聚糖化学学习.pptx
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1、糖知识回忆糖知识回忆糖类物质糖类物质多羟基醛或酮的化合物、聚合物或衍生物。多羟基醛或酮的化合物、聚合物或衍生物。根据分子大小分类根据分子大小分类单糖、寡糖、多糖;单糖、寡糖、多糖;根据组成分类根据组成分类均一多糖、杂多糖、均一多糖、杂多糖、糖蛋白、糖脂等。糖蛋白、糖脂等。高级生物化学第1页/共130页1.1 1.1 糖生物学糖生物学19881988年,牛津大学生化系的德韦克在年,牛津大学生化系的德韦克在生化年评生化年评上上,提出了提出了“糖生物学糖生物学”(Glycobiology)Glycobiology)概念概念,并发表了题为并发表了题为糖生物学糖生物学的综述。的综述。高级生物化学第2页/
2、共130页糖链的多样性和复杂性糖链的多样性和复杂性4 4 种核苷酸每种核苷酸每3 3个一组,可组成:个一组,可组成:4 43 3=64=64 个三联体密码个三联体密码而而4 4种己糖则可组成:种己糖则可组成:3 3万多种寡糖链。万多种寡糖链。所以,糖链结构具有极端复杂的特性所以,糖链结构具有极端复杂的特性糖链信息量大:糖链信息量大:糖链所包含的信息量远远大糖链所包含的信息量远远大于核酸和蛋白质于核酸和蛋白质(甚至大几个数量级)(甚至大几个数量级)高级生物化学第3页/共130页l活性多聚糖:如:活性多聚糖:如:血管内皮细胞血管内皮细胞白细胞黏白细胞黏附分子附分子(E-E-选择蛋白),能识别白细胞
3、表面选择蛋白),能识别白细胞表面SLexSLex抗原抗原(四聚糖表面抗原)。四聚糖表面抗原)。l当组织受损或感染时,当组织受损或感染时,白细胞通过其表面白细胞通过其表面SLexSLex抗原黏附于血管内皮细胞表面的抗原黏附于血管内皮细胞表面的白细胞白细胞黏附分子上黏附分子上进入受损组织,进而杀灭入侵病进入受损组织,进而杀灭入侵病原体。原体。l但过多的但过多的白细胞聚集,会引起炎症及类风湿白细胞聚集,会引起炎症及类风湿等自身免疫性疾病。等自身免疫性疾病。高级生物化学高级生物化学第4页/共130页美籍华裔科学家美籍华裔科学家王启辉王启辉首先用酶法合成了首先用酶法合成了SLexSLex(4 4聚糖聚糖
4、表面抗原表面抗原);之前的推算价格:之前的推算价格:2020亿美元亿美元/千克。经他合成后,价格降低了千克。经他合成后,价格降低了3 34 4个数量个数量级,并已由凯特尔级,并已由凯特尔(Cytel)(Cytel)公司生产。公司生产。此后,格力斯迈德此后,格力斯迈德(Glycomed)(Glycomed)公司从甘草中,发现了公司从甘草中,发现了SLexSLex类似物类似物-甘草素,甘草素,可识别可识别E-E-选择蛋白,因此封闭血管内皮细胞表面的选择蛋白,因此封闭血管内皮细胞表面的E-E-选择蛋白,因而可抑选择蛋白,因而可抑制白细胞聚集,从而达到制白细胞聚集,从而达到抗炎抗炎的目的。的目的。高级
5、生物化学高级生物化学第5页/共130页多糖多糖 (polysaccharides,PS)(polysaccharides,PS)多聚糖广泛地存在于动物、高等植物、微生物多聚糖广泛地存在于动物、高等植物、微生物(细菌和真菌细菌和真菌)及海藻等机体中。及海藻等机体中。多糖的生物活性、功能及特点:多糖的生物活性、功能及特点:复杂、多样复杂、多样例如:例如:广谱免疫促进剂,具有免疫调节功能广谱免疫促进剂,具有免疫调节功能广谱免疫促进剂,具有免疫调节功能广谱免疫促进剂,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、疫
6、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、降血脂等疗效;抗放射、抗凝血、降血糖、降血脂等疗效;高级生物化学第6页/共130页 促进核酸与蛋白质的生物合成促进核酸与蛋白质的生物合成 可控制细胞分裂和分化,调节细胞的可控制细胞分裂和分化,调节细胞的生长与衰老;生长与衰老;毒性较低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,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。有大量活性多糖被发现,并证实均具有广泛的生物功能。高级生物化学第7页/共130页研究发现:研究发现:多糖活性与其结构密切相
7、关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;高级生物化学第8页/共130页多糖缺点: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。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:寡糖优点:分子量小,结构简单,溶解性增强,低毒性,因此,稳定性和安全性较好。分子量小,结构简单,溶解性增强,低毒性,因此,稳定性和安全性较好。许多多糖链经断裂后,可使活性提高,许多多糖链经断裂后,可使活性提高,寡糖的低毒性寡糖的低毒性是多糖
8、与其他天然活性物质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。所不能比拟的,因此,对寡糖的研究日益受到重视。高级生物化学第9页/共130页对海洋生物活性物质的开发利用,是近对海洋生物活性物质的开发利用,是近3030年发展起来的。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。要地位。海藻多糖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,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。毒副作用
9、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。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。高级生物化学第10页/共130页1.2 寡寡 糖糖寡糖寡糖(oligosaccharide)(oligosaccharide)由由2-2-2020个单糖分子通过糖苷键连接而成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;的化合物,它广泛存在于生命体内;主要以糖蛋白、糖脂和糖肽等糖化主要以糖蛋白、糖脂和糖肽等糖化合物的形式参与生命活动;合物的形式参与生命活动;发挥生物学功能的多为发挥生物学功能的多为寡糖残基。寡糖残基。高
10、级生物化学第11页/共130页功能性低聚糖功能性低聚糖低聚果糖、低聚水苏糖、低聚木糖、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。低聚半乳糖、低聚异麦芽糖等。功能性低聚糖的吸收:功能性低聚糖的吸收:人体肠胃道不含水解某些低聚糖的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;酶系统,故不能被消化吸收;直直接进入大肠被双歧杆菌利用,是接进入大肠被双歧杆菌利用,是肠道肠道有益菌有益菌的增殖因子,因此这些的增殖因子,因此这些功能性低聚糖又被称为功能性低聚糖又被称为益生元。益生元。第12页/共130页现已发现在激素、抗体、维生素、生长素和其他各种生物大分子中都有现已发现在激素、
11、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。信号功能,桥梁作用。高级生物化学第13页/共130页 寡糖的分类和结构类型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然寡糖种类繁多,构成寡糖的单糖在自然界分布广;界分布广;意义较大的是五碳糖和六碳糖,尤其以意义较大的是五碳糖和六碳糖,尤其以六种单糖组成为多:六种单糖组成为多:葡萄糖葡萄糖(glucose)(gl
12、ucose)、果糖、果糖(fructose)(fructose)、半乳糖半乳糖(galactose)(galactose)、木糖、木糖(xylose)(xylose)、阿拉伯糖阿拉伯糖(arabinose)(arabinose)和甘露糖和甘露糖(mannose)(mannose)。高级生物化学第14页/共130页根据构成寡糖的单糖种类可将寡糖分为根据构成寡糖的单糖种类可将寡糖分为同源寡糖同源寡糖(均一均一),即由同一种单糖反,即由同一种单糖反复成苷结合而成的寡糖;复成苷结合而成的寡糖;异源寡糖异源寡糖(不均一不均一),即由两种或两种以上单糖构成的寡糖及其衍生物;,即由两种或两种以上单糖构成的寡
13、糖及其衍生物;寡糖侧链化学修饰包括:寡糖侧链化学修饰包括:胺基化、羧基化、磺酸化、磷酸化等。胺基化、羧基化、磺酸化、磷酸化等。高级生物化学第15页/共130页 寡糖的生物学活性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;安全性都远高于多糖;同时许多多糖链在经过不同形式的断裂后,使原有同时许多多糖链在经过不同形式的断裂后,使原有生物活性大大提高,生物活性大大提高,有些甚至有些甚至产生了特殊活性,产生了特殊活性,同时寡糖还具有同时寡糖还具有低毒低毒特征,因此目前特征,因此目前对寡糖对
14、寡糖活性活性的研究极为重视。的研究极为重视。高级生物化学第16页/共130页寡糖是生物体内重要的信息物质,参寡糖是生物体内重要的信息物质,参与细胞接触与识别。如:与细胞接触与识别。如:在细胞表面、细胞之间通讯,识别和在细胞表面、细胞之间通讯,识别和相互作用;相互作用;在胚胎发育,细胞代谢,信号传递,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。胞的相互作用等方面起着重要作用。高级生物化学第17页/共130页有些寡糖能有些寡糖能激活植物的自我防卫系统。激活植物的自我防卫系统。有些寡糖有些寡糖能诱导根瘤菌的固氮作用。
15、能诱导根瘤菌的固氮作用。有些寡糖可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。常细胞的侵袭。有些寡糖有些寡糖具有抗菌、抗病毒及提高免疫活性的功能。具有抗菌、抗病毒及提高免疫活性的功能。一些寡糖一些寡糖具有肝素的凝血功能。具有肝素的凝血功能。研究表明:血型决定族寡糖很有希望成为防治癌症的药物。研究表明:血型决定族寡糖很有希望成为防治癌症的药物。高级生物化学第18页/共130页寡糖具有营养保健功能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
16、或根本不产生统,在摄入之后,它很少或根本不产生热量,热量,可有效地防治肥胖病、高血压、可有效地防治肥胖病、高血压、糖尿病等。糖尿病等。纯寡糖如:乳果糖、果聚糖、大豆低聚纯寡糖如: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糖、异麦芽糖等可导致双歧杆菌生长因子子;寡糖被双歧杆菌发酵寡糖被双歧杆菌发酵脂肪酸脂肪酸肠道肠道内内pHpH值下降值下降有害菌群有害菌群调整微生物调整微生物群落的合理分布群落的合理分布B B族维生素族维生素、促进肠、促进肠蠕动、蛋白质吸收加快蠕动、蛋白质吸收加快提高免疫力。提高免疫力。高级生物化学第19页/共130页寡糖研究现状寡糖研究现状寡糖原料难得、制取困难
17、,寡糖原料难得、制取困难,例如:某些糖蛋白、糖脂上寡糖链例如: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,许多高活性寡糖还处于试验阶段,制备方法:制备方法:合成或降解为主合成或降解为主分离检测技术尚不完善分离检测技术尚不完善因此,因此,寡糖研究缓慢寡糖研究缓慢第20页/共130页 海洋寡糖的生物活性海洋寡糖的生物活性海洋寡糖海洋寡糖来源于海洋生物的寡糖类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。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,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。结构与内源
18、性寡糖有很多相似点,因此具有巨大的实用性和开发潜力。高级生物化学第21页/共130页卡拉胶寡糖的卡拉胶寡糖的抗肿瘤活性:抗肿瘤活性:对小鼠对小鼠S S180180肉瘤具有抑制作用;肉瘤具有抑制作用;促进超氧化物歧化酶促进超氧化物歧化酶(SOD)(SOD)和过氧化氢酶和过氧化氢酶(CAT)(CAT)活性,具有抗氧化功能。活性,具有抗氧化功能。促进效果促进效果 硫酸取代硫酸取代 低低 硫酸取代硫酸取代 高高推测抗肿瘤活性主要来源于抗氧化活性、免疫调节功能。推测抗肿瘤活性主要来源于抗氧化活性、免疫调节功能。高级生物化学第22页/共130页 寡糖生物活性的作用机理寡糖生物活性的作用机理寡糖类的生物活性
19、通常是寡糖类的生物活性通常是建立在细胞水平,建立在细胞水平,主要作为主要作为调控因子或信号传导因调控因子或信号传导因子子。目前对目前对寡糖在细胞表面受体功能区域寡糖在细胞表面受体功能区域及及精确定位精确定位功能有了较深入的了解,这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论基础。为发展新一代寡糖药物奠定了理论基础。寡糖类药物主要涉及:寡糖类药物主要涉及:分子间的相互作用与契合,分子间的相互作用与契合,所以所以对其结构要求非常严对其结构要求非常严格。格。特点:特点:专一性高、效力高、副作用低和抗药性低等优点。专一性高、效力高、副作用低和抗药性低等优点。高级生物化学第23页/共130页糖
20、类化合物的糖类化合物的化学修饰化学修饰及其及其对生物活性的影响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。大,限制了其作为药物应用。进行化学修饰可起到下列作用: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、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。修饰被高度重视。高级生物化学第
21、24页/共130页卡拉胶及其分解的寡糖卡拉胶及其分解的寡糖卡拉胶是由某些红藻的细胞壁中卡拉胶是由某些红藻的细胞壁中提取的提取的一种多糖一种多糖(属于细胞壁多糖属于细胞壁多糖);我国早期称其为咖啦胶、角叉莱我国早期称其为咖啦胶、角叉莱胶、麝角菜胶等,后统称为卡拉胶、麝角菜胶等,后统称为卡拉胶。胶。第25页/共130页卡拉胶:一种硫酸半乳聚糖卡拉胶:一种硫酸半乳聚糖卡拉胶结构特点:卡拉胶结构特点:1,3-D1,3-D半乳糖和半乳糖和1,4-D1,4-D半乳糖交替连接形成骨架结构。半乳糖交替连接形成骨架结构。根据半乳糖中根据半乳糖中是否含有是否含有内醚内醚以及以及半乳糖上硫酸基的半乳糖上硫酸基的数量
22、数量和连接和连接位置位置不同区分不同区分为为-、-、-、-、-、-、-七种类型。七种类型。常见的卡拉胶多为常见的卡拉胶多为-、-、-型型高级生物化学第26页/共130页高级生物化学1,3-D-半乳糖1,4-D-半乳糖内醚第27页/共130页高级生物化学内醚内醚第28页/共130页卡拉胶的基本性质卡拉胶的基本性质理化性质、组成与结构:理化性质、组成与结构:溶于热水,溶于热水,不溶于有机溶剂;不溶于有机溶剂;凝胶强度和粘度: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。受分子量、离子强度、盐、氧化剂及其他化学物质的影响。卡拉胶卡拉胶(凝胶和非凝胶凝胶和非凝胶)与蛋白质反应:与
23、蛋白质反应:通过通过硫酸基硫酸基与与离子型蛋白质分子发生离子反应离子型蛋白质分子发生离子反应。反应依赖于蛋白质反应依赖于蛋白质等电点、环境等电点、环境pHpH值、卡拉胶与蛋白质比率等。值、卡拉胶与蛋白质比率等。高级生物化学第29页/共130页卡拉胶的应用卡拉胶的应用卡拉胶性能优良,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。的应用。最主要的是食品添加剂最主要的是食品添加剂(如凝固剂、稳
24、定剂、乳化剂、悬浮剂、增稠剂等如凝固剂、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。广泛应用于果冻、饮料、乳制品、肉制品等食品工业。高级生物化学第30页/共130页卡拉胶的生物学活性卡拉胶的生物学活性卡拉胶是一种有效的卡拉胶是一种有效的体内致炎剂体内致炎剂,广泛用于各种,广泛用于各种抗炎剂的检验。抗炎剂的检验。卡拉胶有较强的抗病毒活性。卡拉胶有较强的抗病毒活性。是有效的是有效的抗胃蛋白酶、抗溃疡、抗凝、抗栓物质;抗胃蛋白酶、抗溃疡、抗凝、抗栓物质;具有: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。抑制胃蛋白酶活性、保护组织、抑制溃
25、疡、抗凝血、清除血脂等功能。高级生物化学第31页/共130页硒化卡拉胶硒化卡拉胶的生物活性的生物活性保护心脏;保护心脏;抗氧化;抗氧化;免疫调节;免疫调节;降血糖;降血糖;抗肿瘤;抗肿瘤;安全性好安全性好高级生物化学第32页/共130页海藻多糖的研究与进展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,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。但近几年来又有了大幅度的提升。第33页/共130页20052005年前后,年前后,支撑海藻产业的褐藻胶、琼胶、支撑海藻产业的褐藻胶、琼胶、卡拉胶及甘露醇的卡拉胶及甘露
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