成偉華,付國平,趙改紅,沙 勐,李燦鵬*
1云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,昆明650091;2昆明醫(yī)學(xué)院第二附屬人民醫(yī)院,昆明650101
生物大分子的硫酸化修飾及其生物活性的研究進(jìn)展
成偉華1,付國平2,趙改紅1,沙 勐1,李燦鵬1*
1云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,昆明650091;2昆明醫(yī)學(xué)院第二附屬人民醫(yī)院,昆明650101
生物大分子經(jīng)過硫酸化修飾后具有抗病毒、抗腫瘤、抗凝血和增強(qiáng)免疫功能等生物活性。本文就硫酸化生物大分子的制備方法和生物活性等進(jìn)行了綜述。
生物大分子;硫酸化;抗凝血;抗病毒;抗腫瘤
生物大分子是生物體內(nèi)參與細(xì)胞等各種生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者,如多糖、蛋白質(zhì)、核酸,具有增強(qiáng)免疫、抗衰老、抗氧化、抗癌、抗風(fēng)濕等作用[1-2]。硫酸化多糖、蛋白是多糖、蛋白等生物大分子中的羥基或氨基被硫酸基團(tuán)取代形成的天然的或合成的硫酸化多糖、蛋白。由于引入了帶大量的負(fù)電荷硫酸根基團(tuán),使其生物活性得到很好的改善,如具有抗病毒、抗腫瘤、抗凝血和增強(qiáng)免疫等生物活性。天然的硫酸化多糖、蛋白是從植物、動(dòng)物組織中提取得到的,如硫酸化海藻多糖、硫酸化礁膜多糖、肝素等。人工合成的硫酸化多糖、蛋白,如硫酸化殼聚糖、硫酸化葡聚糖、硫酸化木聚糖、硫酸化絲素蛋白等。硫酸化多糖、蛋白因具有抗氧化,抗病毒、抗腫瘤[2]等生物活性,近年來受到廣泛的關(guān)注。
近年來發(fā)現(xiàn)硫酸化多糖、蛋白具有抗凝血活性。肝素是一種酸性黏多糖,無論在體內(nèi)還是體外,肝素的抗凝作用都很強(qiáng),故為現(xiàn)在最廣泛應(yīng)用的抗凝劑。肝素主要從動(dòng)物的肝臟、小腸中提取,提取步驟比較的繁瑣,且使用肝素會(huì)引起自發(fā)性出血和誘導(dǎo)血小板減少的副作用。所以人工合成硫酸化多糖或蛋白來代替肝素是目前研究的熱點(diǎn)之一。本文將各種硫酸化生物大分子的制備方法、生物活性及其影響因素的研究進(jìn)行綜述。
硫酸化多糖、蛋白等生物大分子的制備常用的方法有氯磺酸-吡啶法、濃硫酸法、超聲助合成法、微波助合成法、干燥加熱法等。
1.1 濃硫酸法
濃硫酸和有機(jī)溶劑加入多糖或蛋白在一定溫度下即可進(jìn)行反應(yīng)。Tamada[3]用濃硫酸的方法對(duì)絲素蛋白進(jìn)行硫酸化修飾,其硫酸化效率為15.7%,紅外光譜顯示了硫酸根已被引入到絲素蛋白中,反應(yīng)產(chǎn)物中硫酸根的含量為0.3 mmol/g,在樣品濃度達(dá)到20 mg/mL時(shí),凝血時(shí)間可以延長至60 min以上。這種硫酸化方法,操作雖然簡單,但是反應(yīng)效率不高且樣品非常容易受到分解。
1.2 氯磺酸-吡啶法
Henry等[4]發(fā)現(xiàn)在吡啶中用氯磺酸可以進(jìn)行硫酸化反應(yīng),并確定了哪些氨基酸參與了反應(yīng),及其對(duì)反應(yīng)的穩(wěn)定性的影響。Tamada[5]應(yīng)用該方法制備了硫酸化絲素蛋白。其硫酸化效率達(dá)到66.7%,在硫酸化絲素蛋白濃度達(dá)到1 mg/mL時(shí),凝血時(shí)間可以延長至60 min以上,活化部分凝血活酶時(shí)間(APTT)可以延長到300 s。楊曦明等[6]用氯磺酸-吡啶法制備了白樹花多糖硫酸酯,產(chǎn)物硫酸根的取代度為1.41。硫酸化產(chǎn)物濃度在5 mg/mL的濃度下就有抗凝血作用,在10 mg/mL時(shí),相當(dāng)于150U肝素的抗凝血效果。耿越等[7]采用氯磺酸-吡啶法對(duì)馬尾松花粉多糖進(jìn)行硫酸化修飾,反應(yīng)產(chǎn)物的硫含量為15.1%,取代度為1.47。修飾后的多糖能抑制腫瘤細(xì)胞的增殖,同時(shí)也能改善清除自由基的效果。Huang等[8]改進(jìn)該方法,即在氯磺酸中加入了甲酰胺,未使用吡啶,這樣可以把反應(yīng)溫度從80℃下降到60℃,得到了硫含量為10.9%的硫酸化殼聚糖。13C NMR的結(jié)果表明:與對(duì)照樣品相比,硫酸化樣品中C-6的位移最大,說明在C-6位上的羥基硫酸化反應(yīng)活性最大。Bae等[9]用氯磺酸-甲酰胺法制備硫酸化柑橘果膠,反應(yīng)產(chǎn)物的硫含量達(dá)到2.68%,取代度為0.15,得到的硫酸化柑橘果膠的抗菌性比柑橘果膠相比明顯提高,柑橘果膠對(duì)費(fèi)氏弧菌有20%的抑制作用,硫酸化柑橘果膠對(duì)對(duì)費(fèi)氏弧菌有58%的抑制作用,說明硫酸化改善了柑橘果膠的抗菌性。Liu等[10]用氯磺酸-甲酰胺合成硫酸化茶藨子木層孔菌多糖,反應(yīng)產(chǎn)物硫含量最高可達(dá)14.46%,取代度為2.02。硫酸化茶藨子木層孔菌多糖對(duì)于肝癌細(xì)胞(HepG2)比茶藨子木層孔菌多糖有更明顯的抑制作用。
運(yùn)用氯磺酸-吡啶法對(duì)多糖、蛋白等生物大分子進(jìn)行硫酸化反應(yīng),由于其操作比較簡單,產(chǎn)率高,應(yīng)用比較廣泛。但是,氯磺酸-吡啶法制備硫酸化樣品時(shí),使用了氯磺酸、吡啶、甲酰胺等有毒有機(jī)試劑,這樣可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。另外,氯磺酸是一種酸性很強(qiáng)的有機(jī)酸,其反應(yīng)劇烈而難以控制。近年來,隨著綠色化學(xué)的興起,找到一種反應(yīng)溫和,對(duì)環(huán)境污染小的硫酸化生物大分子的制備方法是目前研究的熱點(diǎn)之一。
1.3 超聲助合成法
Wong等[11]用超聲輔助合成法制備硫酸化凝膠多糖,得到了硫含量為2.59%的硫酸化凝膠多糖,而未進(jìn)行超聲處理的硫酸化產(chǎn)物的硫含量只有0.58%。13C NMR的結(jié)果表明硫酸化后的凝膠多糖的骨架結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生根本的改變。該方法雖然對(duì)設(shè)備有特殊的要求,但是應(yīng)用超聲來輔助合成,反應(yīng)溫和,有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
1.4 微波助合成法
Xing等[12]首先制備硫酸化試劑二甲基甲酰胺(DMF)-三氧化硫,然后把殼聚糖、DMF-甲酸混合液與DMF-三氧化硫混合,放入微波合成儀,調(diào)節(jié)一定的功率和反應(yīng)時(shí)間(70~120 s),反應(yīng)得到的樣品的硫含量在13.7%~14.9%之間。Feng等[13]用微波輔助合成法制備了硫酸化蘑菇多糖,與傳統(tǒng)方法相比,合成硫酸化蘑菇多糖的硫取代度差別不大,但反應(yīng)時(shí)間大幅度減少,研究結(jié)果表明硫酸化蘑菇多糖體外抗氧化性明顯增強(qiáng),對(duì)白血病細(xì)胞的增殖有抑制作用。
1.5 干燥加熱法
最近,筆者的研究小組發(fā)現(xiàn):多糖和蛋白在硫酸氫鹽存在和干燥加熱的條件下可以被硫酸化,該方法簡單、可大量制備,且制備過程中不使用有機(jī)溶劑,對(duì)環(huán)境污染小,屬于一種綠色的硫酸化方法[14,15]。
表1 各種硫酸化方法的比較Table 1 Comparation of various sulfation methods
2.1 抗凝血
肝素是最常用的抗凝血?jiǎng)?,但是肝素是從?dòng)物組織中提取得到的,在治療中經(jīng)常使用可能會(huì)有抗血小板活性,進(jìn)而引起不正常的流血現(xiàn)象。而硫酸化絲素蛋白、多糖具有抗凝血活性且副作用很小,是替代肝素的潛在抗凝血?jiǎng)amada[5]制備的硫酸化絲素蛋白具有很好的抗凝血活性,當(dāng)硫酸化絲素蛋白濃度達(dá)到1 mg/mL時(shí),APTT可以延長到300 s。Bae等[9]制備得到硫酸化果膠,發(fā)現(xiàn)硫酸化果膠延長了PT、APTT,并且它的抗凝血活性是肝素的1/ 5左右。合成N-羧甲基化-3,6-二取代的硫酸化低分子殼聚糖具有與肝素相同的抗凝血活性且當(dāng)加入血液后不影響細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)[16]。Vongchan等[17]制備了三種不同分子量的硫酸化殼聚糖具有很好的抗凝血活性,其抗凝血機(jī)理與肝素類似。
2.2 抗病毒
近期的研究表明,硫酸化多糖、蛋白具有抗病毒的性質(zhì),特別是抗HIV活性。Baba等[18]發(fā)現(xiàn)了一些硫酸化多糖,如硫酸化葡聚糖,硫酸化戊聚糖,硫酸化卡拉膠等,對(duì)單純皰疹病毒、人巨細(xì)胞病毒等病毒有明顯的抑制作用。Lu等[19]合成了九種硫酸化淫羊藿多糖,發(fā)現(xiàn)硫酸化淫羊藿多糖對(duì)傳染性法氏囊病病毒感染細(xì)胞有很好的抑制作用,其機(jī)理是硫酸根吸附含有在陽離子病毒的表面,阻止了病毒的吸附和進(jìn)入正常細(xì)胞。Uryu等[20]合成了中等分子量的硫酸烷基單糖,硫酸化單糖在0.4~0.7 mg/mL時(shí),體外對(duì)HIV病毒的抑制率達(dá)50%。肝素作為抗凝血?jiǎng)V泛應(yīng)用,隨后的研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過硫酸化修飾后的肝素抗HIV的活性顯著增強(qiáng),它主要是通過抑制HIV的復(fù)制來達(dá)到抗HIV的效果。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)硫酸根取代度高的肝素抑制HIV-1型病毒活性更好,高抑制HIV-1型病毒的肝素有望應(yīng)用到臨床上,可以和其他藥物一起治療艾滋病和HIV感染者[21-23]。關(guān)于硫酸化多糖的抗HIV的作用機(jī)制,徐文清[24]做了如下總結(jié):1)干擾HIV-1對(duì)宿主細(xì)胞的粘附而阻止了合胞體的形成而發(fā)揮作用;2)抑制HIV-1抗原的表達(dá);3)增強(qiáng)免疫系統(tǒng)的功能。
2.3 抗氧化
超氧陰離子自由基、羥基自由基等自由基對(duì)身體損害并且與心腦血管疾病、糖尿病、癌癥等密切相關(guān),合成有效的抗氧化劑對(duì)這些自由基進(jìn)行有效的清除成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。過渡金屬鐵、銅是許多自由基產(chǎn)生過程的催化劑。若是把這些離子螯合了,使其無法催化自由基的生成,從而達(dá)到減少自由基的作用。硫酸化多糖都可以對(duì)金屬離子有螯合作用,如硫酸化殼聚糖等。研究發(fā)現(xiàn)硫酸化多糖、蛋白的抗氧化活性大小直接或間接地與其分子結(jié)構(gòu),硫酸根基團(tuán)的多少有密切的關(guān)系。例如:Xing等[12]合成的硫酸化殼聚糖對(duì)各種自由基的清除能力都很好。張澤慶等[25]合成的硫酸酯化防風(fēng)多糖對(duì)羥基自由基和超氧自由基有較好的清除能力。
2.4 增強(qiáng)免疫作用
生物大分子經(jīng)過硫酸化修飾后,增加了其免疫功能。楊鐵虹等研究結(jié)果表明,當(dāng)歸多糖的硫酸酯對(duì)脾細(xì)胞增殖有促進(jìn)作用,且與劑量有相關(guān)性[26]。盧宇等[27]用氯磺酸-吡啶法制備了硫酸化淫羊藿多糖,發(fā)現(xiàn)修飾后的淫羊藿多糖提高了淋巴細(xì)胞的增殖,而促進(jìn)淋巴細(xì)胞分泌抗病毒干擾素和白介素等細(xì)胞因子是生物活性多糖抗病毒和增強(qiáng)免疫的機(jī)制之一。王魯?shù)龋?8]制備了硫酸化人參總皂苷,結(jié)果表明,人參總皂苷對(duì)于淋巴細(xì)胞的增殖影響不明顯,而硫酸化修飾后的人參總皂苷在較低的濃度下就能明顯的增加淋巴細(xì)胞(雞的外圍淋巴細(xì)胞、小鼠脾淋巴細(xì)胞)的增殖。郭克曉等[29]從灰樹花中提取多糖并對(duì)多糖進(jìn)行硫酸化修飾,結(jié)果表明,在10 mg/kg劑量下,灰樹花多糖及硫酸化灰樹花多糖都具有免疫增強(qiáng)作用,但是在合適的取代度下硫酸化灰樹花多糖比灰樹花多糖表現(xiàn)出更強(qiáng)的免疫調(diào)節(jié)作用。
2.5 抗腫瘤
據(jù)先宏等的報(bào)道[30],海藻硫酸多糖可以通過對(duì)巨噬細(xì)胞的調(diào)節(jié)使腫瘤細(xì)胞凋亡,這為研究具有抗腫瘤活性的硫酸化多糖提供了理論依據(jù)。隨后,Wang等[31]的研究發(fā)現(xiàn),硫酸化脫脂米糠多糖具有抗腫瘤活性,而且硫取代度越高,其抗腫瘤活性也越強(qiáng)。徐中平[32]等的研究結(jié)果也表明,用磺化試劑制得的硫酸化昆布多糖具有抑制血管新生和抗腫瘤的作用。
3.1 硫酸基團(tuán)
硫酸根的引入使得生物大分子的理化性質(zhì)發(fā)生改變,從而影響其生物活性。在未引入硫酸基團(tuán)的時(shí)候,有些多糖并沒有抗氧化性,抗凝血等生物活性,引入硫酸根后,多糖、蛋白被賦予了抗氧化、抗凝血等生物活性。卡拉膠和肝素等具有抑制皰疹病毒復(fù)制、抗凝血的活性,但是如果將這些多糖的硫酸根除去,上述活性則隨之消失,說明硫酸基團(tuán)的引入對(duì)于多糖、蛋白的生物活性的改善具有關(guān)鍵的作用[33]。絲素蛋白中含有許多由6種氨基酸殘基交替排列的結(jié)構(gòu)(Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser-),其中絲氨酸(Ser)之間的距離,與肝磷脂中有抗凝血作用的重要基團(tuán)硫酸基團(tuán)的距離十分相近,故若能在Ser中引入硫酸基,也能制造出類似肝磷酯的結(jié)構(gòu),則可賦予絲素抗凝血活性[34,35]。Tamada用濃硫酸法[3],和氯磺酸-吡啶法[5]分別制得了硫酸化絲素蛋白,前種方法制備的硫酸化絲素蛋白的硫酸根含量為0.3 mmol/g,當(dāng)硫酸化絲素蛋白的濃度大于20 mg/mL可以使凝血時(shí)間延長至60 min以上。后種方法制備的硫酸化絲素蛋白的硫酸根含量為1.0 mmol/g,此時(shí)當(dāng)硫酸化絲素蛋白只需0.5 mg/mL的量就能使凝血時(shí)間延長至60 min以上。Wang等[31]制備了9種硫酸化脫脂米糠多糖,發(fā)現(xiàn)硫取代度越大的多糖,其抗腫瘤活性越強(qiáng)。所以增加硫酸化效率對(duì)于改善多糖、蛋白的生物活性具有極其重要的作用。另外,硫酸根取代度,即每二糖單位中的硫酸根數(shù)量,是對(duì)多糖生物活性影響的重要因素之一。研究表明,多糖硫酸酯的生活活性與其取代度在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)[36],一般認(rèn)為硫酸根取代度為0.81~1.29時(shí),多糖的生物活性比較好[31]。
3.2 分子量大小及結(jié)構(gòu)的影響
生物大分子的硫酸酯化的性質(zhì)不僅與硫酸根的含量有關(guān),還與分子量、結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。Yamada等[37]制備得到硫酸化卡拉膠,研究發(fā)現(xiàn)低分子硫酸化卡拉膠(分子量50,000 Da)比其他分子量的硫酸化卡拉膠的抗HIV的活性高。Xing等[12]合成的低分子硫酸化殼聚糖比高分子硫酸化殼聚糖對(duì)超氧陰離子自由基和羥基自由基的清除能力要強(qiáng)。說明在硫酸化修飾后,硫酸化產(chǎn)物的生物活性與分子量的大小密切相關(guān)。此外硫酸根是帶有負(fù)電荷的基團(tuán),引入硫酸根后,生物大分子的構(gòu)象因?yàn)榱蛩岣撵o電斥力而發(fā)生改變,使多糖、蛋白的分子極性增加,改變了多糖、蛋白的結(jié)構(gòu),增加了其溶解度,從而影響生物大分子的生物活性。另外,多糖自身的結(jié)構(gòu)也對(duì)多糖的生物活性有著重要的影響。例如多糖的糖單元組成、糖苷鍵類型直接決定多糖的活性,支鏈的類型、聚合度、在多糖鏈上的分布及其取代度決定了多糖活性的強(qiáng)弱。多糖分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)如鏈的柔韌性和空間構(gòu)像比一級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)多糖活性的影響更大[2]。一般雜多糖硫酸酯化產(chǎn)物的生物活性小于勻多糖硫酸酯化產(chǎn)物的活性。例如,硫酸化雜多糖對(duì)抗III型人類T淋巴細(xì)胞病毒比硫酸化勻多糖的活性要弱。Yang等[38]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)硫酸根取代多糖的2位羥基時(shí),對(duì)抗凝血活性的提高很慢。進(jìn)一步的研究表明,若硫酸根取代多糖的6位羥基時(shí),對(duì)抗凝血活性起很重要的作用。
對(duì)多糖、蛋白硫酸化改性后,其抗氧化,抗病毒、抗凝血等生物活性可得到改善。在各種硫酸化方法中,傳統(tǒng)的氯磺酸-吡啶法,反應(yīng)劇烈較難控制,能夠得到硫酸化程度較高的硫酸化產(chǎn)物。超聲,微波輔助合成雖然節(jié)約能源,但是硫酸化程度不高。干燥加熱法硫酸化程度較高,且條件溫和,可控,是有效且有前景的方法。目前,開發(fā)對(duì)于硫酸化多糖,蛋白的藥物應(yīng)用到臨床的并不是很多,其中的一些硫酸化多糖、蛋白的生物活性很好,相信在不久的將來,以硫酸化多糖、蛋白開發(fā)出的新藥可以應(yīng)用到生物醫(yī)藥中。
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Modification of Biomacromolecule by Sulfation and its Biological Activities:A review
CHENG Wei-hua1,F(xiàn)U Guo-ping2,ZHAO Gai-hong1,SHA Meng1,LI Can-peng1*1School of Chemical Science and Technology,Yunnan University,Kunming 650091,PR China;2The Second Affiliated Hospital of Kunming Medical College,Kunming 650101,PR China
Activities of antivirus,antitumor,anticoagulation and strengthening the immunity from diseases of biomacromolecules could be given by sulfation.In this article,the sulfation methods and biological activies of biomacromolecules were reviewed.
Biomacromolecule;sulfation;anticoagulation;antivirus,antitumor
1001-6880(2012)10-1486-05
2011-01-07 接受日期:2011-03-16
云南省教育廳科學(xué)研究基金重大專項(xiàng)項(xiàng)目(ZD2009002);云南省中青年學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人后備人選項(xiàng)目;國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31160334)
*通訊作者 E-mail:lcppp1974@sina.com
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