糖苷——天然產物及衍生物的活性秘密之一

天然產物是動植物體內的內源性化合物,其對生物的生命活動起著正向調節的功能。天然產物及其衍生物的活性一直是研究人員在生物領域探究的重點,但大多數天然產物離開機體后都會變得不穩定且活性也會降低,這對研究造成了不小的阻礙。


因此,研究人員將天然產物修飾為相應的衍生物,增加其穩定性及活性,以此來揭示天然產物本身活性的秘密。糖類作為一種穩定的天然產物,生物活性卻較為單一,限制了其應用的范圍。而糖類與其它非糖物質結合形成的新化合物—糖苷不僅保留了糖類本身的性質,更是引入了更多的生物活性,提升了應用價值。






糖與糖苷



糖是自然界最為豐富的一種的天然產物,可分為單糖、寡糖、多糖等。糖在生物的生命活動中不可或缺,是一切生命體維持生命活動所需能量的主要來源。除了作為能源物質以外,糖還是大多數藥物的活性成分之一。糖對藥物的影響是正向的,但是它表達的活性不高且較為單一,這也導致其市場應用價值不高,因此,相關研究人員對糖進行了修飾,得到其衍生物—糖苷化合物。


糖苷化合物是由糖與另一非糖物質通過其端基碳原子連接而成的。不同于糖類,糖苷化合物的生理活性更為多樣,它在血管系統、呼吸系統、消化系統、神經系統以及抗菌消炎,增強機體免疫功能、抗腫瘤等方面具有不同的活性,具備更多的市場應用價值。

在植提產物中,也存在不少的糖苷化合物,下圖列舉了研究人員較為常用的幾個糖苷化合物,通過對它們結構的分析,可以粗略地了解糖苷的性質。

部分糖苷化合物結構

糖苷化合物都具有相同的結構—糖基,該結構中存在多個-OH基團,因此對于一種非糖物質而言,糖基的引入一方面可以賦予分子重要的性狀特征和空間電子性質,增加其結構多樣性;另一方面,可以提高藥物分子的靶向性、改善其代謝的動力學參數并調節分子的藥理活性。通常經糖苷化修飾作用后,化合物除了結合態的穩定性變強外,其某些生物活性也會發生較大的改變,諸如增強其藥效及靶向作用、降低副作用、提高生物利用度等。

在對一種糖苷化合物了解之前,科學家們通常會對其進行分類以便于研究。糖苷化合物的分類方法也有很多種[1]:
(?。└鶕谏矬w內存在的形式,可分為原生苷和次生苷;
(ⅱ)根據糖基的個數,可分為單糖苷、雙糖苷、三糖苷等;
(ⅲ)根據糖鏈的數目,可分為單糖鏈苷、雙糖鏈苷等;
(ⅳ)根據非糖物質的部分,可分為黃酮苷、香豆素苷、蒽醌苷等。

除了上述方法以外,還有一種較為常見的分類,是根據非糖物質與糖基連接的原子,將糖苷分為氧苷、硫苷、氮苷、碳苷等。

1.氧苷


紅景天苷(典型氧苷)

氧苷是糖與非糖物質通過氧原子相連,這是最為常見的一種糖苷。根據非糖物質的種類,氧苷又可分為醇苷、酚苷、氰苷、酯苷、吲哚苷等,高原地區較為人熟知的紅景天苷就屬于醇苷這一種類。

2.硫苷


蘿卜硫苷(典型硫苷)

硫苷是非糖物質通過巰基所形成的一種糖苷,如在蘿卜、西藍花中廣泛存在的蘿卜硫苷就是硫苷的一種。

3.氮苷


鳥苷(典型氮苷)

氮苷是非糖物質通過氮原子相連形成的一種糖苷,與其他糖苷不同,氮苷是利用核糖與其它非糖物質結合而成,其結構中糖基部分通常為五元環。氮苷在生物化學領域具有重要的作用,如鳥苷這類化合物,就是組成DNA的重要原料之一。

4.碳苷


葛根素(典型碳苷)

碳苷是非糖物質通過碳原子相連形成的一種糖苷,其通常為酚性化合物,具有溶解度小、難水解的特點,如葛根素等。




糖苷的合成—化學合成



糖苷化合物廣泛存在于植物體內,利用植提技術就可以獲得。但植提存在操作技術困難、提取率低等問題,因此,研究人員獲得糖苷化合物通常采用化學合成的方法[2]。

1.Koenigs-Knorr法


Koenigs-Knorr法是由Koenigs、Knorr等研究人員于1901年建立。該法是以溴代糖或氯代糖為糖基供體,在銀、汞等重金屬離子的活化下,與受體發生糖苷化反應。這一方法至今仍被廣泛使用,優點在于簡便、成熟,但也存在原料穩定性差、反應產率低等問題。

2.Fischer糖苷化法


Fischer糖苷化法是德國化學家Fischer在1893-1895年期間發現的。該法利用了酸性催化劑,將小分子糖與醇反應生成糖苷,是一種比較經濟的糖苷化合物合成方法。這一方法優點在于原料穩定、經濟,但是反應結束后會產生大量廢水,易對環境造成污染。


3.三氯乙酰亞胺酯法


三氯乙酰亞胺酯法是Schmidt于1980年發現的,也稱Schmidt法。該法是在堿的催化下,部分保護的糖和三氯乙腈加成得到三氯乙酰亞胺酯,然后再在Lewis酸催化劑的作用下反應生成糖苷。 這一方法反應條件溫和、應用范圍廣、合成的糖苷產率較高,因此被稱為最有價值的糖苷合成方法。




糖苷的合成—生物合成



除了化學合成以外,糖苷化合物還可以利用生物合成的方法獲得,通常是非糖物質在酶的催化作用下被其它離子或基團取代,再在同一處將糖基轉移上去。其大致過程可以用下圖表示。


糖基轉移酶催化天然產物糖苷化過程[3]


酶是生物合成過程中不可或缺的,這種用于催化糖苷化反應的酶通常來源于植物的本身,還有一些特殊的酶也可以從細菌、病毒等微生物體內找到。糖苷化反應的過程可以看出,用到的酶并不是單一的,每一種酶都有自己的專一性,因此,研究人員通常會將酶按照一定的特性進行分類,以便識別利用。糖苷化酶也不例外,也可以按照一些因素進行分類[4],如:

(?。└鶕呋牡孜锊煌?,可分為氧糖苷化酶、硫糖苷化酶、氮糖苷化酶、碳糖苷化酶等;
(ⅱ)根據分子空間結構的不同,可以分為GT-A和GT-B兩個酶的超家族;
(ⅲ)根據催化反應機制,可以分為保留型和轉化型酶;
(ⅳ)根據基因序列、分子特異性等綜合因素,酶還可以被劃分為111個家族。

在被劃分的111個家族中,以UDP一葡萄糖為底物的糖苷化酶家族最為龐大,被稱為UGT家族。UGT家族糖苷化酶的空間結構為GT-B型,催化機制通常表現為轉化型。UGT家族中最常用的糖苷化酶非UGTs酶莫屬,一些常見的糖苷化反應都離不開UGTs酶的催化作用,比如高原植物紅景天體內紅景天苷的形成。在紅景天體內,UGTs酶會催化酪醇發生糖苷化反應,生成具有多種生理活性的紅景天苷。



紅景天苷合成過程

雖然酪醇本身具有一定的生理活性,但其活性較低、生物利用度不高也是令研究人員十分頭疼的問題,而紅景天苷的出現則展示了糖苷類化合物的優勢所在。研究人員不僅發現紅景天苷具有提高機體免疫力、改善人體造血機能、抗缺氧、抗衰老、抗腫瘤、抗疲勞、降血糖、抗病毒、抗放射、保護心腦血管等多種功能活性,還發現了紅景天苷的生物利用度遠高于酪醇,更適合用于藥物的生產。



結語

糖苷化是對天然產物進行修飾生成糖苷化合物的有效途徑之一,它可以改善天然產物的穩定性、生理活性等,提高天然產物的生物利用度。目前已知獲取糖苷化合物的技術中,植提最為常見,但是技術難度最高,產率較低;化學合成雖然提升了糖苷的產率,但其存在的高污染、高成本等問題也不容忽視;反觀生物合成這一技術,它不僅能夠解決植提技術存在的高難度、低產率的問題,也不會像化學合成一樣對環境造成污染。

現今生物技術存在的問題在于酶的本身,因為酶對反應的條件要求非??量?,需要滿足合適的溫度、酸堿度等條件,因此生物酶技術的應用不如化學合成那么廣泛,但隨著科學技術的發展,相信這種高效的技術一定能夠運用到糖苷類化合物的生產中,利用天然技術生產、修飾天然產物是每一個生物領域工作者的目標。




(文章內容源于相關研究資料的整理,若有不足之處,歡迎指正)


參考資料

[1] https://wenku.baidu.com/view/8e49e0e5571252d380eb6294dd88d0d232d43c7e.html

[2] 李志偉. 糖苷衍生物的合成方法研究[D]. 河北大學, 2007.

[3] 江靈敏. 酪醇的羥基化與糖基化研究[D].湖南中醫藥大學,2019.

[4] http://www.cazy.org/GlycosylTransferases.html


封面圖源:網絡



唯鉑萊 唯鉑萊官方網站