天然产物化学多糖的构效关系.pptx

糖类化合物的构效关系研究糖类化合物的构效关系研究 Page 22一、多糖一、多糖 多糖是来自于高等植物动物细胞膜以及微生物细胞壁中的天然大分子，是自然界含量最丰富的生物聚合物，由10个以上单糖通过糖苷键连接而成。有机体内多糖作为一种重要的信息分子的受体，参与了分子识别、细胞黏附以及机体防御等过程的调节。多糖作为药物，具有抗肿瘤、抗病毒、抗凝血、抗尿路结石、降血糖、免疫调节、抗感染等生物活性，且毒副作用低，不良反应少，备受青睐。Page 33二、多糖的构效关系二、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。多糖结构的分析是糖化学研究者一项具有挑战性的任务，源于多糖结构中单糖组成、多种异构体、糖元连接顺序、取代基的位置和含量及其三维结构当其中任意的组成发生变化，其活性可能相应的改变。1.多糖结构与抗肿瘤活性的关系 2.多糖结构与抗病毒活性的关系 3.多糖结构与抗凝活性的关系 4.多糖结构与降血糖活性的关系 5.多糖结构与抗尿路结石活性的关系 6.多糖结构与改善大脑功能的关系Page 44 1、多糖的结构与抗肿瘤活性、多糖的结构与抗肿瘤活性1.1多糖抗肿瘤活性与硫酸基数量、位置相关 抗肿瘤活性的多糖一般含有硫酸基，天然多糖经过硫酸酯化结构修饰后，其抗肿瘤活性增加。从灰树花发酵菌丝体中获得水不溶性多糖GAP，经氯磺酸一吡啶法硫酸化修饰后制得能溶于水的硫酸化灰树花多糖（S-GAP），体外S-GAP对人胃癌细胞SGC-7901有直接杀伤作用,且随多糖浓度及作用时间的增加而增加，呈现量效关系，在高浓度时S-GAP对肿瘤细胞有直接细胞毒作用。Kolender等通过NMR等技术对一些硫酸多糖的结构测定，发现其生物活性与硫酸化的位点密切相关，如过硫酸化修饰的岩藻依聚糖C3和C4位均有-SO4，而天然的岩藻依聚糖仅在C3或C4位有-SO4。因此，经过硫酸化修饰的岩藻依聚糖与VEGF165阴离子有更多的结合位点，增强了相互结合能力，可见多糖硫酸根位置也影响其抗肿瘤活性。Page 551.2 多糖的抗肿瘤活性与糖苷键有关 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(13)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(14)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。多数具有突出生物学活性的葡聚多糖都以(13)糖苷键连接。如以(13)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%(13)葡聚糖和66%(14)葡聚糖组成的混合多糖）衍生物。以(16)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-(13)或(16)葡聚糖。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(16)键型；活性半乳多糖则以(13)键型连接。Page 661.3 多糖的抗肿瘤活性与支链分支度有关 对有抗肿瘤活性的多糖结构研究显示，水溶性-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。Page 771.4 多糖的抗肿瘤活性与聚合度相关 多糖聚合度不同，其免疫调节活性不同，进而影响其抗肿瘤活性。Andrew Walker等用肝素酶及亚硝酸降解硫酸乙酰肝素，得到聚合度为6-16的硫酸寡糖，发现聚合度大于12的硫酸寡糖与碱性成上皮纤维生长因子（bFGF）有较高的亲和力，抑制bFGF活性，而聚合度小于12的硫酸寡糖没有此活性。bFGF是肿瘤细胞侵袭迁移的相关活性子,在多数肿瘤细胞中高表达，抑制其活性，可发挥抗肿瘤作用。研究表明肝素和硫酸乙酰肝素（HS）等硫酸多糖，在与生长因子等相互作用时，需要一定聚合度的糖苷元，才能包涵糖配体上与蛋白结合的结构位点，发挥活性作用。聚合度：指聚合物大分子中重复结构单元的数目，亦称链节数，用n表示。由于高聚物大多是不同分子量的同系物的混合物，所以高聚物的聚合度是指其平均聚合度。Page 881.5 多糖的抗肿瘤活性与金属离子络合有关 糖与金属元素或微量元素络合也影响其活性。针对无机元素被人体吸收后容易产生毒性作用的实际情况，不少学者试图通过多糖具有多羟基的特性，使多糖络合无机元素，使之转化成有机化合物，以避免毒性，充分发挥元素的作用。张亚菲等人利用合成的硒化黄芪多糖，给荷S180肉瘤雄性昆明小鼠腹腔注射后观察黄芪多糖和硒化黄芪多糖的抑瘤效果和抗氧化作用。结果表明黄芪多糖的抑瘤率为23.6%，硒化黄芪多糖的抑瘤率达51.1%，黄芪多糖硒化之后对S180肉瘤有更强的抑制作用。朱建伟等研究发现灵芝锗多糖可抑制小鼠S180肉瘤的生长，能增强荷瘤小鼠腹腔巨噬细胞的活性。多糖络合了无机元素可增加其抗肿瘤活性，但是具体机制不详。Page 992.多糖的结构与抗病毒活性关系多糖的结构与抗病毒活性关系 综合目前国内外研究来看，多糖对艾滋病病毒、疱疹病毒及流感病毒等具有良好的抑制作用，且具有活性的多为硫酸多糖。人工分子修饰亦增加硫酸根修饰，使原来不含有硫酸根或硫酸根含量低的多糖表现出较强的抗病毒活性。近几年研究表明，多糖硫酸化基础上进行乙酰化等，可提高硫酸多糖亲脂性，利于透过多层生物膜屏障发挥作用，提高了硫酸多糖抗病毒活性。Page 10102.1 2.1 多糖的结构与抗艾滋病病毒（多糖的结构与抗艾滋病病毒（HIVHIV）活性）活性2.1.1 多糖抗HIV活性与聚合度和分子量的关系 糖类化合物发挥生物活性主要是其长链分子内活性单元的存在，在与病毒膜蛋白相互作用时，通常存在一个结构特异的最小活性单位，对不同的蛋白因子，糖的最小活性序列的结构和长度是不同的，它反映了靶分子上主要作用靶点对配体的结构性要求，如硫酸褐藻多糖SPMG，是将海洋中的褐藻多糖硫酸化修饰获得的1，4-甘露糖醛酸多糖，平均每个糖单位含1.5个硫酸基，重均分子量为10kDa。SPMG是我国第一个进入临床二期研究的抗AIDS的海洋硫酸多糖。SPMG通过与HIV表面糖蛋白gp120蛋白结合从而抑制HIV病毒对细胞的侵袭，在体内外均具有抗AIDS的活性。Page 11112.1.2 多糖抗HIV活性与分子链的关系 硫酸多糖抗HIV-1活性与分子中的主链结构有关。一般来说，-（1,3）-D-葡聚糖和主链（1,3）键占优势的-D-葡聚糖都具有活性，而-（1,6）-D-葡聚糖活性低。从菌体中提到的活性多糖一般为葡聚糖组成，而且葡聚糖主链上的-1,3糖苷键和支链上的-1,6糖苷键为基本结构。硫酸化的同多糖比硫酸化杂多糖有更高的抗HIV-1活性。Yoshida等认为，硫酸多糖具有高活性还与构成主链的单糖环的类型有关，由呋喃单糖组成的硫酸多糖的抗HIV-1活性高，并随脱氧糖含量的降低而加强。因此多糖的主链结构，即糖单元类型、糖苷键、单糖环等，影响了多糖的抗HIV的活性。Page 12122.2 2.2 多糖的结构与抗疱疹病毒抗流感病毒活性的关系多糖的结构与抗疱疹病毒抗流感病毒活性的关系 具有抗疱疹病毒抗流感病毒活性的多糖一般为硫酸多糖。印度学家Sutapa等从海洋红藻Gracilaria corticata中提取的高分子量的硫酸半乳糖多糖。硫酸基是在1,3-D-半乳糖的C-4位和1,4-L-半乳糖C-位，硫酸半乳糖选择性抑制单纯疱疹病毒HSV-1 HSV-2与其宿主细胞的结合，而且没有细胞毒性，为其成为临床抗HSV的候选药物奠定了基础。硫酸根的含量高低影响其活性的大小，肝素在每个糖残基含1.5-2.0个硫酸根时活性最佳。当硫酸多糖中每个己糖单位含1个硫酸基时，对单纯疱疹病毒的抑制作用最强。Page 13133.多糖的结构与抗凝活性多糖的结构与抗凝活性3.1 多糖抗凝活性与分子量的关系 以肝素为代表的硫酸多糖是一类重要的抗凝血药物。目前对多糖抗凝机制研究最多的是肝素，肝素含有独特的五糖结构与抗凝血酶（AT-）结合，催化灭活凝血因子a,a,a,a和a，发挥抗凝血作用。这个五糖属于氨基葡萄糖类，且仅在第三个糖有O-3位取代的硫酸根。进一步研究表明，AT-对Xa的抑制只需五糖序列，而对a的抑制不仅需要五糖序列，至少还需要五糖序列附近的13个糖残基，这样长度的肝素链才能作为桥梁，使AT-与a结合形成一个三元复合体，加速对a的抑制。因而，聚合度小于18的肝素（分子量约5400），在抗a及通用的抗凝检测上活性很低。而聚合度小于18的肝素及合成的肝素五糖具有很高的抗Xa活性，但不通过AT-增强对a的抑制。根据上述机理，制成了低分子量肝素，低分子量肝素相对分子质量范围在100010000，平均4500左右，大部分在5400以下，具有较强的抗Xa作用和较弱的抗a作用，因而抗栓作用大，抗凝作用小，临床使用低分子量肝素抗血栓及抗脑缺血，减少了完整肝素带来的出血及血小板减少等副作用。Page 14143.2 多糖抗凝活性与硫酸根的取代位置和含量的关系 Mulloy用NMR技术鉴定了硫酸多糖的结构，发现其抗凝活性还取决于硫酸根的取代位置。硫酸软骨素B中硫酸取代位置的微小变化，把4-O取代变为6-O取代，引起抗凝活性的完全丧失。从海鞘类动物内提取的多糖，结构与硫酸软骨素相似，但是硫酸化位置在氨基半乳糖C6位，尽管其硫酸化程度很高，但仍不具有抗凝的生物活性 说明对多糖抗凝血活性而言，C4位取代比较重要，C6位取代作用不明显。昆布多糖经硫酸化后的衍生物有肝素样作用，由-1,4-D-甘露糖醛酸和-1,4-L-古罗糖醛酸组成的褐藻酸，硫酸化后也有抗凝血作用。含硫量为5.15时，具有强的类似肝素的阻凝作用；含硫量达17%时，呈现显著的抗凝血作用。可见，硫酸多糖抗凝活性与分子量和硫酸根含量密切相关。但硫酸多糖不作为抗脑缺血类药物，而要发挥其他作用诸如抗肿瘤抗病毒等时，抗凝成为其副作用，为此，要严格将硫酸多糖分子量和硫酸根含量控制在一定范围内。为硫酸多糖药物生产提供质量指标。Page 15154.多糖结构与降血糖活性的关系多糖结构与降血糖活性的关系 近年来发现大多数真菌多糖具有很好的降血糖功效，并可通过不同的途径发挥降血糖作用，包括通过促进胰岛素的分泌、改善胰岛素抵抗、加速肝葡萄糖代谢及外周组织对葡萄糖的利用、减少对葡萄糖的吸收等途径发挥降血糖作用。研究发现茶多糖经硫酸酯化后，降血糖活性显著提高。而且茶多糖经金属离子Ca2+、Fe3+络合后，Ca2+络合物降血糖活性减弱，而Fe3+络合物降血糖活性较持久，这可能与络合后活性位点被占据与否、空间结构是否利于多糖受体结合有关。水溶性茶多糖都具有降血糖活性，但酸性杂聚糖的降血糖活性比中性茶多糖强，其中分子量为4430的酸性杂多糖降血糖活性最强，这可能与其含有半乳糖醛酸的光滑区和带中性糖侧链的鼠李半乳糖醛酸中心及乙酰取代基的结构有关。Page 16165.多糖结构与抗尿路结石活性的关系多糖结构与抗尿路结石活性的关系 研究表明具有抑制尿路结石的活性的糖多为硫酸多糖。因多糖中的硫酸根可与尿液中Ca2+络合，降低尿石盐的过饱和度，抑制尿石盐的生长和聚集。硫酸多糖可附着在草酸钙晶体表面，阻止其生长和聚集，在尿路细胞表面形成保护膜，防止晶体滞留。动物实验表明，从海藻中提取的硫酸-角叉胶可与细胞外Ca2+络合形成稳定的复合物，并可进入小鼠胸腺细胞和脾细胞内，从而降低消化液和排泄液中Ca2+浓度，达到抑制草酸钙成核的目的。临床研究表明，口服从海藻中提取并经改良的分子量为5000-6000的硫酸多糖能明显增加尿石症患者24h尿中GAGS（葡萄糖胺聚糖）含量，而GAGS对尿石的成核生长和聚集具有抑制作用。进一步研究表明，天然硫酸小分子量的海藻硫酸多糖比大分子量的海藻硫酸多糖能更有效地抑制大鼠膀胱内草酸钙结石的形成。Page 17176.多糖结构与改善大脑功能的关系多糖结构与改善大脑功能的关系 许多实验表明多糖能改善大脑功能，提高认知功能，尤其是能与蛋白质脂类形成糖复合物的如葡萄糖、甘露糖、半乳糖、木糖、N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰神经节苷脂、N-乙酰氨基半乳糖等，它们能改善海马细胞功能，增加神经突触的功能，进而提高记忆能力。如Wetzel等训练大鼠逃避实验前预给药半乳糖100mg/kg，结果发现增加了半乳糖与糖蛋白的结合，并提高训练大鼠24小时后的记忆功能。又如南沙参多糖可升高大鼠脑中单胺类递质含量及血糖含量，抑制乙酰胆碱酯酶AchE活性，改善东莨菪碱所致大鼠学习记忆障碍。Page 1818三、总结三、总结 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。