天然产物活性组分的糖基化修饰研究进展

第20卷第1期2012年3月纤维素科学与技术JournalofCelluloseScienceandTechnologyVol.20No.1Mar.2012文章编号：1004-8405(2012)01-0062-10天然产物活性组分的糖基化修饰研究进展郑翠1，李琳1，庞浩2，王兆梅1*（1.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640；2.中国科学院广州化学研究所纤维素化学重点实验室，广东广州510650）摘要：天然产物广泛存在于自然界中，其数量种类繁多且结构复杂多样，具有许多生理与药理活性。糖基化修饰能增加天然产物结构和功能的多样性，已成为当今新药开发的研究热点。文章归纳了不同结构类型的天然产物糖基化修饰的国内外研究现状与特点，并从糖的连接位置、数量及种类等方面描述糖基化修饰对天然产物水溶性、药理活性和生物利用率等方面的影响，为天然产物糖基化的开发与应用提供参考。关键词：天然产物；糖基化；生物转化；活性组分中图分类号：O629文献标识码：A天然产物广泛存在于自然界中，其数量种类繁多且结构复杂多样，许多天然产物活性成分现在已经作为治疗各类疾病的药物，还有一些作为潜在的药物，具有抗炎抑菌、抗病毒、抗氧化、抗肿瘤、抗辐射和免疫调节等诸多活性，已成为国内外天然药物开发利用研究的热点。由于其中一部分水溶性或稳定性不好或毒副作用太强，影响了它们的应用，因此对这些化合物进行结构改造是非常必要的。目前国内外对天然产物进行分子修饰主要是以提高其在水相中的溶解性为目的，而对其水溶性改性所涉及的反应主要是糖基化。糖基化反应可以使许多外源化合物的理化性质与生物活性发生较大的变化，例如将不溶于水的化合物转变为水溶性化合物。近年来开展的采用植物细胞、微生物和游离酶对天然产物的糖苷化反应的生物转化研究已取得可喜的进展，本文对天然产物糖基化修饰的生物转化现状与特点作较全面的综述。1黄酮类化合物的糖基化修饰黄酮类化合物是多种药用植物的有效成分，以游离态或与糖结合为苷的形式广泛存在于自然界中，由于大多数黄酮苷元及部分黄酮苷类在水相中溶解度低，限制了其制剂的开发，同时复杂的结构也给利用化学合成方法进行结构修饰带来了巨大挑战。以来源于自然界的植物细胞、微生物和游离酶对黄酮类化合物进行糖基化修饰，可在糖基连接位置、糖基种类以收稿日期：2011-12-02基金项目：国家自然科学基金资助项目（31071505）；中国科学院纤维素化学重点实验室课题（LCLC-2010-06）。作者简介：郑翠（1988~），女，制糖工程专业硕士研究生。∗通讯作者：王兆梅，女，副教授，博士。[e-mail]第1期郑翠等：天然产物活性组分的糖基化修饰研究进展63及糖基数目等方面实现定向转化，因此目前对黄酮类化合物进行分子修饰主要是以糖基化反应来改善其水溶性[1]。黄酮类化合物主要是指基本母核为2-苯基色原酮类化合物，目前泛指两个具有酚羟基的芳香环（A环和B环）通过中央三碳链相互作用连接而成的一系列化合物，一般黄酮类化合物主要是以六元C环的氧化状况和B环所连接的位置不同为依据进行分类[2]，可以分为黄酮及黄酮醇类，如木犀草素、槲皮素；黄酮及异黄酮醇类，如葛根素、大豆素；二氢黄酮及二氢黄酮醇类，如水飞蓟素、橙皮苷；黄烷醇类如儿茶素；其他黄酮类，如银杏素等。黄酮类化合物因结构不同，表现出来的生物活性差异很大，研究表明：黄酮类化合物分子中心的α、β不饱和吡喃酮是其具有各种生物活性的关键，C7位羟基糖苷化和C2、C3位双键氢化则会引起黄酮类化合物的生物活性降低，而A、B、C三环的各种取代基则决定了其特定的药理活性[3]，从而决定了其不同的生物活性。1.1黄酮及黄酮醇类据报道木犀草素可被多种糖基转移酶及糖苷酶进行糖基化反应，糖基化位置分别是木犀草素3’、4’和7位羟基。Kim等[4]以来源于野生黄单胞菌的糖基转移酶对木犀草素进行糖基化反应，糖基化位置在木犀草素3’位羟基，得到木樨草素-3’-β-D-吡喃葡萄糖苷。Ko等[5]以来源于蜡状芽孢杆菌的糖基转移酶对木犀草素进行糖基化反应，糖基化位置在木犀草素4’位及7位羟基，分别得到木樨草素-4’-O-葡萄糖苷和木樨草素-7-O-葡萄糖苷。同时该糖基转移酶可对芹菜素的4’位及7位羟基进行糖基转移，分别得到芹菜素-4’-O-葡萄糖苷和芹菜素-7-O-葡萄糖苷。Huang等[6]以来源于原玻璃蝇节杆菌的内-β-N-乙酰氨基葡糖苷酶对木犀草素-3’,7-二-O-葡糖苷进行糖基化反应，糖基化位置在木犀草素-3’,7-二-O-葡糖苷上的两个葡萄糖基的4位羟基。已报道槲皮素可被多种糖基转移酶及微生物细胞进行糖基化反应，糖基化位置分别是槲皮素3、7、3’和4’位羟基。Ko等[5]以来源于蜡状芽孢杆菌的糖基转移酶对槲皮素进行糖基化反应，糖基化位置在槲皮素3位及7位羟基，分别得到槲皮素-3-O-葡萄糖苷和槲皮素-7-O-葡萄糖苷。Lim等[7]以来源于拟南芥的7种尿苷二磷酸葡萄糖糖基转移酶对槲皮素进行糖基化反应，糖基化位置分别在槲皮素的3、7、3’和4’位羟基，得到6种不同的糖基化产物，各种槲皮素糖苷的转化率在0.8%～41%之间，槲皮素糖苷的产率为0.19～10.9μg/mL。Hye等[8]以蔗糖合成酶与糖基转移酶的融合蛋白对槲皮素进行糖基化反应，得到槲皮素-7,3’-二-O-葡萄糖苷。Rao等[9]以蜡状芽孢杆菌对槲皮素进行糖基化反应，得到槲皮素-3-O-葡萄糖苷，转化率为20%。Ibrahim等[10]以雅致小克银汉霉对5,3’-二羟基-6,7,2’,4’,5’-五甲氧基黄酮及5,3’-二羟基-7,2’,4’,5’-四甲氧基黄酮进行糖基化反应，糖基化位置在3’位羟基，分别获得其糖基化产物，转化率为22.2%和19.4%。Ko等[5]以来源于蜡状芽孢杆菌的糖基转移酶对山柰黄素进行糖基化反应，糖基化位置在山柰黄素3位及7位羟基，分别得到山柰黄素-7-O-葡萄糖苷和山柰黄素-3-O-葡萄糖苷。1.2异黄酮及异黄酮醇类已报道大豆苷可被3种酶进行糖基化修饰，糖基化位置是大豆苷的4”位羟基。Li等[11]64纤维素科学与技术第20卷以来源于海栖热袍菌的麦芽糖基转移酶对大豆苷进行生物转化，得到4种大豆苷糖苷，其中主要产物大豆苷元7-O-三葡萄糖苷的溶解度是大豆苷的75000倍。Shimoda等[12]以环糊精葡萄糖转位酶对大豆苷进行生物转化，得到3种大豆苷糖苷。Huang等[6]以来源于原玻璃蝇节杆菌的内-β-N-乙酰氨基葡糖苷酶对大豆苷进行生物转化，得到其糖基化产物转化率为82%。Shimoda等[12]在桉属植物细胞悬浮液中对大豆苷元进行生物转化，在大豆苷元7位羟基进行糖基化修饰，首先得到大豆苷元7-O-β-吡喃葡萄糖苷，再以其为糖基受体，在其葡萄糖基的6位羟基进行糖基化修饰得到大豆苷元7-O-[6-O-(β-吡喃葡萄糖基)]-β-吡喃葡萄糖苷。已报道葛根素可被3种酶进行糖基化修饰，糖基化位置分别是葛根素的6”位、4”位和7位羟基。Li等[13]以来源于嗜热脂肪芽孢杆菌的麦芽淀粉酶对葛根素进行生物转化，糖基位置是葛根素6”位羟基，得到两种葛根素糖苷，与葛根素相比，葡萄糖基-α-(1,6)-葛根素和麦芽糖基-α-(1,6)-葛根素的水溶性分别增加了14倍和168倍。Huang等[6]以来源于原玻璃蝇节杆菌的内-β-N-乙酰氨基葡糖苷酶对葛根素进行糖基化反应，糖基化位置在葛根素4”位羟基，得到其糖基化产物转化率为60%。Jiang等[14]以氧化微杆菌静息细胞生物转化葛根素，糖基化位置是葛根素7位羟基，得到两种葛根素糖苷，与葛根素相比，两葛根素糖苷的水溶性分别增加了18倍和100倍。Huang等[6]以来源于原玻璃蝇节杆菌的内-β-N-乙酰氨基葡糖苷酶对黄豆黄苷进行糖基化反应，糖基化位置在黄豆黄苷4”位羟基，得到其糖基化产物转化率为56%。Li等[15]以来源于水管致黑栖热菌的4-α-葡萄糖转位酶或来源于嗜碱性的芽孢杆菌（Bacillussp.I-5）的环糊精葡萄糖转位酶对染料木苷进行生物转化，糖基化位置在染料木苷4”位羟基，得到两种染料木苷糖苷。与染料木苷相比，染料木苷-7-O-单葡萄糖苷水溶性提高了3700倍，染料木苷-7-O-二葡萄糖苷水溶性提高了44000倍。Ko等[5]以来源于蜡状芽孢杆菌的糖基转移酶对染料木素进行糖基化反应，糖基化位置在染料木素7位羟基。染料木素的7位或4”位羟基经糖基修饰后具有防止紫外线损伤、抑制黑素瘤细胞的生长、提高生物利用率、降低谷丙转氨酶及提高抗癌活性等作用。1.3二氢黄酮及二氢黄酮醇类水飞蓟素具有保肝的作用，尚未报道植物中存在其糖苷。Kren等[16]以罂粟属的悬浮培养细胞对水飞蓟素A进行糖基化反应，可得到水飞蓟素A-7-O-β-D-吡喃葡萄糖苷，其生物利用率大大提高，有望开发为新的保肝药。Kim等[17]以康宁木霉对水飞蓟素A和水飞蓟素B进行糖基化反应，糖基化位置在水飞蓟素3位和7位羟基。橙皮素有多种药理作用，但其口服后由于低水溶性和低吸收率使它的药理活性开发受到限制。已报道橙皮素可被多种植物细胞糖苷化，如Shimoda等[18]以甘薯植物细胞作为酶的来源，在橙皮素的3’位、7位和5位羟基实现了糖基化修饰，将橙皮素转化为3种橙皮素糖苷。而在桉属植物细胞悬浮液中可将橙皮素转化为6种橙皮素糖苷，其中3种糖苷与在甘薯植物细胞中的相同，另外还得到：橙皮素-3’,-O-β-D-二吡喃葡萄糖苷、橙皮素-7-O-[6-O-(β-D-吡喃葡萄糖基)]-β-D-吡喃葡萄糖苷、橙皮素-7-O-[6-O-(α-L-吡喃鼠李糖基)]-β-D-吡喃葡萄糖苷，总转化率为90%。Ko等[5]以来源于蜡状芽孢杆菌的糖基转移酶对柚皮素进行糖基化反应，糖基化位置在柚皮素4’位及7位羟基，分别得到柚皮素-4’-O-葡萄糖苷和柚皮素-7-O-葡萄苷。Takashi等[19]以来源于嗜碱芽孢杆菌的环糊精葡聚糖转移酶对橙皮苷进行糖基化反应，得到4G-α-D-吡喃葡萄糖基第1期郑翠等：天然产物活性组分的糖基化修饰研究进展65橙皮苷。1.4黄烷醇类儿茶素是茶叶的重要成分，具有防治心血管疾病、预防癌症等多种功能。(+)-儿茶素可被多种酶及微生物进行糖基化修饰，糖基化位置分别是儿茶素的3’位、4’位、5位和7位羟基。Funayama等[20]以环糊精葡萄糖转位酶对儿茶素进行生物转化，得到(+)-儿茶素3’-O-α-D-葡萄糖苷。Kitao等[21]以来源于肠膜明串珠菌的蔗糖磷酸化酶对儿茶素进行生物转化，得到(+)-儿茶素3’-O-α-D-葡萄糖苷。Meulenbeld等[22]以来源于变形链球菌的葡萄糖基转移酶对儿茶素进行生物转化，糖基化位置分别是儿茶素的7位和4’位羟基，得到3种儿茶素糖苷。Noguchi等[23]以重组葡萄糖基转移酶对儿茶素进行生物转化，糖基位置是儿茶素的4’位羟基，得到(+)-儿茶素4’-O-β-D-吡喃葡萄糖苷。Sato等[24]以野油菜黄单胞菌对儿茶素进行生物转化，得到(+)-儿茶素3’-O-α-D-葡萄糖苷，与(+)-儿茶素相比，(+)-儿茶素3’-O-α-D-葡萄糖苷在纯水中的溶解度提高了约100倍。1.5糖基化修饰对黄酮类化合物生物活性的影响抗氧化作用是黄酮类化合物一直备受关注的一种广泛的药理活性。黄酮类化合物具有不同的抗氧化活性以及它们对自由基清除作用的强弱主要与其结构有关，如酚羟基的取代位置及数目，羟基成苷等。糖苷的形成必然涉及酚羟基的取代及羟基成苷，进而产生对抗氧化活性的影响。就目前已报道的资料中，发现天然黄酮类化合物糖苷化后，酚羟基取代位置及羟基成苷对其抗氧化活性并没有产生不利影响。Chung等[25]以水溶性葛根素糖苷化产物在HepG2细胞与C57BL/6J小鼠中的药理实验表明：水溶性葛根素糖苷化产物保持了与葛根素相同的抗氧化活性及降低低密度脂蛋白氧化作用的药效。Jiang等[14]以7-O-葡萄糖苷葛根素（葛根素7位氧糖苷）进行的体外药物代谢动力学实验表明：7-O-葡萄糖苷葛根素与葛根素相比表现出更好的药物代谢动力