多糖的构效关系研究

多糖的构效关系研究

摘要：多糖具备抗肿瘤、抗病毒等多种多样的生物功能，而它的功能与结构关系密切。关于多糖的构效关系研究已成为生命科学的最前沿领域之一。本文从多糖的理化性质与活性、多糖的结构与活性的角度，具体阐述多糖的构效关系，为定向合成设计糖类药物和先导化合物的改造提供参考。

关键词：多糖构效关系活性

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[1,2,3]。而它的化学结构则是其生物活性的基础，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中任意的组成发生变化，其活性可能相应的改变[4]。

本文就近几年来多糖结构与抗肿瘤、抗病毒、抗凝血等生物活性的关系及其机制作一介绍，重点阐述多糖的抗肿瘤和抗病毒活性的构效关系，为定向合成设计糖类药物和先导化合物的改造提供参考。

1 多糖的理化性质与活性

1. 1 溶解度

多糖溶于水是其发挥生物学活性的首要条件,如从茯苓中提取的多糖组分中,不溶于水的组分不具有生物学活性,水溶性组分则具有突出的抗肿瘤活性。降低分子质量是提高多糖水溶性,从而增加其活性的重要手段,一种真菌多糖,不溶于水,在大鼠体内仅有微弱的抑瘤活性,5 mg/kg剂量时抑瘤率为57 %,降低分子质量后,完全溶于水,1 mg/kg剂量可使抑瘤率达到100 %[5]。向多糖引入分支可在一定程度上削弱分子间氢键的相互作用,从而增加其水溶性,如具有α-葡聚糖构型的灵芝多糖,不溶于水,羧甲基化后溶解性提高,在体外也表现出一定的抗肿瘤活性,经红外色谱分析,经羧甲基化后,α-葡聚糖在3400cm-1处的羟基伸缩振动峰变窄,且向高波长方向振动,说明分子间的氢键在引入羧甲基分支后被破坏[6]。有些含有疏水分支的多糖不溶于水,经过氧化还原成羟基多糖后才溶于水,从而产生生物学活性[7]。由此可见,降低分子质量、引入支链或对支链进行适当修饰,均可提高多糖溶解度,从而增强其活性。

1. 2 分子质量

多糖分子质量越大,分子体积越大,不利于多糖跨越多重细胞膜障碍进入生物体内发挥生物学活性。肝素经过降解后的低分子质量组分能克服肝素原有的出血和诱导血小板减少等不足,还具有抗血栓、活性强、生物利用率高、体内半衰期长和口服易吸收等优点;裂褶多糖起初由于分子质量太大,影响临床应用效果,经过超声降解后,分子质量有所降低,临床应用效果大为改善[8]。但也并不是多糖分子质量越低越好, 因为分子质量过低,无法形成产生活性的聚合结构, Alban等人研究了分子质量与硫酸化凝结多糖抗凝血活性的关系,认为抗凝血活性与相对分子质量呈哑铃型曲线关系[9];Gao等人报道,硫酸化凝结多糖在相对分子质量为(7～11)×103内,随着相对分子质量升高,其抗凝血活性有增强的趋势[10],这说明存在满足多糖活性的最佳相

对分子质量范围,从细菌中分离的某种果聚多糖Levans,相对分子质量达到2.1×105时抑制肿瘤生长的活性最强[11];相对分子质量为9000左右的右旋糖酐具有一定的活性,其活性随着大于或小于此相对分子质量值而迅速降低,由此可见,不同的多糖产生生物学活性的最佳相对分子质量的范围不同。

1.3 黏度与活性

多糖的黏度主要是由于多糖分子间的氢键相互作用产生,还受多糖分子质量大小的影响,它不仅在一定程度上与其溶解度呈正相关,还是临床上药效发挥的关键控制因素之一,如果黏度过高,则不利于多糖药物的扩散与吸收。通过引入支链破坏氢键和对主链进行降解的方法可降低多糖黏度,提高其活性。如向纤维素引入羧甲基后,分子间的氢键发生断裂,产物黏度从0.15Pa·s降至0.05 Pa·s[12];裂褶多糖起初由于黏度大而无法在临床上使用,后来采用超声技术在不破坏其结构的前提下使其发生降解,从而降低其黏度,而抗肿瘤活性保持不变,生物利用率大大提高[8]。

2 多糖的结构与活性

2.1 多糖的结构与抗肿瘤活性

2.1.1 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。Satoru Kayanagi等研究发现天然岩藻依聚糖的硫酸根含量约为32.6%，经过人工硫酸化修饰后得到过硫酸化修饰后的岩藻依聚糖，硫酸根含量为56.7%，并且从抑制人脐静脉内皮细胞HUVEC的增殖、减少VEGF165与HUVEC细胞膜上VEGFR-2结合和抑制VEGFR-2磷酸化三个方面比较了两者抑制肿瘤新生血管生成，发现过硫酸化修饰后的岩藻依聚糖比天然的岩藻依聚糖抑制肿

瘤细胞血管生成的作用更强[13]

2.1.2 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(1→3)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(1→4)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[14]。多数具有突出生物学活性的葡聚多糖都以(1→3)糖苷键连接。如以(1→3)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%(1→3)葡聚糖和66%(1→4)葡聚糖组成的混合多糖）衍生物[15]。以(1→6）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β-(1→3)或(1→6)葡聚糖[16]。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(1→6)键型；活性半乳多糖则以(1→3)键型连接[14]。

2.1.3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Ｄ-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。

2.1.4 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[17]。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，