海藻糖的研究进展及其应用前景

1、海藻糖的研究进展及其应用前景:一第6卷第3期华南热带农业大学学报2000年9月V.l6N.3JOURNALOFSOUTHCHINAUNIVERSITYOFTROPICALAGRICULTURESept2000海藻糖的研究进展及其应用前景&533(中国热带农业科学院热带作物生物技术国家重点实验室海口571101)摘要综述海藻糖的理化性质,来源,相关的酶及其对生物丹子的保护特性,作用机理和可能的应用前景.关量词堕,跫±苎垦.佳旦垫望.射崮t.f研帕1羔l海藻糖的理化性质囊来源海藻糖(Trehalose)是一种稳定的非还原性双糖,它由两个吡喃环葡萄糖分子与1,1糖苷键连结而

2、成.在理论上它存在三种不同的正位异构体(Ancners),即a,.一海藻糖(又叫蘑菇糖,Mycose),n,D一海藻糖(新海藻糖,Neotrehalose),口,p一海藻糖(异海藻糖,Isotrehalose).海藻糖可以几种固体形式存在,最常见的是二水化合物,熔点达97,将其加热至130,其失去结晶水,成为无水结晶体时,熔点可达214216.其水溶液性质稳定,无色无嗅,口感略带甜味,它不会焦糖化.海藻糖的理化性质十分稳定,不能使斐林试剂还原,也不能被a一糖苷酶水解,但在强酸条件下能被水解为两个葡萄糖分子.海藻糖的某些理化性质如下”:,不含结晶水的为2l4216.溶解热:台结晶水的为57.81

3、【j/mol,不含结晶水的为53.4kJ/tool.甜度:相当于蔗糖的45%.溶解度:10时为55.3,50时为140.1,90时为602.9.稳定性:a.pH稳定性:在pH3.5,100,24h条件下,99%残存.b.热稳定性:(水中)120,90min,褐变C热稳定性:(含蛋白质溶液)沸水,90min,褐变.d.水溶液保存期:在37条件下仍能生存.在这种情况下,海藻糖是生物台成的低温保护剂,其保护作用是通过降低冰的熔点实现的.3.3干燥胁迫fdesiccationstress)细胞脱水干燥也涉及几个胁迫因子.如室温下干燥细胞要受到渗透压胁迫因子的影响;高温下干燥,涉及热和渗透压等因子,酵母

4、胞内海藻糖积累与其耐干燥能力具有一致的关系.而一些孢子即使”完全脱水”其活力仍不丧失.许多低等生物,其对抗胁迫环境也是靠海藻糖.细胞内海藻糖的含量与细胞对逆境的耐受程度平行增减,它在细胞中是一种典型的应激代谢物,一种优良的渗透调节剂,它使得生物体具有抗旱,抗寒,抗冻等生物特性.4海藻糖对生物分子的保护作用及可能的作用机制海藻糖对生物分子有特殊的保护作用,它能使许多生物在异常条件下,如高温,脱水和冷冻时仍保持原活性,所以海藻糖对脱水干燥的生命物质有明显的保护作用.4.1海藻糖对生物膜的保护作用膜表面结合水的存在对膜的稳定及保持完整有着重要作用.正常的情况下膜表面都存在大量的结台水,例如PC脂质体

5、,通常每一磷脂头部都结合1O15个水分子.结台水的存在使膜表面能降低,且使膜与膜问的紧密接触膜融台的第一步不能实现.但一旦失去结合水,膜结构将发生一系列变化,出现诸如磷脂相变温度升高】.磷脂侧向相分离,膜脂缺陷及形成非双层相等等,从而使膜通透性增高乃至产生膜融合.海藻糖或其它糖类(甘露糖.葡萄糖等)由于拥有许多羟基,则能够替代水和磷脂头部发生氢键结合,从而取代失去的结合水.维持着膜表面”水化”状态.如CrOWe等从兔肌肉分离得到的肌浆网,在不存在海藻糖条件下进行干燥时.其形态发生改变,再水化时,其转运钙的功能明显丧失,然而,当存在一定浓度的海藻糖时(相当于无水生活体内的浓度),在干燥过程中.形

6、态几乎不受损害,再水化时,转运钙的能力可恢复到原有水平.用其它生物膜作实验也得到类似的结果.曾科等研究发现海藻糖对聚乙二醇诱导的脂质体融合具有抑制作用.童济等发现存在海藻糖时,包载抗肿瘤药物的阿糖胞苷和阿霉素的脂质体,在经干燥,再水化后,其原璃的内含物80%以上被保留下来,比无海藻糖存在时增加4倍以上.海藻糖能稳定脂质体的结构,在干燥状态下亦保持其结构的完整性,这便于脂质体的贮存,包装和运输,有利于脂质体在制药工业上的应用.人的皮肤细胞也是典型的生物膜,海藻糖通过降低相变温度,使在脱水条件下的膜脂仍处在液晶状态,从而起到保护皮肤的作用:实验表明,海藻糖对生物膜的保护是通过防融合,泄漏等途径实现

7、的.4.2海藻糖对蛋白质的保护作用蛋白质尤其酶在干燥过程中很容易失活,例如磷酸果糖激酶(ph.sph.fruct.sekllase,PFK)是四聚体,在干燥过程中能解离成无活性的二聚体.如果在干燥前加入一定量的海藻糖,即使极度干燥,PFK完全稳26华南热带农业大学学报第6卷定而且仍保持原活性.Camilo等研究了海藻糖对DNA工具酶的稳定作用.DNA工具酶包括DNA限制性内切酶,DNA连接酶,DNA聚合酶等.通常这些DNA工具酶均需在一20下贮存和运输.Camilo等把EcoRI,BglII,PstI和HindlII,T4DNA连接酶等在含海藻糖的缓冲液中于37空气干燥后在室温贮存几年生物活性

8、仍不发生明显变化.将其再水化后能完全恢复其生物活性”.4.3海澡糖对其它生物分子的保护生物制品如血制品,疫苗,单克隆抗体等多是易失活的,必须低温保存.据统计.由于缺乏必要的冷冻设备,第三世界约有9O%的疫苗失活而白白损失,即使像英国这样的发达国家.其损失率也在40%左右.如果用海藻糖干燥生物制品.不仅可保护其活性,还可在常温下短期存放.有许多成功的例子,如英国剑桥大学的Quadrant公司正与世界卫生组织合作,利用海藻糖干燥小儿麻痹症疫苗以解决产地与第三世界一些国家的长途运输的冷冻问题,仅此一项就可节省数百万美元.据报道,食品在脱水前加一定量的海藻糖,就可大大延长其在货架上的保存期,尤其当这种

9、食品再水化时,又可恢复原有的色泽,风味和质地.如用海藻糖干燥制成的奶粉,重新水化后.又可出现鲜奶一样的特性.4.4海藻糖具有稳定生物膜.蛋白质的结构殛抗干燥作用可能的作用机制关于海藻糖对生物分子的保护作用,人们对其机理进行了深入研究目前,有两种学说,一种称”水替代”学说,这种学说认为,生物大分子中蛋白质,糖和脂等均被一层水膜包围着,这层薄的水膜是维护其结构与功能必不可少的,干燥时水膜失去,将导致这些大分子物质发生不可逆变化,如果在干燥过程中加人一定量的海藻糖.则海藻糖可在生物分子失水部位与这些分子形成H键,取代失水部位使其在缺水条件下仍能保持原结构,而不丧失活性”.另一种称”玻璃态学说.这种学

10、说认为,当干燥时海藻糖紧密地包住相邻近的生物分子.形成一种”玻璃态化台物”.这是一种非晶体结构,不是结晶体,它起到”冻结”生物分子的作尾,这种结构非常稳定,因而生物大分子在其中的分子运动和分子变性反应都非常微弱,故而起保护作用.5海藻糖的应用前景海藻糖具有稳定生物膜(细胞膜)和蛋白质结构及抗干燥的作用,为其应用展示了广阔的前景.5,1海藻糖在生物制品保护中的应用海藻糖是生物分子的特效保护剂,它将为医用生物制品,如血液制品(血浆,血液球蛋白,转移因子等),菌苗,疫苗,抗体,载药脂质体,抗血清,外科手术所需贮存的皮肤,器官等的干燥保存,运输和使用带来极大的方便.目前,上述医用制品多采用真空冷冻干燥

11、法制备和在低温下保存,这给广大农村地区的医疗事业带来许多不便,如能利用海藻糖干燥医用生物制品,并能在常温下保第3期张树珍:海藻糖的研究进展及其应用前景27存.将给医用生物制品的保存,运输与使用带来极大的方便,也将促进与改善我国的医疗事业.另外.海藻糖具有抑制骨胶原分解的作用,因而可用于改善骨质疏松症.海藻糖还可用来保存研究用生物制品,如基因工程的酶类及其它酶类,细胞膜,抗体,抗原,细胞器等,使生命科学的研究更方便,简单和有效.5.2海藻糖在食品加工中的应用海藻糖具有抗干燥的作用.又具有良好的加工特性,化学性质稳定,不仅不发生美拉德反应.还能阻止还原糖和蛋白质的游离氨基反应,抑制美拉德反应的发生

12、”,而且由于甜度低,对食品的风味影响很少,在食品加工中的应用潜力主要是改进食品干燥工艺.加工出更好的食品.在高于环境条件下加热干燥含蛋白质的食品,同时要保持其原有质量和风味,往往很难达到这一要求而在海藻糖存在时干燥食品,能保持其结构,色泽,风味和烹调特性.高能量的干燥食品也可利用海藻糖保持其稳定性,同时增加其热能值.另外含海藻糖的食品的复水速度大大加快.5.3海藻糖在精细化工中的应用利用生物工程技术生产表面活性剂是七十年代后生物工程领域中发展起来的一个新课题.从目前的研究情况看,糖脂是虽重要的一类生物表面活性剂.海藻糖脂具有良好的表面活性性能.可用于石油的三次开采,日化,纺织等工业.另外,海藻

13、糖基本上不被牙齿所带的微生物发酵,可用作保护性增香剂;其结晶形式可与粘接剂如羟乙基淀粉等一起用作糖衣材料.5.4海藻糖在作物育种中的应用海藻糖具有稳定生物膜结构和提高生物组织对低温,高温,盐碱,干旱等逆境条件下的抗性”.因此把海藻糖台酶基因导人作物并使其在作物体内表达,可望培育出能抗旱,抗寒,抗冻,耐盐的作物新品种,如转基因植物是水果或蔬菜还可使其在收获加工后显得新鲜.并延长其货架寿命,且能保持其原有的风味和质地.目前美国科学家已把来自酵母的海藻糖台酶基因导人烟草,并初步得到具抗旱性的转基因植株.荷兰植物生物技术公司把大肠杆菌的海藻糖合酶基因OtsBA导入甜菜,马铃薯中,在获得大量廉价的海藻糖

14、的同时增强了植物的拉旱性和抗寒性.参考文献1杉本利行.糖类新资源的开发现状和应用.食品工业,1994,34382Barrett,JAnhydrobioticnematodesAgriculturazoologyReviews41611763裒勤生隐生生物中的典型化合物海藻糖中国生化药物杂志,1999,20(1):48-504黄平奇妙的双糖海藻糖生命的化学.199515(4):265Vuofio0E.KalkkinenN,LondesboroughJCloningoftworelatedgenesencodingthe56一Kdaand123Kdasubunitsoftrr,haoscsynth

15、a.efromtheyeastSaccharomycesCeretisiaeEuro.peanJournal一.一Biochemistry.1993,216:8498616ttomstmmK0.EngineeringplantadaptationtowaterstressAetaUnivertatksAgrlcd-tureSueeiaeAgraia,1998.84:49华南热带农业大学学报第6卷7Leb.,ZAna1ofPFK3ageneinvolvedinpartculatepLs.)yeast,1994,10:1992048CarlosRomeroJoseM,BellesJoseL.Vay

16、a,eta1.Expressionoftheyeasl:treheloe一6一pl-phatesynthasegeneintransgenictobaccoplanm;pleiotropicphenotypesincludedroughttoleraD_Leptantat1997-201t:2932979KjelloreHolmstrom.EinarMantyla,BiotaWelin.eta1.Droughttoleranceintobacco.Nat-1.ir.1996,379(22):683684lOSaitoK.KsseT.TahhashiE.etaI-Purifies.tionand

17、characterizationofatrebaloaesynthazefromthehasidiomyeetegdfoLafnmdosa.AppEnvironBicrobiol,1998,64(11):434043451lsait0K,YamazakiH,OhnishiY.eta1.Pro.ductionoftrebalosesynthasefromahasidiomyceteGrifoafrondoseinEscher1.chiacoti.ApplMicrobiBioteehnol,1998,50(2):193198l2张树珍+郏学勤.海藻糖合酶基因的克隆及其序列的分析热带作物学报,199

18、9(增刊)13YhidaM.Nakaclur&N.HorikoshiK.ProductionofVtebatoebyaduedertzymesystemofimmobitizedmaltosephcephoryLseandtrebaLosephosphorylase,ErymeMierob,Technol,1998.22:717514Ma3an】KATO.YutakaMJuRA.MB靼KOKETT()KU.eta1.PurificationandcbaratteriazaticcxofNewTducingErtzvfmIsohttedfloratheHype

19、rthermophiticAr.ebaeSulfolobusmfatarieuaKM1.Bioscienee,BiotcehnologyandBiochemistry.19siologyofnematodes.InternationalJoumatforparasitology27:21522917HottigezT,BoUerT,WiemkenA.Theroteoftrebatcesynthesisfortheacquisitionofthemotoleranceinyeast.EurJBiochemt1994,219:18719018ThornaaH.Heatinducedaccumuht

20、ionandfutilecyclingoftrehaloseins&eexaromycecerevisineJourrlofBncterinl1987.169:55185520197.aettarlamenKE.PhysiologyofcoldtoleranceininsetsphysiolReview,1985,65:79980320LaereAV,FrancoisA,OverlmpK,etaI.Re一ationbetweengerrmninationtrebaloseandtheetatusofwater”inphycomycssblakeleeamussporesasme

21、asuredbyproteinNMRJou:dlofGenerMierobio1.1987,133:23924521BoniLT.Aggregationandfusionofunihmellarvesiclesbypolyethylenegtycol(PEG)BBA.1984,775:40922JacobsonKphasetransitionandphasesepara-tionsinphosphoipidmembranesinducedbychangesintemperattwe.PHandconcentrationofbivalentcation.Biochemistry.1975,14:

22、15223LucyLAThefusionofbiologicalmembranesNature,1970,227:81524CroweJH,CroweLM,CorpenterJF.etalInteractionofsttgarawithmembranes.BioehemBiophysAera,1988.947367-38425曾科,林克椿.海藻糖对聚乙二醇融合脂质体的防护.北京医科大学学报,1999.23(4):27127426童桥,聂松奇.林克椿.海藻糖对载药脂质体在干燥再木化过程中的保护作用生物化学杂志,1992.8(6):71171427Leslie.SBTrehloeetowemmem

23、brBnepha第期张树珍:海藻糖的研究进展及其应用前景29transitionsindryyeastcellsBiochimicaetBio一38physicaActa.1192:7l328MozhaevVVStruCttLre-stabiityreletionshipsinproteins:napproachestostabilizing.Ermme.Microh.Ttchno1.1984.6(2):5029李浩明,高兰海藻糖在生物制品干燥与保存中的应用研究.食品与发酵工业.1994(4):49523o罗明典傲生物生产海藻糖厦其应用前景.教生物学通报,1996,23(4):252-25431ocgG.proteinhydrationinapueonssoution.Scienee.1991,254:97432FranksF.Materialsscienceandtheproductionofshelfstablebofogieals.Biophsrm,1991,4:3833孙国凤.用摸237CroweJH,CorweLM,ChapmanDPreset.rationofetrUCl:Uraandfuneuonaactivityinly.oDhi【izedssrcoptasmieretieuhim.ArchBioehemBiophys,1983,2