现代糖生物学进展

现代糖生物学进展

在网上找到一篇现代生物学进展的文章,觉得非常不错,现录下来,有空闲时慢慢欣赏: 什么是糖生物学，简单地说就是研究多糖及其衍生物的结构、生物合成及生物学功能的科学。多糖是生物高分子家族中一个最丰富多彩的成员，广泛存在于各种植物、动物、微生物组织中，具有免疫调节、抗肿瘤、降血糖等多种生物活性。其最大优点是毒副作用小，来源广泛，资源丰富。尤其是来源于中草药的植物多糖，受到许多国家的重视。20世纪末，糖生物学开始蓬勃发展而引起世人注意，它是糖化学和生物学研究相结合的新兴学科，主要研究糖类化合物的结构、生物合成和生物学功能。本专题旨在介绍糖生物学的历史，糖生物学研究的内容，糖缀合物中糖链的结构及其生物学功能，天然多糖的组成及结构，天然多糖的生物学功能，以及糖生物学研究的发展等。

1 糖生物学的历史

“糖生物学”起初由糖化学开始，而后是糖生物化学。20世纪初期，糖类化合物的化学、生物化学和生物学曾引起科学界很多人的关注。当糖生物化学研究积累了大量的资料，发现糖类化合物的研究与生物学的诸多领域出现了交叉，这就孕育了糖生物学的出现。1988年，一篇以“糖生物学”为题目的综述刊登在当年的“生物化学年评”，由此宣告了糖生物学这一分支学科的正式诞生。然而，当时由于糖类化合物自身结构的复杂性，使之难于测序，致使糖类化合物的研究远远滞后于蛋白质、核酸和脂类的研究。因此，人们为研究这些糖类化合物建立了一些新的工艺方法，这也为分子生物学研究领域开辟了另一个新的前沿，称为“糖生物学（glycobiology）”。20世纪末期，糖基转移酶转基因细胞的产生，钙粘素N-CD1单晶三维结构的阐明，肝素抗凝血五糖模拟物的合成，这些研究的出现极大地推动了糖生物学学科的发展。随后，科学家将糖化学和生物化学的传统原则与现代细胞和分子生物学对聚糖的研究相结合，而创用了“糖生物学”一词。如今“糖生物学”已经得到了广泛的认可，并创立专门的生物学杂志，日益壮大的科学学会和著名的戈登研讨会议，这些都是以“糖生物学”来命名的。

目前糖生物学广义地被定义为，研究自然界中广泛分布的糖类（糖链或聚糖）的结构、生物合成和生物学功能的一门科学。实际上，糖生物学的研究焦点是糖类与其他分子的关系。糖生物学的研究包括对糖类化合物的命名，对其生物合成、结构和化学合成以及生物学功能的研究，还涉及部分分子遗传学、细胞生物学、生理学和生物化学这些基础学科方面的研究。

2 糖生物学研究的主要内容

近年来，糖生物学研究的主题主要基于如下问题： （1） 糖类化合物与其受体之间相互作用的分子机制如何？ （2） 应以何种功能实验来阐明糖类化合物的生物学角色？

（3） 如何将糖类化合物更好地应用于医疗保健中？

若要完全解决糖生物学的这些基本问题，尚需数十年的努力。然而，迄今为止，人们已经揭示出糖类化合物的部分生物学功能，将在下述内容中加以介绍。

3 糖生物学研究领域中的常见术语

人们将糖定义为多羟基醛或多羟基酮的化合物，或者能水解出上述单体的化合物。而单糖是一类不能水解为更简单的糖单位的化合物。单糖在其碳链末端有一个羰基（即醛基），或者在碳链内部的一个碳原子上有一个羰基（即酮基）。这两种单糖称为醛糖或酮糖。游离的单糖可以以直链或环状形式存在 。

图2-1 单糖的存在形式

一般来说，碳水化合物含有多个单糖(monosaccharide)，它们连在一起成为寡聚体或多聚体，又叫做寡糖或多糖。

糖苷键是将一个单糖和另一个残基相连的共价键，特别是通过异头碳上的羟基和另一个残基相连。按照氧与异头碳的关系又可分为α连接或β连接。尽管其顺序和组成一样，但这两种类型的连键各具有不同的结构性质和生物功能。糖缀合物(glycoconjugate)是指含有单糖的糖基部分以共价键与另一种天然构件单位（如氨基酸、肽类或脂类）相连的大分子，例如糖蛋白(glycoprotein)、糖脂（glycolipid）和蛋白聚糖( protoglycan)。每一种糖缀合物都是一个或多个单糖或多个寡糖单位（即糖体，glycone）以共价键和另一个非糖组分（即配糖体，aglycone）结合。糖缀合物中没有和配糖体结合的寡糖通常都能保留其末端单糖组分的还原性。因此，该末端又称为还原末端，另一端则称为非还原末端。这与核酸链的3’端与5’端之分，多肽链的氨基端和羧基端之分相类似。

4 糖缀合物中糖链的结构及其生物学功能

由单糖引起的糖链变化多于氨基酸或核苷酸。核苷酸和蛋白质都是线性多聚物，都只有一种基本的连接键。而理论上，每一个单糖都能以一个α或β键与链中的另一个单糖的一个或几个位点连接，或与其他单糖分子连接。由此可知，3个氨基酸或3个核苷酸都只能产

生6种变体，但3个己糖根据考虑因素的不同，可组成三糖种类的数目在1056到27648之间。如果聚合体中的单位个数增加，其差值还会进一步增大。对于己糖的六聚体，其可能的组合可达万亿之多。因此，理论上，在复杂的生物体系中，可能存在的糖的数量是不可思议的。对于学习糖生物学的学生来说，值得庆幸的是，自然界存在的生物大分子只含有少数的单糖，其结合键型的数目也十分有限。但对于从事糖生物学研究的人员来说，该领域仍有很大的研究空间等待开发。

随着糖链结构分析技术的进步和分子生物学技术的发展，研究糖链功能的方法和技术，如内切酶、外切酶、糖链合成的抑制剂的应用、DNA定点突变技术和糖基转移酶基因工程技术的快速发展，糖链的生物学功能也已逐渐得到阐明。研究结果表明，糖链作为信息分子参与细胞生物几乎所有的生命过程，特别是在细胞分化、发育、免疫、老化、癌变、信息传递等生命和疾病过程中起着特异性的识别、介导与调控作用。

4.1 调控机体免疫应答

糖链通过糖蛋白的抗原性和免疫原性与免疫应答相互关联。

糖链对糖蛋白抗原性的影响：有些糖链可以被抗体识别。例如人类免疫系统中就存在着以特异性糖基决定簇为靶点的循环抗体。含量约占循环免疫球蛋白G(IgG)家族1%的一类IgG，可对Gal(α1-3)Gal(b1-4)GlcNAc表位发生特异性结合。ABO血型系统是第一个与遗传病无关的单纯的人类特征多态性的体现，也是糖链被抗体识别的经典之作。

GalNAc(α1-3)[Fuc(α1-2)]Gal(b 1-) A Gal(α1-3)[Fuc(α1-2)]Gal(b 1-) B Fuc(α1-2) Gal( b 1-) O(H)

作为ABO(H)抗原基础的糖链结构依赖于为糖基转移酶编码基因的特性与形式，同时决定了它们的合成。这些抗原的结构最初是在红细胞表面被发现的，因此又被命名为“血型抗原”。后来，在其它组织和人体分泌物中也发现其存在。ABO分类是基于在红细胞表面A抗原与B抗原的存在与否，以及当相应的抗原缺失时，在血浆中两种抗体（即抗A 和抗B）的存在为分类依据的。若A-或B-型中的糖链结构不进一步修饰，则称为O型或H型，这种血型通过抗-H抗体来确定。

ABO(H)抗原的基础——糖链结构取决于以下两个因素，即遗传因素和编码糖基转移酶的基因的表达，该基因的表达决定了糖基转移酶的合成。少数情况下，在O型个体的所有细胞中均表达H抗原，即红细胞糖蛋白的α-1，2-海藻糖的末端存在半乳糖残基。A、B以及AB血型的抗原还需进一步糖基化，在各自酶的催化下，分别加上一个N-乙酰半乳糖胺或半乳糖残基。

糖链对糖蛋白免疫原性的影响：人类免疫系统能产生癌细胞合成的“拟糖链”抗体。因为在癌症病人的血浆中能够检测出带有糖表位的肿瘤相关抗原(TAAs)或这些TAAs的抗

体，通过测定TAAs或TAAs抗体的有无可以对一些癌症进行免疫诊断，并且通过测定它们的含量可以对肿瘤的发展进行跟踪。关于以TAAs的单克隆抗体为基础进行癌症免疫治疗的问题，多年来已经做了许多尝试，虽然获得的抗体与肿瘤细胞之间的某些作用机理尚不明确而未取得成功，但它仍具有广阔的发展前景。

4.2 介导细胞识别信号

当人们对糖缀合物中糖链的生物学作用研究深入后，“作为识别信号的糖链”这一概念迅速发展起来，并通过对各种膜（包括病毒、细菌、真菌、植物和低等、高等动物）表面上糖缀合物的大量研究得到了系统地发展。糖缀合物中糖链的作用由参与分子与膜之间的相互作用迅速发展为参与膜与膜之间的相互作用，由此加深对细胞识别和粘附的分子机制的认识，这些都能促进对膜上糖缀合物功能的研究。

由于癌细胞膜上某些糖缀合物结构被明显修饰，癌细胞膜上出现的畸形分子或许与癌细胞的反常行为和瘤转移有关。事实上，修饰后的糖缀合物可能作为抗体识别信号在原处发挥作用，这也解释了癌细胞的分散和逃离，而且，它们可以成为血管内皮细胞的识别信号，同时对次生肿瘤的形成起到重要作用。

凝集素是能够识别某些具有特定结构特征的糖链的糖蛋白，通过与糖形成非共价连接，进而完成特异性的识别。每个凝集素分子含有两个或两个以上糖结合位点，即糖类识别域（CRD）。从CRD的数目看，凝集素是二价的或多价的，因此在两个或多个细胞表面可以通过与糖基结合来完成细胞间的交联，形成细胞聚集物，称作凝集。通过凝集素发生的红血球凝集，即高度糖基化的血红细胞凝集，被称为凝血。凝血是凝集素的一个重要特征，经常用作凝集素的检测和定性。

凝集素是一类大小、结构和分子构造变化多样，尤其是糖识别域多样的异质低聚糖蛋白。根据与它们最具亲和力的单糖的类型可将凝集素分为五种类型：（1）与甘露糖结合型，（2）与半乳糖和乙酰氨基半乳糖结合型，（3）与乙酰氨基葡萄糖结合型，（4）与L-岩藻糖结合型，（5）与N-唾液酸结合型。某些凝集素的特异性非常强，可以区分葡萄糖与半乳糖或乙酰氨基半乳糖与乙酰氨基葡萄糖。因此，凝集素可以作为一种特异工具，从糖缀合物中“钓”出特定的糖蛋白。另一些凝集素结合单糖的特异性相对较低，例如很多被称为“甘露糖特异的”凝集素也可以与L-岩藻糖结合。还有一些凝集素并不选择性的与单糖部分结合，而是与糖缀合物中复杂的寡糖片断相互作用。因此，依据体外实验的单糖特异性对凝集素进行分类是对凝集素本身的特异性的简化，而凝集素本身的特异性通常是更加复杂并难以描述的。

动物体内存在的凝集素有三个亚类：（1）S-型凝集素，（2）C-型凝集素，（3）P-型凝集素。

S-型凝集素也被称为半乳凝素。许多不同类型的细胞都能表达半乳凝素，它们不只存在于浆核和细胞核中，也存在于细胞外，参与细胞黏附作用。它们发生结合作用通常需要还

原基团如巯基。半乳凝素特异地结合β-半乳糖基，而且它们中的一些也能识别N-乙酰葡萄糖胺。

C-型凝集素是一大类糖结合蛋白，它们在结合过程中需要Ca。它们包含有胞吞凝集素、胶原凝集素和选择素。胞吞凝集素是具有不同糖特异性的膜结合受体。一个重要的例子就是，哺乳动物肝脏中的无唾液酸糖蛋白受体，它与半乳糖和N-乙酰半乳糖胺结合。这使得那些末端唾液酸残基被切除，从而暴露出半乳糖和N-乙酰半乳糖胺残基末端的糖蛋白容易从循环中被清除。另一个重要的例子是，表达在巨噬细胞上的甘露糖结合蛋白（MBPs），它们是哺乳动物血清和肝脏中的可溶性凝集素。它们与感染微生物的寡聚甘露糖结合，在没有抗体参与的情况下激活补体系统，最终引起病原体的溶解。选择素可调节循环系统中白细胞与血管内皮细胞的选择性结合，这是白细胞从循环系统中清除和迁入所需组织的必要过程。目前，存在三种已知的选择素：L-选择素、P-选择素和E-选择素。

P-型凝集素中最具代表性的是甘露糖-6-磷酸受体，它可以使糖基化的溶酶体酶与亚细胞组件相结合。

很多凝集素像MBP-A一样以三聚体的形式存在，这便允许凝集素同时结合几个糖配体，但同时也要求配体有合适的间距。因此，许多凝集素并不与单糖结合，而是与那些具有正确三维结构的寡糖结合。寡糖是具有最大柔韧性的分子，可以以相当大的自由度围绕糖苷键旋转，所以凝集素与这些分子的亲和力受到它们形状的影响。能够特异地与相同寡糖结合的不同凝集素可能识别寡糖表面的不同区域。从动态分子的结构矩阵中选择特异的三维寡糖结构，将是期待研究的凝集素与糖相互作用的最重要的特征。

4.3 介导细胞运输

当今糖生物学研究的热门领域是急性反应早期糖与蛋白质之间的相互作用。如果机体遭受损伤或组织受到刺激，免疫系统便把免疫细胞转移到其应激位置。因此，免疫学作用通常伴随着急性期反应，此反应也是机体抵御入侵物的正常反应。

白细胞，又称为白血球，对于受损组织的修复及防御微生物的入侵来说是一种最重要的免疫细胞，它们通常随着血流在体内快速的循环，在机体受损的情况下，它们的循环速率明显降低，以保证细胞黏附到血管壁的内皮细胞层，并最后达到聚集的目的。白细胞黏附的早期阶段是通过糖与蛋白质的相互作用介导的，由白细胞和内皮细胞所表达的凝集素与位于白细胞和内皮细胞上的糖配体连接，由于它们介导了选择性的细胞黏附。因此，糖与凝集素的相互作用形成了急性期反应时白细胞运输过程中的第一步反应。L-选择素有时也被称为归巢受体，它可以在所有的白细胞中发现，参与淋巴细胞的再循环，专门把它们引领到外周淋巴结（归巢），P-选择素及E-选择素只有当内皮细胞被急性期反应介导活化后才能在内皮细胞表达。

与选择素相连接的糖配体，既存在于白细胞，又存在于内皮细胞。糖与选择素之间相互作用的多价体导致了白细胞流动的减慢，这个过程被称作是白细胞的滚动。在第二阶段，

2+

主要通过白细胞和细胞黏附分子-1的相互作用而引起固定的黏附，这种高亲和的蛋白与蛋白之间的相互作用，最终会引发白细胞变形以及穿过内皮细胞层，这个过程我们称之为血管溢出。总之，糖与蛋白质之间开始是快速且微弱的相互作用，随后便会产生白细胞的滚动，蛋白与蛋白之间的相互作用，最终导致了固定的黏附和血管外溢。

迄今为止，我们还不知道在体内哪种糖类可以成为选择素的最适配体。然而，作为最小单位连接到选择素上的糖链的结构已被确认，它被称为sLex，其结构为Neu5Acα2→3G lβ1→4(Fucα→3)GlcNAcβ-OH。sLex作为糖链的糖缀合物频繁出现，并由于它在白细胞黏附中的作用而已成为一种重要的糖，它能够在急性反应阶段的早期，有效的干预糖介导的白细胞黏附。

图2-2 白细胞黏附到内皮细胞的简图，sLex在白细胞黏附的早期起重要的相互作用，只要白细胞的滚动发生，就可以确定白细胞的牢固黏附、血管外溢及牢固的蛋白质-蛋白质之间的相互作用。

5 天然多糖组成及结构

天然多糖是由许多单糖聚合而成的天然高分子化合物，相对分子质量从几千到几百万不等，是生命有机体的重要组成部分。20世纪50年代末，人们发现真菌多糖具有抗肿瘤活性，此后，人们对天然多糖这类重要生命物质有了许多新的认识，其研究与应用已渗入到医药、食品、化妆品、饲料等许多领域。天然多糖具有复杂的结构，由于其具有许多不同的单糖残基、不同的连接位置和不同类型的糖苷键，能形成具有不同构象、不同相对分子质量以及链内和链间氢键的二级结构。鉴于天然多糖的生物活性与其纯度、化学结构，即糖苷键的不同连接方式有着重要的关系，因此，对天然多糖的研究开发包含了多糖的分离、纯化、结构鉴定、结构修饰、活性测定及活性机理。

天然多糖广泛分布于植物、动物及微生物中，目前已发现的活性多糖有300多种，按来源不同，多糖可分为植物多糖、动物多糖和微生物多糖三大类。

5.1 植物多糖

植物中糖类通常占其干重的80-90%。根据其存在部位，植物多糖可分为细胞内多糖、细胞壁多糖和细胞外多糖。细胞内多糖除淀粉形成颗粒外，其他以溶液或高度水和状态存在液泡中，这些主要为果聚糖和甘露聚糖；细胞壁多糖主要是指半纤维素、果胶类等；细胞外多糖主要是指树脂和黏胶等，成分复杂，有半乳聚糖、葡聚糖醛酸、甘露聚糖、木聚糖和其他类型的多糖等。下面主要介绍果胶多糖的组成及结构。

果胶物质广布于高等植物与低等植物。在植物体中，果胶存在于相邻细胞壁的中胶层，既把相邻细胞连接起来形成一个整体，又有缓冲作用，不阻碍细胞生长。同时，还是抵御病源微生物入侵的天然屏障。相比之下，在根、茎、叶、果实等器官中，以果实中果胶的含量最高，如草莓、山楂、苹果、柑橘等的果实中含量颇丰。此外，胡萝卜的肉质根、向日葵的花盘等也富含果胶。目前，真正具有工业生产价值的果胶来源首推柑橘果皮和苹果榨汁废渣。一般来说，果实的硬度取决于果胶物质的种类及其数量。例如，未成熟的果实，细胞间含有大量原果胶不溶于水，因而果实坚硬。随着果实逐渐成熟，在原果胶酶的作用下，使原果胶降解为水溶性的果胶，于是果肉变软而有弹性。果胶在细胞汁液中，在果胶酶和果胶酸酶的作用下，最终分解为半乳糖醛酸。

果胶通常分成中性和酸性两种，不同结构类型的果胶物质具有某些相同的结构特点。下面重点介绍四种常见的果胶结构类型。

（1） 阿拉伯聚糖

阿拉伯聚糖大部分出现在植物体中，基本上是由L-阿拉伯糖苷组成。根据来源它们可能是线性或分支结构，主要是通过3位或5位连接。现有文献报道，一些具有抗补体作用的阿拉伯聚糖已从一些植物中分离出来，如金丝枣（a-2,5-阿拉伯聚糖）和柴胡根（a-3,5-阿拉伯糖- a-1,4-葡萄糖聚合物）。

图2-3 阿拉伯聚糖部分分子结构

（2）阿拉伯半乳聚糖

阿拉伯半乳聚糖在不同生物系统中通常分成三类：Ⅰ型阿拉伯半乳聚糖（AG-Ⅰ）和Ⅱ型阿拉伯半乳聚糖（AG-Ⅱ）。

在细胞壁中发现的AG-Ⅰ，是由a-1,4-连接的半乳糖构成主链，其侧链是通过半乳糖的3位碳上连接的阿拉伯糖单位组成。AG-Ⅰ的结构主要是作为果胶复杂成分来进行研究的。AG-Ⅱ核心是b-1,3-半乳聚糖，其6位连接有高度分支的b-1,6半乳糖。这两种类型的阿拉伯半乳聚糖通常与果胶链中的鼠李糖的4位碳连接。目前，常常根据这两种阿拉伯半乳聚糖与Yariv试剂沉淀能力的不同加以区分。只有AG-Ⅱ通过Yariv反应才能形成红色沉淀，此

方法也经常被用于鉴别生物活性高分子中有无AG-Ⅱ，也能够定量分析果胶化合物中这种类型多糖的含量。

（3）Ⅰ型聚鼠李半乳糖醛酸（RG-Ⅰ）

Ⅰ型聚鼠李半乳糖醛酸（RG-Ⅰ）是通过a-1,4内切半乳聚糖醛酸酶处理梧桐树的细胞壁悬液获得的，它有一个a-1,4交替连接的D-半乳聚糖醛酸和a-1,2-L鼠李糖连接的主链，其鼠李糖4位常常与不同侧链结构的半乳聚糖和阿拉伯聚糖相连，有时候鼠李糖3位也与侧链相连。连接鼠李糖单位的阿拉伯半乳聚糖也常常出现在Ⅱ型阿拉伯半乳聚糖中（用Yariv沉淀法）。半乳聚糖主链在AG-Ⅱ都有1,6和1,3连接，果胶聚合物中的这个区域现在称为“毛发状区”或“分支状区”， RG-Ⅰ的通常结构如下图所示。

图2-4 常见的果胶物质的“毛发区”或“分枝状区”的结构

除了“毛发状区”外，果胶多糖还含只有a-1,4半乳糖醛酸残基的平滑区。这一平滑区含有甲基酯化基团，可在2位或3位上进行乙酰化。也有报道这个区域可以被只含有一个木糖残基的同半乳聚糖取代。这些区域位置见果胶结构模型示意图 。

图2-5 果胶一级结构模型示意图（Perez等，2003）

（4）Ⅱ型聚鼠李半乳糖醛酸（RhaGalA-Ⅱ,RG-Ⅱ）

Ⅱ型聚鼠李半乳糖醛酸是果胶复合物的主要部分，是细胞壁多糖的组成成分，在果胶总量中仅占一小部分。它们有一个由a-1,4连接的9个或10个D-半乳糖醛酸同聚糖主链，4个不同的低聚糖链通过3位或4位与糖醛酸与主链连接。RG-Ⅱ结构的最大特点的是含有

稀有糖基：2-O-甲基化岩藻糖、2-O-甲基化木糖、2-酮3-脱氧-D-甘露-辛酮糖酸和3-脱氧-庚酮糖酸。

5.2 动物多糖

动物多糖分布较为广泛，大多来自动物结缔组织基质和细胞间质，是脊椎动物阻滞胞外空间的特征组分。动物多糖包括糖原（glycogen）、甲壳素（chitin）和糖胺聚糖（glycosaminoglycan）。糖胺聚糖又包括肝素（heparin）、硫酸软骨素（chondroitin sulfate）、透明质酸（hyaluronic acid）和硫酸角质素（keratan sulfate），由于它们在体内常以蛋白质结合状态存在，故统称为蛋白聚糖（proteoglycan）。

（1）硫酸软骨素

硫酸软骨素（CS）是由动物喉、气管软骨和鼻软骨等富含CS的软骨组织提取制备的一种重要的糖胺聚糖。临床上用于某些神经性头疼、神经痛、关节痛、偏头痛、动脉硬化症等治疗，也可用于链霉素引起的听觉障碍及肝炎的辅助治疗。近年来，随着对其生理功能及生化性质的深入研究，还发现它具有抗凝血、抗炎、抗癌、降低心肌耗氧量，促进冠状动脉循环，降血脂和防止血管硬化等作用，对冠心病、心绞痛、心肌缺氧、心肌梗死等心血管疾病的防治有较好的疗效，对神经细胞、黏膜细胞等具有保护作用，在国外是很流行的保健品添加剂。

CS有多种异构体，它们均以D-葡萄糖醛酸、N-乙酰-D-氨基半乳糖硫酸酯为单位组成。CS成盐后对热较稳定，80℃亦不被破坏；CS水溶液在较高温度时不稳定，主要是乙酰基被水解而脱落，在酸性溶液中易水解成分子质量较小的多糖，甚至水解成单糖。

硫酸软骨素结构如图所示，它是由和N-乙酰-D-氨基半乳糖以b-1,3-糖苷键连接形成二糖，而二糖单位之间以糖苷键连接而成，分子质量为1×104-3×104 Da，是一种高分子化合物。根据硫酸基团在半乳糖上的位置和多少的不同而分为：硫酸软骨素A（CSA），硫酸基团在半乳糖的C4上，CSA包含15-150个D-葡萄糖醛酸和N-乙酰-D-氨基半乳糖连接的二糖；硫酸皮肤素（dermatin sulfate，DS），曾认为硫酸软骨素B，是CS的一种修饰后的形式，DS中存在较多的艾杜糖醛酸；硫酸软骨素C（CSC），硫酸基团在半乳糖的C6上。CS通常以与蛋白质结合成糖蛋白的形式存在，当其水解时发生b消除反应，连接硫酸软骨素与蛋白质中丝氨酸羟基的O-糖苷键断裂，可以得到游离态的硫酸软骨素。

图2-6 硫酸软骨素的结构

（2）透明质酸

透明质酸（HA）是广泛存在于人体及动物结缔组织中的酸性黏多糖类大分子物质，在人体中含量较低，但没有它人体又不可能存活。迄今为止，已在结缔组织、脐带、人血清、鸡冠、关节滑液、软骨、眼玻璃体等组织中分离得到HA。1934年，科学家首次从牛眼玻璃体分离得到HA，它是一种从动物组织提取的天然阳离子多糖，又名玻璃酸。HA近白色纤维结构，溶于水成黏液，其黏度极大，具有良好的亲水性、粘弹性、润滑性。平均分子质量为105-107 Da。

HA为链状聚合物，由b-1,3-N-乙酰基-D-氨基葡萄糖b-1,4-D-葡萄糖醛酸的双糖单位重复组成的高分子质量的直链黏多糖，其摩尔比为1:1 ，结构如图所示 。

图2-7 透明质酸的结构

电子显微镜下，观察证实HA为一线性单链，在水溶液中扩展成随机的线圈状，线圈的直径为500 nm。HA分子中每一双糖单位均有一个羧基，在生理条件下均可解离成负离子，由于负离子的相互排斥，使其分子在水溶液中处于松展状态，占据了大量空间，可结合多于本身1000倍的水。

随着对HA研究的不断深入，它所具有的二级结构甚至三级结构也得到了证实。对HA稀溶液进行的光散射研究发现，HA分子在水溶液中呈单螺旋状态，分子内的氢键使其形成螺旋结构。HA分子在水溶液中以对称体存在，如二折体、三折体等。

天然HA水溶性极强，在组织中易扩散和被酶解，对强酸、强碱、热及透明质酸酶敏感，容易发生降解。对天然HA进行修饰，可以克服HA在体内易被降解、存留时间短的缺点，或者开发出具有新的生物活性和功能的衍生物，如作为组织工程材料、药物缓释媒介、肿瘤药物靶向载体等，因而正受到越来越多的关注。随着分子生物技术、免疫技术、纳米技术与药剂学的发展，HA及其衍生物将得到更广泛的应用。

5.3 微生物多糖

微生物多糖主要来源于细菌和真菌，属高分子聚合多糖，按结构可分为肽聚糖、葡聚糖和脂多糖等。它们均含有某一特有的保守结构序列，且其结构不属于高等生物体的正常组

分。微生物的多糖具有植物多糖不具备的优良性质，安全无毒，理化性质独特，生产周期短，不受季节、地域和病虫害条件限制，具有较强的市场竞争力和广阔的发展前景。

两性离子多糖（zwitterionic polysaccharides，ZPS），是同时含有阳离子和阴离子结构以实现其生物功能的一类多糖。多糖A（PSA）是ZPS的分类原型，PSA从革兰氏阴性厌氧菌脆弱拟杆菌中分离得到的一种荚膜多糖。ZPS在菌体表面组装成荚膜多糖复合物（CPC）。迄今为止，已发现从拟杆菌中提取得到PSA1、PSB和PSA2以及肺炎链球菌的SP1荚膜多糖等。最近发现一些细菌的荚膜多糖可作用于T细胞，导致T细胞增殖、分泌细胞因子及产生抗体等，这些荚膜多糖都是两性离子多糖。

6 天然多糖的生物学功能

天然多糖是生命体合成的，位于细胞壁、细胞内、细胞间以及分泌至细胞外的生物大分子，是生物体生命活动的必需成分。天然多糖在生物体内的功能可分为以下几个方面：

生物体结构的组成成分：起到支持、保护、形态维持作用。例如，以纤维素、半纤维素、果胶为代表的植物多糖；甲壳素、黏多糖为代表的动物多糖；以肽聚糖、脂多糖、甘露聚糖为代表的微生物细胞壁多糖。

能量储存物质：如糖原、淀粉。

保护物质：细胞外多糖和多细胞生物细胞外基质中的多糖成分，是维持细胞生存环境和发挥生理功能的重要组成。例如，微生物分泌的荚膜多糖、动物体内的糖胺聚糖。

调控和修饰蛋白质的结构和功能：新生蛋白质合成后的糖基化修饰影响蛋白质的折叠和多肽构象的稳定性，影响糖蛋白的分泌、分选定位和蛋白质的功能。

细胞之间的相互作用与信息传递：以细胞表面糖链介导的分子间或细胞间的识别和信息传递是细胞一系列生理生化反应的基础，在机体的生理或病理过程中（如细胞黏附、免疫识别、胚胎发育、肿瘤发生、病毒感染等）发挥重要作用。

总之，生物体内存在的糖类分子在机体的生命活动中扮演着重要角色，它的生物学功能丰富多样。特别是糖的分子识别和信息传递功能，人们对它的认识还刚刚开始。糖生物学研究作为后基因组时代的最重要的研究领域之一，已逐渐成为生命科学领域的研究热点。下面介绍天然多糖生物学作用及机制的研究现状。

6.1 天然多糖免疫增强和免疫调节作用

天然多糖的免疫增强作用主要体现为促进免疫器官生长发育和免疫细胞增殖，提高动物体胸腺、脾脏、法氏囊及肠系膜淋巴结等主要免疫器官的重量，拮抗因免疫抑制剂造成的免疫器官萎缩，并提高各类免疫细胞的功能。

天然多糖不仅具有免疫增强作用，而且具有免疫调节功能，可纠正失衡的免疫状态，建立新的免疫平衡，有助于机体整体恢复。在辅助性T细胞中，Th1和Th2细胞亚群发挥着

不同的免疫效应功能，这些功能与它们分泌的细胞因子有关。一些天然多糖能调整Th1和Th2的失衡状态，恢复机体的抗病能力，有利于病症的减轻。在肿瘤生长时，机体免疫反应向Th2偏移，Th2类细胞因子高表达，而Th1细胞因子低表达，致使恶性肿瘤发生免疫逃逸。

天然多糖作为一种免疫调节和促进剂对机体的固有免疫和适应性免疫均有增强和调节作用，这些作用实际上是通过调节免疫细胞的功能实现的。多糖的免疫调节作用涉及的免疫细胞广泛，特别是对固有免疫细胞的作用尤其显著。

大量研究表明，天然多糖是强有力的巨噬细胞激活剂，能刺激和调节巨噬细胞的各种功能，活化的巨噬细胞发挥着强大的免疫效应功能。一些多糖的抗肿瘤功能也与多糖激活巨噬细胞密切相关。多糖提高巨噬细胞的吞噬能力；刺激巨噬细胞一氧化氮的合成和活性氧的产生；刺激巨噬细胞分泌细胞因子，发挥免疫调节功能；激活巨噬细胞上调表达FcrR受体、II型主要组织相容性复合体抗原、共刺激分子等，发挥免疫调节与递呈抗原功能。

树突状细胞是功能最强大的专职抗原递呈细胞，其主要功能是捕获、处理加工和递呈抗原，从而诱发机体特异性免疫应答。天然多糖能诱导树突状细胞的前体细胞向其分化，增加树突状细胞的数量和活力。

NK细胞是机体内天然杀伤细胞，它的杀伤作用是非特异性的，没有主要组织相容性复合体的限制，主要通过自然杀伤和抗体依赖的细胞介导的细胞毒发挥作用。多糖能促进包括NK细胞在内的淋巴细胞增殖，恢复免疫功能地下动物的NK细胞数量和活性，增强分泌细胞因子的能力。

此外，多糖还能刺激T、B淋巴细胞增殖，提高淋巴细胞的数量和活性；抑制淋巴细胞凋亡，拮抗抗肿瘤药物引起的白细胞数量下降；促进B细胞发育和分化，提高脾脏抗体形成细胞数目，促进B细胞抗体产生；刺激Th细胞分泌细胞因子白细胞介素-2；调节T细胞CD4

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或CD8细胞亚群的生成或比例平衡；调节Th1/Th2细胞的平衡；增强抗原特异的细胞毒性T淋巴细胞的杀伤活性。

6.2 天然多糖的抗肿瘤作用

从植物、动物、微生物提取分离的多糖类物质，在体内外试验中表现出良好的抑瘤杀瘤作用，且毒副作用小。除此之外，多糖还被认为具有预防肿瘤发生、遏制肿瘤转移的功效。在肿瘤临床治疗中，多糖可辅助放疗、化疗治疗手段，有减毒增效作用，还可以增强肿瘤患者免疫力，提高患者的生存质量和延长生存时间。

天然多糖通过免疫途径达到抑瘤效果，具体表现在：多糖激活体外培养的免疫细胞的各种功能，如分泌、吞噬、杀伤、抗原递呈、受体和CD抗原表达等；增强和提高荷瘤动物受抑制的免疫功能；拮抗和恢复放疗、化疗导致的机体免疫功能损伤；加强和协同抗肿瘤特异抗体的抗瘤作用；作为佐剂，提高某些疫苗的免疫效果。另外，还有一些多糖成分在一定

的浓度范围内，对体外培养的肿瘤细胞有直接作用，可以抑制肿瘤细胞增殖，诱导肿瘤细胞凋亡，抑制肿瘤血管生成和抑制瘤细胞侵袭转移。

目前普遍认为天然多糖直接杀伤肿瘤细胞的机制，主要体现为；干扰或抑制生长因子受体介导的信号转导途径；上调抑癌基因表达和抑制癌基因表达；改变肿瘤细胞膜的流动性与膜磷脂代谢；作用细胞外基质降解酶；通过抑制血管内皮生长因子或碱性成纤维细胞生长因子与其相应受体的结合而达到抗血管生成；增加肿瘤浸润的淋巴细胞数量；提高肿瘤特异T细胞的比例和活力；降低免疫抑制细胞因子的分泌（如白细胞介素10等）；诱导抑瘤细胞因子的分泌（如g-干扰素）等，而改变肿瘤微环境；提高机体内源性超氧化物歧化酶活性；清除体内自由基，抑制自由基引起的脂质过氧化反应导致的DNA损伤；抑制细胞染色体畸变保护DNA，进而起到抗肿瘤功效。

6.3天然多糖的抗病毒作用

许多天然来源的多糖都具有抗病毒活性，并具有低毒和低耐药性特点，病毒感染宿主细胞通常包括吸附、侵入、复制合成及装配释放几个过程，干扰其中任何一个过程均可抑制病毒感染。

天然多糖尤其是一些海藻硫酸多糖作用于病毒感染的早期阶段，通过干扰病毒吸附和穿入发挥作用。目前认为，多糖干扰病毒对宿主细胞的吸附和入胞是通过与病毒包膜上的糖蛋白结合方式进行的，分析其机制可能是硫酸多糖的聚阴离子特性，使其容易与病毒表面的正电荷区域结合，加之多糖分子质量较大，遮蔽了病毒表面与细胞的结合部位，并且大多数硫酸多糖与病毒结合对病毒粒子并无直接灭活作用。此外，多糖还抑制病毒复制相关酶类和调控蛋白，增强宿主细胞免疫功能。

天然多糖抗病毒活性的发现为研发新型抗病毒药物开辟了一条新途径，当前研制抗病毒药物主要策略为：对已有天然多糖进行结构改造特别是硫酸化修饰。基于硫酸基团对多糖抗病毒作用的重要性，可通过控制多糖的硫酸化程度以及在单糖残基不同C位选择性地进行硫酸酯化，以获取更好的抗病毒多糖。已有多种硫酸化修饰的多糖，如硫酸化的纤维素、硫酸化的葡聚糖、硫酸化的卡拉胶，它们均已成功通过I、II期临床试验。然而，天然硫酸多糖因其具有强阴离子性，一般都表现出不同程度的抗凝血活性，限制了其在体内的应用，因此获得抗病毒活性高而抗凝血活性低、细胞毒性低的硫酸化衍生物是硫酸化修饰的主要目标。

6.4 天然多糖的降血糖作用

糖尿病是一种严重危害人类健康的常见病，与癌症、心血管疾病并称为世界三大疾病，临床上根据病因不同，分为胰岛素依赖型（I型）和非胰岛素依赖型（II型）。糖尿病是一种多病因的内分泌代谢紊乱性疾病，中医称之为消渴症。I型和II型糖尿病都是由于遗传因素与环境因素共同作用而发病的。至今尚无理想的根治手段，并发症广泛、严重，且终身不愈。其病理生理改变是胰岛素分泌不足或作用不足，引起糖、脂肪、蛋白质和继发的维生

素、水、电解质代谢紊乱，并以血糖升高为特征。其并发症包括糖尿病肾病、糖尿病性心肌病、糖尿病性白内障和眼底病变、糖尿病神经病变等。

据不完全统计，目前已发现100多种天然多糖具有降血糖活性，这些多糖的降血糖作用显著，温和持久、毒副作用小。天然多糖通过保护和修复胰岛b细胞，从而增加血清胰岛素的含量，改善血糖过高的症状。增强线粒体氧化磷酸化的作用，增加能量供应，刺激胰岛素分泌。促进胰岛b细胞葡萄糖转运体2的表达而促进胰岛素分泌，促进肝糖原合成和葡萄糖的氧化分解，加速葡萄糖代谢。抑制小肠a-葡萄糖苷酶活性，减少或减缓肠道对葡萄糖的吸收，从而降低血糖水平。

7 糖生物学研究的发展

大多数天然生物活性分子都是糖缀合物，其连接的糖链对其在生物体中的生物合成、稳定性、生物学作用具有非常重要的影响。此外，许多由糖链介导的重要生物学作用和功能都可以在活体内进行操控。已有多种人类疾病被鉴定为是由于糖链生物合成的改变所致，这些改变具有诊断或治疗意义。因此，糖生物学和糖化学在现代生物技术中的重要性日益增长。

决定复杂聚糖一级结构的因素促进了对正常聚糖生物合成和分解代谢领域的集中研究，在这些结构的基础上，大量疾病的发病机理称为糖蛋白病或聚糖病，已经阐明这与错误的糖基化有关，要么与糖蛋白转移酶有关，要么与糖苷酶有关。

最具说服力的就是一系列由于溶酶体中糖苷酶遗传缺失或缺陷所导致的疾病。20世纪70年代，临床医生和生化学家们开始研究一种遗传病，其症状是智力迟钝、组织中和尿中糖类物质堆积。后来通过结构的确定推测出它们是来自糖复合物的聚糖片段，而且它的一级结构已经确定。由此人们认识到它是一种糖复合物疾病，是由于溶酶体和糖苷酶的缺失所造成的，此糖苷酶引起溶酶体中聚糖周期性降解的中断，结果导致组织中未被溶解的聚糖堆积。

近来对糖类化合物的研究已经进入到用于治疗阶段的人类糖蛋白遗传工程的工业化领域当中。这其中存在一个难以解决的问题，即人类糖蛋白的重组产物在非人类红细胞或原核细胞中，被错误糖基化或根本未被糖基化，因为这些细胞中缺乏聚糖生物合成酶的装备。要保证蛋白质治疗作用的有效性和安全性，就必须使其正确的糖基化，所以必须应用红细胞来使重组糖蛋白直接形成天然的糖蛋白。到目前为止，只有非常少的重组糖蛋白被商品化并应用于治疗，因为现有的对聚糖的生物合成规则的认识还是比较有限，不能完成对重组糖蛋白中真正聚糖的生物合成。在很多情况下，错误的糖基化会导致严重的后果：增加疏水性，减少或抑制分泌而引起的产率减少，降低稳定性，通过增加分子的清除而缩短了它们在体内的寿命，降低与特异受体的亲和力。然而，我们可以乐观的认为在几年内，这些问题就能够被解决，具有疗效的重组糖蛋白将不再只是梦想，对于那些由于凝血因子等关键糖蛋白缺乏而引起的疾病将是一种安全有效的治疗工具。

然而，重组糖蛋白并不是糖生物学应用的唯一焦点。事实上，许多改进的针对某些疾病的治疗方法中都包含糖及其衍生物：（1）将适当的寡糖与活性药物结合作为导向药物，

结合后的糖缀合物将药物直接投到它的靶细胞上；（2）用拟糖缀合物竞争性抑制肿瘤转移；（3）用糖竞争性抑制细菌对细胞或粘液的黏附作用，从而预防或治疗肺部感染或儿童腹泻；（4）制备人工疫苗。

从上述内容中不难发现，现有的研究成果已经显示出糖类化合物能够产生巨大的经济和社会效益，因此，糖生物学的研究具有广阔的发展前景。

参考文献：

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2. Intracellular functions of N-linked glycans. Science, 2001, 291: 2364-2369. 3. Glycosylation and the immune system. Science, 2001, 291: 2370-2376. 4. 焦庆才，糖工程概论，科学出版社。

5. 莫琳.E.泰勒，糖生物学导论，化学工业出版社。 6. A.瓦尔基，糖生物学基础，科学出版社。

7. Glycochemistry & Glycobiology. Nature, 2007, 446, 999.

不知道原作者是谁,但感谢作者给我们宝贵的知识享受.

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