于50kD的裂褶菌多糖无任何生物活性【２６】。

２　　结束语　

多糖在其免疫活性和抗肿瘤等方面的活性已受到重视，经过半个多世纪的发展，对多糖的研究不断深入，建立了一系列多糖生物活性测试方法、结构分析方法，发现了许多具有重要生理活性的多糖，多糖也逐渐成为当今新药开发的重要方向之一。但由于多糖结构的复杂性，多糖的构效关系的研究作为多糖生物学的一个主要领域，至今还不完善。

多糖的活性与其初级和高级结构密切相关，高级结构在活性方面比一级结构起更大作用。分子修饰是研究多糖的构效关系的重要途径。多糖经过分子修饰后获得各种结构类型和生物活性的多糖衍生物，为多糖的构效分析奠定了基础。

随着多糖化学和糖生物学的深入研究，多糖将会为人类的健康和安全提供更为有力的帮助。

参考文献　

1 李艳辉,王琦.真菌多糖的生物活性与构效关系研究评介.

吉林农业大学学报,2002,24(2):70~74

2 王兆梅,李琳,郭祀远等.活性多糖构效关系研究评述.现代

化工,2002,22(8):18~22

3 冯慧琴等.灰树花子实体多糖和菌丝体多糖的比较分析.华

东师范大学学报,(自然科学版),2001,(3):91~96

4 Demleitner S, Kraus J, Franz G. Synthesis and anti-tumor

activity of derivatives of curdlan and lichenan branched at C6.

Carbohydrate Reseach, 1992,226(2):239~246

5 杜巍,李元瑞,袁静.食药用菌多糖生物活性与结构的关系.

食用菌,2001,(2):3~5

6 王超英,吕金顺,邓芹英.菌类多糖的生物活性与结构关系.

天水师范学院学报,2001,21(5):18~21

7 Y ang Jianhong, et al. Chemical modification, characterization

and structure-anticoagulant activity relationships of Chinese

lacquer polysaccharides; International Journal of Biological

Macromolecules,2002, 31(1-3):55~62

8 Bohn J, Be Miller JN.(1→3)-β-D-Glucans as biological

response modifiers:a review of structure-functional activity

relationship. Carbohydrate Polymers,1995,28:3~14

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161方面才有保证。

2.3.2 品种退化，质量下降。

我国在1976年刚引进甜菊的时候，糖苷的含量是14%，现在普遍达不到10%。农民自己选择种子，只要叶大高产就行，但经济作物质量和产量是对立的，质量好的产量就不高，要选产量高的质量就会下降。这样就影响到原料的质量，原料质量又影响到糖苷的提高和成本的降低。因此，品种的改良也是影响甜菊糖行业健康发展的一个特别要原因。为了提高甜菊糖在工业中的应用程度，投入科研经费进行品种的改良是很有必要的。

２．３．３　甜菊糖生产质量总体水平不高　

我国从70年代后期从日本引进甜叶菊进行试种，80年代初向全国推广并相继续进行了甜菊糖苷生产工艺的研究和产品开发，甜菊苷产品中含苷量从50％、60%、70％，逐步上升至90年代中期的80%左右。目前，全国工业化大生产中产品含苷量最高的可达85％－90％，但总体水平不容乐观．含苷量在80％以下、比吸光度过高的还占有一定的比例，导致大量甜菊糖产品因质量达不到标准而被用户拒之门外，严重阻碍了我国甜菊糖事业的进一步发展。

我国甜菊糖在加工方面精度不够，很多产品不能适应企业的需求，有些高附加值的价格偏高，表明成本较高，生产自动化程度不够。日本进口我们的初级产品进行再加工，机械全部自动化，全厂一般7－8个人就能满足生产，出口的时候产品价格可以翻几番。因此，加快甜菊糖加工技术向应用方面转化，提高产品的附加值和生产效率是今后一段时间甜菊糖生产的一个重要方向。

３　　甜菊糖的发展前景　

如前所述，甜菊糖不仅是一种高甜度、低热值、易溶、味美、耐热、稳定和非发酵性的理想天然甜味剂，安全无毒，而且对人体具有很多保健的功能。因此，被广泛应用于食品、饮料及医药等领域中。甜菊糖可望代替蔗糖而成为21世纪的新糖源，并得到普及和使用，并逐渐被世人所公认，其发展前景是非常乐观的。

从国内情况看，由于市场价格问题，暂时受一定影响。但只要我们能够统一管理，解决问题的根本，一定可以扭转不利的局面，并保持甜菊糖行业的稳定和发展。从国际形势看，中国甜菊糖有可能有大发展。2004年世界卫生组织与粮农组织，要讨论日本提出的甜菊糖作为食品添加剂应用的提议，今年很可能通过。目前欧洲市场还没有认可甜菊糖，所以一旦提议被批准，甜菊糖要有一个新的发展，世界市场会很快打开，我国甜菊糖行业会更上一层楼。

参考文献　

1 王一凡，任岱，周凤贤等.甜菊糖食品中营养成分的研究　

中国现代医学杂志, 1997,7(3)：63~

2 文曜.二十一世纪新型甜味剂－甜菊糖.化工之

友,2001,5:10

3 唐志发.甜菊糖的崛起与发展战略.中国食品工业,1999,6

（2）：52

4 卿石臣.提高甜菊糖产品质量的途径.适用技术市场,2001,7

（上接第１６１页）　

9 Samuelsen Anne Berit,et al. Characterization of a

biologically active pectin from Plantago major L.

Carbohydrate Polymers, 1996,30(1):37~44

10 Mulloy B, et al.. Journal of Biotechnology,2000,77(1) :123

11 Saito H, et al. Carbohydrate Research,1991,217:181~190

12 张丽萍,等.硫酸化对金顶侧耳多糖构象及生物活性的影响

生物化学与生物物理学报,1994,26(4):417~421

13 田庚元,李寿桐,宋麦丽等.牛膝多糖硫酸酯的合成及其抗

病毒活性.药学学报,1995,30(2):107~111

14 史宝军,聂小华,许泓渝.灰树花多糖硫酸酯的制备及其抗

肿瘤活性. 中国医药工业杂志,2003,34(8):383~385

15 张全斌,于鹏展,周革非等.海带褐藻多糖硫酸酯的抗氧化

活性研究.中草药,2003,34(9):824~826

16 周靓,蒙义文.多糖及其衍生物抗病毒作用研究进展.应用

与环境生物学报,1997,3(1):82~90

17 周鹏,谢明勇,傅博强.多糖的结构研究.南昌大学学报(理科

版),2001,25(2):197~204

18 方唯硕译.具有抗HIV活性的天然产物.国外医药植物药分

册.1993,8(2):65～69

19 梁忠岩等.中国药学杂志,1996.10:613~615

20 赵吉福,么雅娟,陈英杰.磺酰化新茯苓多糖的制备及抗肿

瘤作用.沈阳药科大学学报,1996,13(2):125~128

21 诸葛健,等.无锡轻工大学学报,2002,21(2):209~212

22 王长云等. 生物工程进展,2000,20(1):17~20

23 Uryu T,etal.. JMacromol Sci: Pure ApplChem,1996,(12):1863

24 王雁,杨祥良,邓成华等.羧甲基化虎奶多糖的制备及抗氧

化性研究.生物化学与生物物理进展,2000,27(4):411~415.

25 ,田庚元.羟乙基化牛膝多糖的合成及其活性研究.化

学学报,2003,22(10):1692~1696

26 王健,等.中国生化药物杂志,2001,22(1):52~54

158