甜味化合物的甜味理论与受体模型研究进展

甜味化合物的甜味理论与受体模型研究进
展
第17卷第4期
V0117.No.4
滨州师专
JournalofBinzhouTeachersCollege
2001年12月
Dec.2001
文章编号:1008—2980(2001)O4—0029—04
甜味化合物的甜味理论
与受体模型研究进展'
张士国
(滨州师范专科学校,山东滨州256604)
摘要:综述了甜味化合物的种类,对甜味化合物的构效关系,甜味理论的
发展以及甜味化合物受体模型的研究,指出随着实验手段的强化和计算机
模拟技术的发展,上述领域的研究应该有深入的发展.
关键词:甜味化合物;甜味理论;受体模型;综述
中图分类号:O641文献标识码:A
物质的味道,从生理学上讲有酸,甜,苦,成4种.味道的形成是呈味物质刺激味感受器而形成的呈昧
物质与受体(在味感受器上与呈味物质作用的物质,对于甜味受体来说.是一种蛋白质)的作用,由于作用
方式不同,作用强弱不同.而产生味道强度不同.目前对甜味物质的化学结构及其受体的结构以及甜味物
质的构效关系已进行了大量研究.上述研究的进行,有助于人们合成所需要的甜味物质满足人们的需
要.现对甜味物质的化学结构及其甜味理论,受体模型的研究综述如下.
1甜味物质的种类
甜味物质可分为天然和合成两大类.天然甜味剂中多为脂肪羟基化合物如醇类,糖类,另外,氨基酸,
醛类,酰胺类,酯类,磺酸化合物,卤代烃等有许多化合物也具有甜昧.各种物质甜昧的强弱不同.对于不同
甜味物质甜味的强弱用其相对于蔗糖的相对甜度来表示[】.目前人们已合成和发现了许多甜味化合物,
常见甜味物质的相对甜度由表1列出
表1各种甜味物质的相对甜度
2甜味理论的研究
关于甜味理论的研究.gl前已有许多报道1.早在1914年,GeorgeCobn首次对化合物的甜味与化学
结构的关系进行了总结.他指出羟基和氮基在有甜味的化合物中常是成对的出现.几年后.Oer【i和
收稿日期:2001—07—15
作者简介张士国(1962一),男.山东滨州^.滨.州师专计算机科学系教授.主要从事计算化学的教学与研究工作
滨州师专第17卷
Myear在研究大量甜味化合物分子结构的基础上提出甜味物质有生甜团和助甜团J.这仅是人们对甜昧
物质化学结构的最初认识,当然有许多是例外的.
到目前为止,最着名的有关甜味物质结构和甜味关系的理论是美国学者Shallenberger和Acree提出的
AH—B生甜团理论l2J.尽管这一理论目前尚未完善,但已被大多数学者接受根据这一理论,所有具有甜
味感的物质都有一个电负性较大的原子A,如0,N.这个原子上有一个质子共价键相连接,是氢原子的
供给者.AH可以是羟基,亚氨基,甚至是C—H等基团在距离A—H基团0.25—
0.4i]m的范围内,必须
有另一个电负性大的原子B,它是氢的接受者.这个B原子可能是O,N.而甜味的强弱与氢键的强弱有
关.由于氢键的形成,甜味物质与受体形成了一个活化络合物,这种信号通过神经系统传递给大脑而感受
到甜昧(图1).
厂]厂]f受l—A—H………B—f甜味l
l体l—B-………HA—l物质ll..............__Jl..............__J
圉1甜味理论模型
例如:葡萄糖和L一丙氨酸的分子结构如下:
后来,Kier在AH—B生甜团理论的基础上,又提出有较高甜味的物质中如:氨基酸,糖精,P一400
等,在距离A约0.35171m,距离B约0.55am的地方有一豌水基团x,而形成了K_er 的三角形学说,由图2
所示.疏水性基团x与受体的疏水部位结合,该疏水基团作为一个"把柄",被甜味物质的受体将甜味分子
放在适当的位置,而与受体形成一对氢键而呈现甜味.
囝2Kier的三角形理论模型
近十年来,Titi和Nofre又提出了一个令人振奋的甜味剂模型(图3),在这一模型中共有8个可能的
活性基团,其中包括三角形学说中的三个活性部位.但是.它拥有的活性部位越多,其甜度则越大.在Titi
模型中,G相对于三角形模型中的x,所Kier的三角形模型在这里指的是AH.B和G另外,在Titi模型
中,D起着较重要的作用,而E1,E2和xH,y的作用较小一些.在这一模型的指导下,Titl研究小组合成
了一个叫Sucrononic酸的化合物.其甜度为蔗糖的20000倍.其中:AH=NH(ph).B=co2一.G:
cyc|onony|.D=CN一.
1969年,人们在研究抗溃疡药物时发现了甜昧剂天门冬氨酰苯并氨酰甲酯f(简称ASP.Aspa).
它属于二肽化合物,不久Adf]合成了1000多种的类似甜味化合物.作为二肽类化合物,天门冬氡酰苯并氯
酰甲酯象其他蛋白质一样在体内代谢.代谢过程中放出的热量与糖类,蛋白质相同.约16J/g.ASP的甜度
第4期张士国甜昧化合物的甜味理论与受体模型研究进展3l
是蔗糖的20O倍,所以ASP是有营养价值的低热量甜味剂.Mazur研究小组在研究ASP及其类似化合物的
甜味与结构的关系的过程中,发现高甜度的甜味化合物所需的结构特征,这是迄今为止研究较为透彻的甜
图3Tinti—Noffe甜味剂活性{日象模型
味化合物要使二肽衍生物具有甜味.必须具备下述条件:(a)肽的氨基必须是天门冬氨酸.其一羧基及
氨基必须辩离;(6)构成二肽的氨基必须是L型的;(c)与天门冬氨酸相连的氨基酸必须是中性氨基酸;
(d)苯并氨酰羧基端必须酯化.此外.甜味强弱与酯基分子量大小有关.酯基分子量小的甜味强.二肽衍
生物本身分子量大甜睐弱由此,构建了二肽类甜味化合物的药效模型
3甜味物质的定量构效关系研究(QSAR)[]
自1964年Hansch和Fujita提出了用物质的物理,化学性质与其生物活性进行统计相关分析的方法即
定量构效关系或QSAR的概念后,Deutsch和Hansh就将这一方法用于一系列甜味化合物取代硝基苯胺的
研究.他们发现这类化合物的甜度与取代基x的油:水分配系数或取代基的疏水性有很强的相关性.后来
有许多其他作者对不同类型的甜味化合物的化学结构与甜度的关系进行了统计分析.文献【5】列出了这
一
研究中发现的重要理化参数,可以看到,取代基的疏水性,体积在各类化合物中均为重要因素.
4受体模型的研究
要确定分子以什么样的构象与受体结合.才能得到与受体结合的部位的形状.Temussi及其合作者用
NMR方法和构象能量计算方法,研究ASP和其他甜味剂的构象【5].他们得到的受体模型如图4(n)所示.
我们可以称上述受体模型为一种"卡通"模型.是因为这种模型过于简单.不能表达出受体的复杂性,这易
于使人们产生一种错觉其他研究者也用构象分析的方法研究天冬二肽的构象,用以勾画其受体部位的大
小和形状V anderHeijden等人重新解释了Temussi的NMR数据,选择了ASP的另一种构象为活性构象.
设计了ASP的受体模型(图4(6)).实际上天冬二肽是非常柔性的,所以有可能存在多种活性构象.
()
图4可麓的受体模型
最近.人们以ASP的脲衍生物和胍基乙酸甜味剂来研究甜味剂的受体模型[.他们用的方法是在活
性的化合物分子的周围,将各种原子组合成一个"壳(shel1)将分子包围.选择适当的原子类型,用遗传算
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法,计算甜昧分子与受体模型之间的作用能,将作用能与甜昧剂分子的甜度相关联,从而选择合适的受体
模型.这种构建受体模型的方法,有可能实现其他甜味剂甜度的定量预测.
5结束语
几十年来,有关甜味化台物的研究人们付出lr巨大的努力,但取得的成功却较少,
尤其是受体模型方
面的研究.然而,人们毕竟已发展了许多用于理锵甜味分子与受体作用机制的模型,这些模型有的是数学,
生理或由计算机构造的,尽管它们还很不成熟,但在指导新型甜味化合物的合成与筛选方面却起到了一定
的积极作用.相信随着实验手段的强化和计算机模拟技术的发展,人们一定能对于甜昧化合物与其受体的
作用机制有很清楚的认识,用于指导对甜味剂的选择与合成我们正期待着这一研究的深入开展.
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AdvancementonSweetnessTheoryandModel
ofSweetener'SReceptor
ZhangShi—guo
(BinzhouTeachersCollege,Binzhou256604,China)
Abstract:Theadvancementofsweetenershasbeenreviewedinthispaper,includingthevariet yofsweet—
eners,QSARstudy,thesweetnesstheoryandthemodelofsweetener'Sreceptor,ItispointedO
Utthatallthe
fieldsmentionedaboveshouldbedevelopedm.quicklyastheadvancementofexperimentme thodsandCOID-一
purersimulation.
Keywords:sweetener;sweetnesstheory;modelofsweetener'sreceptor;review。