氨基糖的性質(zhì)、應(yīng)用及市場前景

藍 麗 陳昱錕 譚立清 蔣 雯 劉晗昱 侯向華

氨基糖的性質(zhì)、應(yīng)用及市場前景

藍 麗1陳昱錕1譚立清1蔣 雯2劉晗昱2侯向華2

（1.中國科技開發(fā)院廣西分院，廣西 南寧 530022；2.廣西產(chǎn)研院新型功能材料研究所有限公司，廣西 南寧 530000）

氨基糖是土壤中唯一一種含氮的碳水化合物，氨基糖多作為生物標識物在研究土壤及海洋有機質(zhì)中碳的來源及轉(zhuǎn)化，以及醫(yī)療方面發(fā)揮著重要作用。隨著氨基糖的應(yīng)用前景越加廣闊，人們對于氨基糖的研究越加關(guān)注和深入。文章主要對氨基糖的性質(zhì)、應(yīng)用及市場前景進行綜述，以期為今后氨基糖的研究提供參考。

氨基糖；性質(zhì)；應(yīng)用；市場前景

引言

氨基糖是一種氨基將糖上的羥基取代所獲得的有機化合物的總稱[1]，常作為生物有機體成分。它一般是在各自專性生物合成酶的作用下，在磷酸酯或糖核苷酸的階段由氨或谷酰胺經(jīng)氨基轉(zhuǎn)移而形成的。最常見的是葡糖胺和半乳糖胺，這兩種都是六碳糖上的第二位羥基為氨基所取代。葡糖胺多存在于幾丁質(zhì)多糖中[2]，而半乳糖胺則是皮質(zhì)素、硫酸軟骨素、動物組織和軟骨中的多糖的組成單元。胞壁酸是細菌特有的氨基糖，存在于細菌細胞壁的肽聚糖中[3]。較常見的還有存在于藻類和細菌產(chǎn)物中的甘露糖胺，它是膜糖脂中唾液酸的結(jié)構(gòu)骨架。神經(jīng)氨酸是一種第五位羥基為氨基所取代的九碳糖。除此之外，第二位糖以外的糖被氨基所取代的氨基糖也比較常見，它們大多存在于微生物體內(nèi)的核多糖非、糖苷以及抗生素中。例如唾液酸（5-氨基-5-脫氧的九糖的衍生物），以復合物的形式存在于動物來源的黏多糖，以及鏈霉素、赤霉素、慶大霉素等臨床抗生素中。

氨基糖在細胞表面也發(fā)揮重要結(jié)構(gòu)作用，其不僅是細菌細胞壁肽聚糖、真菌細胞壁幾丁質(zhì)和動物細胞的細胞外基質(zhì)的關(guān)鍵組分，同時它也是蛋白質(zhì)修飾包括N-糖基化、O-糖基化及GPI糖脂合成的原料[4,5]。氨基糖代謝的不平衡對細胞生長有害[6]，因此細胞必須協(xié)調(diào)胞外攝取的外源氨基糖、胞內(nèi)氨基糖的重頭合成，氨基糖作為營養(yǎng)的代謝途徑以及用于蛋白質(zhì)修飾和細胞骨架合成之間的平衡。氨基糖不僅在細菌、真菌及動物細胞表面發(fā)揮重要的結(jié)構(gòu)作用，同時也是蛋白質(zhì)N-糖基化、O-糖基化及GPI糖脂合成的必需糖。

氨基糖廣泛存在于土壤及海洋有機質(zhì)中，并參與土壤及海洋中的碳氮循環(huán)。在土壤中，礦質(zhì)態(tài)氮能夠迅速被土壤微生物吸收并儲存在氨基糖等微生物活性較高的臨時氮庫中，從而降低礦物質(zhì)氮的損失。如今，氨基糖已被用作指示微生物對土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化和固存的生物標志物。在土壤中有機碳、氮中，氨基糖占比分別為6%～12%[7]和5%～10%[8]；在海洋沉積有機碳、氮中，其占比則分別為1.6%～2.1%[9]和2.7%～3.9%[10]。目前，研究者已經(jīng)從微生物中識別出26種氨基酸，而可被定量的只有甘露糖胺、葡萄糖胺、半乳糖胺和胞壁酸4種[11]。

1　氨基糖的性質(zhì)

氨基糖為固態(tài)，本身具有較強的異源性和穩(wěn)定性[12]，但它的揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性較差、沸點高[13]。氨基糖是活性較高的有機質(zhì)，它的活性高于有機碳、氮，會比有機碳、有機氮優(yōu)先降解。由于氨基糖具有較多的羥基，因此極性大且易溶于水。除此之外，氨基糖還可發(fā)生以下化學反應(yīng)。

1.1　乙?；磻?yīng)

在不同條件下，氨基糖的羥基和氨基都能發(fā)生乙?；磻?yīng)。在乙酸酐的醇溶液或水溶液中，氨基糖的鹽釋放出的游離氨基能夠被選擇性的N-乙?；?。例如以D-氨基葡萄糖為底物，在甲醇-三乙胺體系中，以苯甲酰氯作為?；噭?，經(jīng)選擇性N-酰化反應(yīng)合成得到N-苯甲?；?D-氨基葡萄糖[14]。

而在酸性介質(zhì)中，氨基被質(zhì)子化而不再具有親核特性，此時，氨基糖上的羥基能夠選擇性的與酰基鹵代物發(fā)生?；磻?yīng)。

1.2　烷基化反應(yīng)

氨基糖的甲基化反應(yīng)是先使氨基糖發(fā)生甲?；磻?yīng)，再進行甲酰胺基的還原最后得到甲基化產(chǎn)物。而對于氨基糖的羥基進行甲基化反應(yīng)，一般是氨基糖上的氨基先進行乙?；磻?yīng)，然后游離羥基進行甲基化反應(yīng)，最后脫掉氨基上的乙酰基從而實現(xiàn)羥基的烷基化反應(yīng)。

1.3　亞硝酸脫氨反應(yīng)

氨基糖在經(jīng)亞硝酸處理重氮化后生成不穩(wěn)定的重氮鹽，它能很快裂解生成氮氣和碳的陽離子，該陽離子可與溶劑或者可能的分子發(fā)生內(nèi)親核反應(yīng)，或者Wagner-Meerwein重排。例如1, 2, 3, 4-四-O-乙?；?6-氨基-6-脫氧-D-葡萄吡喃糖經(jīng)過重氮化后生成不穩(wěn)定的重氮鹽，這種重氮鹽可直接與水反應(yīng)生成6-羥基糖的四乙酸酯[15]。

1.4　與酸或堿反應(yīng)

氨基糖均為堿性化合物，能與無機酸生成結(jié)晶鹽。它的堿性隨氨基在糖鏈上位置的變化而不同，但均比環(huán)己氨堿性弱，這可能是由于臨近碳原子上的氧取代基的誘導效應(yīng)，當端基未被保護時，2、3及6位碳上存在氨基的糖在酸中比較穩(wěn)定。在堿性溶液中，糖上2和3位碳上的氨基不穩(wěn)定，容易成為亞氨基化合物，在進行水解失去氨基。4、5位上存在氨基的糖在堿中比較穩(wěn)定。

1.5　取代反應(yīng)

酰胺基糖磺酸酯化合物中的磺酸酯基，能夠通過鄰位反式的酰胺基的氮原子的鄰基參與而發(fā)生取代反應(yīng)，生成氮三元環(huán)。例如3-O-對甲苯磺?；咸烟擒赵诋惐尖c試劑的催化下，生成2, 3-二-脫氧-2, 3-環(huán)亞胺—阿羅吡喃糖苷[15]。

1.6　顏色反應(yīng)

氨基糖的檢測有兩個靈敏的顏色反應(yīng)，分別是Morgan-Elson試驗和Elan-Morgan試驗。Morgan-Elson試驗：在堿性條件下，2-乙酰胺基糖遇4-(二甲基胺)苯甲醛試劑產(chǎn)生紅色。Elan-Morgan試驗：2-氨基糖遇類似試劑亦產(chǎn)生紅色[16]。

2　氨基糖的研究現(xiàn)狀

氨基糖不僅在細菌、真菌及動物細胞表面發(fā)揮重要的結(jié)構(gòu)作用，同時也是蛋白質(zhì)N-糖基化、O-糖基化及GPI糖脂合成的必需糖。氨基糖衍生物是一種有生物活性的物質(zhì)，可以被應(yīng)用到醫(yī)藥、生物學和化學等學科領(lǐng)域。氨基糖在合成氮雜糖和多糖中具有重要的作用，很多氨基糖衍生物對疾病都發(fā)揮重要的作用，氨基糖的結(jié)構(gòu)單元在很多糖普抑制劑和骨架中都存在。在自然界中存在的一種氨基糖是2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖，它在海洋生物中存在非常豐富，特別在蝦殼、蟹殼中的含量非常豐富。

多年來，研究者們多利用氨基糖作為生物標識物，對土壤及海洋中的含碳有機質(zhì)中的碳、氮的來源及轉(zhuǎn)化進行研究。另外，氨基糖在醫(yī)藥方面也發(fā)揮著越來越重要的作用，在化學、生化、醫(yī)藥和制藥領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，治療疾病的藥物，如糖尿病和癌癥，炎癥和病毒感染，包括艾滋病毒而在其他方面的文獻資料相對較少[17]。

2.1　作為生物標識物

氨基糖作為一種微生物來源物質(zhì)，具有較高的穩(wěn)定性，也常作為土壤及海洋微生物殘留物的標識物[1]。近年來，很多研究學者利用氨基糖作為生物標識物來探究相關(guān)土壤中碳、氮循環(huán)等問題。李秀秀[18]、Ni[19]等就利用氨基糖作為標識物來測定區(qū)分土壤碳來源。同年，趙博[12]系統(tǒng)地分析了經(jīng)長期施肥和地膜覆蓋后棕壤中氨基糖的積累特征，有助于研究土壤中來源于真菌和細菌的殘留碳氮的去向、從微觀角度闡明微生物對土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化和截獲的貢獻以及區(qū)分真菌和細菌在土壤有機質(zhì)循環(huán)過程中的相對貢獻。胡國慶[20]等以氨基糖作為標識物，研究了某墾殖區(qū)墾殖過程中兩種鹽漬土氨基糖數(shù)量的變化特征, 并探討了鹽漬化程度對土壤氨基糖累積特征的影響以及真菌和細菌在氨基糖累積過程中的相對貢獻。同樣，李俊娣[21]、寧趙[22]、井艷麗[23]、Hu[24]等亦以氨基糖作為微生物殘留物的標識物，來了解真菌和細菌殘留物的積累與轉(zhuǎn)化，試圖真菌和細菌在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中的作用。呂慧捷等[25]通過研究在玉米生長不同時期，單純添加肥料及肥料與秸稈配合添加時，土壤氨基糖的變化情況，來判斷微生物來源物質(zhì)的變化特征，為探索土壤有機質(zhì)循環(huán)和碳、氮截獲提供有力依據(jù)。也有利于土壤有機質(zhì)循環(huán)周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因子的探索。

氨基糖是海洋中唯一一種含氮的碳水化合物，其廣泛存在于浮游動物、浮游植物及細菌有機質(zhì)中，且在不同生物體內(nèi)的含量和組成結(jié)構(gòu)不同。因此，可利用氨基糖在環(huán)境中的含量及組成來判斷有機質(zhì)的來源。任成喆等[26]亦利用氨基糖及相關(guān)生化和水文參數(shù)對近海區(qū)域有機質(zhì)來源，活性和降解狀態(tài)的分布特征和季節(jié)變化進行了研究，探討了影響有機質(zhì)來源、活性和降解狀態(tài)的因素，并且估算了細菌有機質(zhì)對有機碳的貢獻率。

2.2　應(yīng)用于醫(yī)藥

氨基糖類藥物在許多疾病的治療和預防方面都有極其重要的作用。而目前對于氨基糖類藥物的開發(fā)還存在一定的欠缺。

隨著時代的不斷發(fā)展，腫瘤成為影響人類生命健康的重大疾病之一。加強有效抗擊腫瘤藥物的研制對治療腫瘤疾病有著極其重大的意義。以氨基糖為主要成分的糖類藥物在治療腫瘤疾病方面取得了有效的成果，目前氨基糖糖類藥物已應(yīng)用于腫瘤的臨床治療。這是由于氨基糖類藥物能夠?qū)λ拗骷毎拿庖哌M行調(diào)節(jié)，從而使胸腺的免疫系統(tǒng)能夠正常發(fā)揮作用，從而預防腫瘤細胞對于正常細胞的侵害[27]。此外氨基糖類藥物還能在一定程度上加速T淋巴細胞的生長和牛白介素的生成，對腫瘤細胞的殺害及清除有重要的作用。另外，氨基糖也有利于阿爾茨海默病的治療。與傳統(tǒng)治療阿爾茨海默病的方法相比，其療效和降低副作用方面都具有一定的優(yōu)勢。糖胺聚糖是該病發(fā)生的關(guān)鍵性物質(zhì)，而氨基糖主要通過抑制糖胺基糖的生成來治療阿爾茨海默病，另外氨基糖還能加強體內(nèi)線粒體的修復，是其能夠恢復到原來的狀態(tài)，這對于阿爾茨海默病的治療具有極大重要作用[28]。氨基糖還參與了水凝膠的制作，這對于水凝膠相關(guān)性能的提升具有重要意義[29]。氨基糖對受損心肌細胞和心肌組織還具有保護作用[30]，李南[30]對幾種氨基糖對受損心肌細胞和心肌組織的保護作用進行了研究。研究表明，氨基糖能夠促進受損心肌的修復，并對受損心肌具有保護作用。

全球每年因細菌感染而死亡的人數(shù)成千上萬，現(xiàn)今臨床上大多使用抗生素來抑制細菌感染，然而，由使用抗生素所引發(fā)的細菌抗藥性增強的問題日益突出。中國科學院成都生物研究所天然產(chǎn)物研究中心研究員邵華武課題組與國家納米科學中心研究員蔣興宇課題組共同研發(fā)出一種氨基糖與金納米復合材料，這種材料利用由于革蘭氏陰性菌與陽性菌細胞壁結(jié)構(gòu)的不同，通過對革蘭氏陽性菌細胞壁的破壞來抑制其生長[31]，從而達到了對有益菌的破壞和防止菌群失調(diào)的目的。

蛋白質(zhì)的非酶糖基化反應(yīng)是糖尿病慢性并發(fā)癥的重要發(fā)病機理之一。趙一秀等[32]對南瓜多糖中的特征性官能團與其抗蛋白質(zhì)非酶糖基化反應(yīng)之間的關(guān)系進行了研究。結(jié)果表明，南瓜多糖中氨基糖對于其蛋白質(zhì)非酶糖基化反應(yīng)具有抑制作用。這可能是因為氨基糖中游離的氨基本身可參與羰氨反應(yīng)，可防止蛋白質(zhì)參與非酶糖基化反應(yīng)，進而阻止蛋白質(zhì)變性。這一研究為糖尿病并發(fā)癥的藥物篩選提供了選擇。董陸陸等[33]考察了泥鰍分泌多糖的體外抗氧化能力，結(jié)果表明：分泌多糖中含有的氨基糖具有明顯的清除氧自由基的能力，這對生物活性和藥用價值都具有重要意義。呂寒等[34]對蠶沙總亞氨基糖類成分的富集純化及提取物對α-葡萄糖苷酶的抑制活性進行了研究。結(jié)果表明，蠶沙中富集純化的總亞氨基糖類提取物具有良好的降血糖活性。

2.3　應(yīng)用于農(nóng)作物

尖孢鐮刀菌古巴?；褪菍е孪憬稖p產(chǎn)的主要病原真菌，它可在土壤中存活多年，致使香蕉枯萎病的發(fā)生。丁兆建等[35]在研究尖孢鐮刀菌古巴?；秃裨咦有纬蓹C制過程中，通過添加氨基糖試驗發(fā)現(xiàn)，氨基糖N-乙酰葡糖胺可通過調(diào)控細胞壁的合成來抑制厚垣孢子的形成，從而防止香蕉枯萎病的發(fā)生。這一研究為香蕉枯萎病的防治提供了新思路。呂慧捷等[25]研究玉米不同生育期土壤氨基糖動態(tài)變化特征過程中發(fā)現(xiàn)，土壤中的氨基糖在作物不同時期可以作為碳氮源應(yīng)用于植物和微生物中，土壤中氨基糖可以在作物不同時期作為碳、氮源被更高效的利用。

2.4　其它

氨基糖還可應(yīng)用于實驗器材，劉宇[36]采用晶種法水熱合成了一種ZSM-5沸石分子篩，這種分子篩就利用了氨基糖來促進分子篩的生長。Rohan等[37]研究氨基糖類熒光化學傳感器，在報告中描述了一系列多齒BINOL基磷酸在熒光化學傳感氨基糖方面的應(yīng)用。研究表明，一個宿主選擇性結(jié)合半乳糖胺，而另一個宿主同時結(jié)合葡萄糖胺和甘露糖胺。這使得一類新型的磷酸鹽基超分子主體能夠基于熒光檢測和區(qū)分氨基糖。

3　市場前景

氨基糖的市場應(yīng)用主要還是集中在藥物方面，其它方面的研究報道相對較少。就現(xiàn)有的文獻以及研究表明，已經(jīng)有許多氨基糖類藥物應(yīng)用于市場，并且具有很大的發(fā)展?jié)摿?。例如，氨基糖類藥物在治療腫瘤方面具有顯著的療效，并且一些藥物已經(jīng)應(yīng)用到腫瘤的臨床治療中。此外，研究表明氨基糖類藥物在治療老年人阿爾茨海默病方面，與傳統(tǒng)治療法相比具有顯著的優(yōu)越性[25]，醫(yī)療者們?nèi)魧Υ朔矫婕右灾匾?，在未來具有很大的?yīng)用市場。研究學者研究出的氨基糖與金納米復合材料可抑制革蘭氏陽性菌的生長，這種材料在動物體內(nèi)抗菌和傷口愈合實驗中表現(xiàn)出優(yōu)越的抗菌效果，有望應(yīng)用于臨床抗菌中。水凝膠作為藥物載體與其他載體相比具有很大的優(yōu)越性。而氨基糖在水凝膠的制作過程中對于其性能具有很大的改善作用，因此，其在水凝膠方向的市場亦不容小覷。氨基糖類藥物在許多疾病的治療與防治方面發(fā)揮著重要作用，但目前的醫(yī)療水平有限，還有許多氨基糖類藥物有待開發(fā)。相關(guān)醫(yī)療機構(gòu)與研究者們?nèi)魧τ诎被羌右院侠砝?，其對于醫(yī)療事業(yè)的貢獻是無可限量的。

4　結(jié)束語

綜上所述，氨基糖在醫(yī)藥、生物標志物等領(lǐng)域的應(yīng)用，使得其應(yīng)用前景更加廣闊。在生物標志物方面，根據(jù)土壤中氨基糖變化特征，學者們從微生物學的角度闡述土壤有機質(zhì)循環(huán)機理，結(jié)合穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，在以后也能更加系統(tǒng)地對土壤有機質(zhì)變化與調(diào)控進行更深入的研究，評估和監(jiān)控土壤中有機質(zhì)的指標體系和量化表征理論。在醫(yī)藥方面，氨基糖在疾病的治療中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

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Properties, Application and Market Prospect of Amino Sugar

Amino sugar is the only nitrogen-containing carbohydrate in soil. As a biomarker, amino sugar plays an important role in studying the source and transformation of carbon in soil and marine organic matter, as well as medical treatment. With the wider application prospect of amino sugar, people pay more and more attention to the research of amino sugar. This paper mainly reviews the properties, application and market prospect of amino sugar, in order to provide reference for the research of amino sugars in the future.

amino sugar; properties; application; market prospect

O622

A

1008-1151(2022)01-0044-04

2021-09-24

藍麗（1970－），女，中國科技開發(fā)院廣西分院工程師，從事科技項目評估、驗收工作。