王 晶 張全斌

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褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)與生物活性研究*

王 晶1, 2張全斌1, 2①

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生物學(xué)與生物技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室, 青島 266071)

褐藻多糖硫酸酯(fucoidan, FPS)是所有褐藻中所固有的細(xì)胞間多糖, 存在于細(xì)胞壁基質(zhì)中。生長(zhǎng)于潮間帶、長(zhǎng)時(shí)間與空氣接觸的褐藻種類(lèi)中, 如多年生的墨角藻()類(lèi), 其褐藻多糖硫酸酯的含量可高達(dá)20%; 生長(zhǎng)在較深處的海帶()類(lèi)中含量較低, 約為1%~2%。褐藻多糖硫酸酯是一類(lèi)獨(dú)特的結(jié)合有硫酸基的水溶性雜聚糖, 其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜, 以巖藻糖和硫酸基為主, 隨著褐藻的種類(lèi)不同還含有半乳糖、木糖、糖醛酸等其他成分。褐藻多糖硫酸酯具有多種生物活性, 目前針對(duì)墨角藻、泡葉藻()、鼠尾藻()等褐藻中的褐藻多糖硫酸酯研究較多, 發(fā)現(xiàn)其具有免疫調(diào)節(jié)、抗病毒、抗腫瘤、抗凝血、抗氧化等生物活性。本文主要就褐藻多糖硫酸酯的提取、純化、結(jié)構(gòu)及生物活性等方面研究進(jìn)行綜述。

褐藻多糖硫酸酯; 結(jié)構(gòu); 生物活性

褐藻多糖硫酸酯(fucoidan, FPS)是一種含有硫酸基的水溶性雜多糖, 主要存在于褐藻和棘皮動(dòng)物中, 是一種細(xì)胞間多糖, 存在于細(xì)胞壁基質(zhì)中。褐藻多糖硫酸酯的含量隨著藻的種類(lèi)和生長(zhǎng)環(huán)境不同而不同, 一般占褐藻的1%~20%(紀(jì)明侯, 1997)。不同褐藻來(lái)源的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)不同, 不過(guò)其主要的化學(xué)成分類(lèi)似, 是由巖藻糖和硫酸基組成, 隨著褐藻的種類(lèi)不同還含有半乳糖、木糖、糖醛酸等其他成分(Bilan and Usov, 2008)。近年來(lái)研究表明褐藻多糖硫酸酯具有多種生物活性, 常見(jiàn)的有抗氧化、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)、抗凝血等(Senthilkumar et al., 2013)。由于褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān), 因此目前對(duì)褐藻多糖硫酸酯的研究主要集中在兩個(gè)方面: 其一是闡明褐藻多糖硫酸酯的精細(xì)結(jié)構(gòu), 對(duì)其構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究; 其二是研究褐藻多糖硫酸酯的生物學(xué)功能及其機(jī)制, 為其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 褐藻多糖硫酸酯的提取、純化與分離

1.1 褐藻多糖硫酸酯的提取

褐藻多糖硫酸酯可以用水、稀酸或氯化鈣溶液提取, 向提取液中加入氫氧化鉛、氫氧化鋁、乙醇或季胺鹽類(lèi)陽(yáng)離子表面活性劑, 可使褐藻多糖硫酸酯沉淀出來(lái); 為了減少色素、蛋白質(zhì)等的溶出, 提取之前可以先以高濃度醇類(lèi)或甲醛溶液處理藻體(紀(jì)明侯, 1997)。近年來(lái)也陸續(xù)有學(xué)者采用微波、超聲波以及高分子絮凝沉淀等方法提取褐藻多糖硫酸酯(譚潔怡等, 2006; 劉群和徐中平, 2007)。研究表明, 不同的褐藻多糖硫酸酯提取方法, 不僅影響其產(chǎn)率, 而且對(duì)其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)也有一定影響, 使闡明同一種屬褐藻來(lái)源的褐藻多糖硫酸酯結(jié)構(gòu)更加困難。因此, 我們需要建立一種更加溫和的提取方法, 在較低的溫度、酸度和反應(yīng)時(shí)間下, 提取褐藻多糖硫酸酯, 確保褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)特異性。不同的提取方法制備褐藻多糖硫酸酯的條件及其化學(xué)組成如表1所示。

表1 褐藻多糖硫酸酯的提取條件及化學(xué)組成

注: FPS為褐藻多糖硫酸酯(degration fucoidan)。

1.2 褐藻多糖硫酸酯的純化

制備的粗褐藻多糖硫酸酯通常含有部分水溶性褐藻膠、蛋白質(zhì)、褐藻淀粉、色素等, 需要進(jìn)一步純化, 常用的純化方法有乙醇重沉淀法和季銨鹽類(lèi)沉淀法。

乙醇重沉淀法應(yīng)用得比較多, 用乙醇重沉淀法對(duì)從鼠尾藻中提取的硫酸多糖進(jìn)行純化的步驟如下: 將鼠尾藻硫酸多糖粗產(chǎn)品加水溶解, 再加入乙醇(至含量為30%), 離心取上清液, 然后再加入乙醇(至含量70%)后, 攪拌靜置, 離心取沉淀, 用無(wú)水乙醚清洗, 經(jīng)冷凍干燥即得褐藻多糖硫酸(史永富等, 2009)。季銨鹽類(lèi)沉淀法是利用陽(yáng)離子表面活性劑如十六烷基氯化吡啶(Cetylpyridiniumchloridemonohydrate, CPC)或十六烷基三甲基溴化銨(Cetylpyridiniumchlo-ridemonohydrate, CTAB)能與高分子電解質(zhì)產(chǎn)生沉淀的性質(zhì)使褐藻多糖硫酸酯沉淀下來(lái)。Anno等(1966)將粗褐藻多糖硫酸酯溶于0.5mol/L KCl或CaCl2溶液中, 加入CPC, 比例為1mg褐藻多糖硫酸酯加2mg CPC。靜置生成沉淀, 離心分離, 溶于2mol/L KCl或CaCl2中, 加入2倍乙醇產(chǎn)生沉淀, 經(jīng)乙醇、乙醚洗滌, 干燥, 即得純褐藻多糖硫酸酯。Paskins-Hurlburt等(1976)用CTAB純化粗褐藻多糖硫酸酯, 在粗褐藻多糖硫酸酯溶液中依次加入CTAB、4mol/L NaCl和乙醇, 將得到的沉淀再溶于水, 經(jīng)透析、離心、凍干, 即得純的褐藻多糖硫酸酯。王作蕓和趙學(xué)武(1985)采用兩種方法對(duì)從銅藻()中提取的褐藻多糖硫酸酯進(jìn)行純化, 將制得的粗褐藻多糖硫酸酯20g溶于200mL水中, 攪拌加入80mL 4mol/L的CaCl2, 離心(4000r/min), 棄去沉淀。其上清液分為二份, 一份加乙醇至30%(v/v), 離心棄去沉淀, 在上清液中繼續(xù)攪拌加入乙醇至60%(v/v), 離心(4000r/min), 收集沉淀, 用95%乙醇和無(wú)水乙醇分別洗滌二次后, 烘干得褐藻多糖硫酸酯3.81g。粗褐藻多糖硫酸酯的含巖藻糖為18.5%, 提純后含巖藻糖為44.7%, 按巖藻糖計(jì)算, 回收率為92.1%。另一份上清液加50mL5% CPC, 形成白色沉淀物, 離心后棄去上清液, 用25mL 0.5mol/L的CaCl2洗滌沉淀, 然后加150mL 3mol/L的CaCl2, 離心(3000r/min), 將上部白色膠狀物取走, 小心傾倒出中部溶液, 在中部溶液中加入300mL 90%乙醇, 離心棄去上清液, 用CaCl2重新溶解, 再加乙醇60%(v/v)處理兩次, 最后沉淀物用95%乙醇和無(wú)水乙醇洗滌, 干燥得褐藻多糖硫酸酯1.56g, 含巖褐糖47.2%, 按巖藻糖計(jì)算其回收率為39.8%?？梢?jiàn), 這兩種方法對(duì)褐藻多糖硫酸酯純化效果都非常好, 只是CPC沉淀法的回收率只有乙醇沉淀法的一半。

此外, 在提取和純化過(guò)程中, 可采取酶消化法除去混雜在提取液中的褐藻淀粉和蛋白質(zhì)。Fleury和Lahaye等(1993)在研究法國(guó)褐藻膠工業(yè)的副產(chǎn)品時(shí)就采用葡聚糖酶和堿性蛋白酶來(lái)清除其中的褐藻淀粉和蛋白質(zhì)。

1.3 褐藻多糖硫酸酯的分級(jí)

由于褐藻多糖硫酸酯化學(xué)組分相當(dāng)復(fù)雜, 對(duì)制備出的粗褐藻多糖硫酸酯的色譜和電泳檢查一般都呈現(xiàn)不均一性, 因此人們逐步使用分級(jí)方法將混雜的多糖分成不同級(jí)分以進(jìn)行深入研究。常用的分級(jí)方法有兩種: 一種是乙醇分級(jí)沉淀法, 即利用不同的乙醇濃度沉淀出不同的級(jí)分; 另一種是色譜法, 利用凝膠過(guò)濾色譜和離子交換色譜進(jìn)行分級(jí)。凝膠過(guò)濾色譜法將多糖按照分子量大小進(jìn)行分級(jí), 離子交換色譜法則能將多糖分成荷電性不同的級(jí)分。

Larsen等(1966)從泡葉藻的堿提取液中加鈣鹽除去褐藻膠之后, 用乙醇分級(jí)沉淀, 分離出至少三種褐藻多糖硫酸酯, 分別皆含有不同量的褐藻糖、木糖、葡萄糖醛酸、硫酸基和蛋白質(zhì), 其中主要部分(占干藻重的6%)為泡葉藻糖膠(ascophyllan), 大約含褐藻糖25%、木糖26%、糖醛酸鈉19%、硫酸基13%和蛋白質(zhì)12%。

史永富等(2009)將鼠尾藻中褐藻多糖硫酸酯經(jīng)DEAE-52陰離子纖維素交換層析分級(jí)得到F1、F2、F3、F4、F5五個(gè)組分, 硫酸根占比分別為0、3.94%、6.57%、12.60%、38.08%。將含有硫酸根的組分F2、F3、F4、F5分別經(jīng)SephadexG-200凝膠柱層析分級(jí)純化后得到f1、f2、f3、f4、f5、f6六個(gè)級(jí)分, 其中f2、f4為大分子質(zhì)量凝聚體, f1、f3、f5、f6相對(duì)分子質(zhì)量分別為4.05×104、7.13×104、1.325×105和7.99×104。Dillon等(1953)將多囊墨角藻()中提取的褐藻多糖硫酸酯用DEAE-纖維素柱進(jìn)行分級(jí), 分離出少量木聚糖, 同時(shí)還得到含有褐藻糖和少量半乳糖的組分。Li等(2006)先用DEAE-Sepharose CL-6B對(duì)從羊棲菜()中提取的褐藻多糖硫酸酯進(jìn)行分級(jí), 用不同濃度的NaCl進(jìn)行梯度洗脫, 得到3個(gè)組分, 其中得率最高的組分F3又用Sepharose CL-6B進(jìn)行二次分級(jí)得到三個(gè)組分, 這些組分的主要成分都是褐藻糖、甘露糖和半乳糖, 以及硫酸根、糖醛酸和少量蛋白質(zhì)。瓊脂糖凝膠電泳顯示這些組分都只有一個(gè)條帶, 是單一組分。Wang等(2008)用DEAE-Sepharose FF對(duì)從海帶中提取的褐藻多糖硫酸酯進(jìn)行分級(jí), 用不同濃度的NaCl進(jìn)行梯度洗脫, 得到F1、F2和F3三個(gè)組分, 其中F1糖醛酸含量最多、硫酸基最少, F3硫酸基含量最多。從單糖組成來(lái)看, F1含有巖藻糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖等多種單糖; F2主要由巖藻糖和半乳糖組成, 巖藻糖含量是半乳糖的3倍; 而F3主要由巖藻糖和半乳糖組成, 半乳糖含量是巖藻糖的3倍。

對(duì)多糖的分級(jí)已經(jīng)是多糖研究中必不可少的手段, 分級(jí)的方法越來(lái)越多, 分離效果也越來(lái)越好, 為結(jié)構(gòu)和構(gòu)效關(guān)系的研究奠定了基礎(chǔ)。

2 褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)

2.1 褐藻多糖硫酸酯的化學(xué)組分

1913年, Kylin首次從褐藻掌狀海帶()中用稀酸提取出一種多糖, 經(jīng)水解后以苯腙分離出甲基戊糖, 確定為L(zhǎng)-fucoidan(褐藻糖或巖藻糖)。隨著人們對(duì)這類(lèi)化合物的深入研究, 了解了其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 得知褐藻多糖硫酸酯并非為單一結(jié)構(gòu)的化合物, 而是具有不同化學(xué)組分的一族化合物。Bird和Haas(1931)也對(duì)該藻的水提取、酒精沉淀物進(jìn)行了研究, 產(chǎn)物的灰分為26%~30%, 灰分中硫酸根為17%~19%, 水解后, 總SO4為35.5%~37.7%, 甲基戊糖為33%~37%; 他們提出褐藻多糖硫酸酯的分子式為(RR′O×SO2×OM)n, 其中R為褐藻糖(C6H10O4), R′為未知物, M可能是Na、K、Ca0.5或Mg0.5等金屬離子。Schweiger(1962)從巨藻的分泌物中經(jīng)分離、提純得到一種多糖, 稱之為半乳糖-褐藻糖膠(galactofucan)。褐藻糖和半乳糖之比, 經(jīng)數(shù)次提純后一直恒定在18︰1, 其中還含有木糖, 變化范圍為0.5%~2.5%。于是, 他首次提出, 褐藻多糖硫酸酯并非純的硫酸褐藻多糖(fucan sulfate), 而是由褐藻糖、半乳糖和微量木糖組成的雜聚物, 即木糖-半乳糖-褐藻糖膠(xylogalactofucan)。Marais和Joseleau(2001)從泡葉藻中提取出的褐藻多糖硫酸酯的組成為褐藻糖66%、木糖3%、硫酸根31%(摩爾百分?jǐn)?shù))。Bilan等(2007)從太平洋采集了褐藻, 用2% CaCl2水溶液在85°C提取5h, 提取液除去褐藻膠, 用乙醇沉淀得粗褐藻多糖硫酸酯, 其組成為褐藻糖39.0%、硫酸根18.4%、半乳糖7.0%、木糖3.4%、葡萄糖2.1%、甘露糖1.6%。Li等(2006)用水提醇沉的方法提取了羊棲菜中的褐藻多糖硫酸酯, 該多糖主要由褐藻糖、硫酸根和糖醛酸組成, 中性單糖主要為褐藻糖、甘露糖和半乳糖, 還有少量的木糖、葡萄糖、鼠李糖和阿拉伯糖。Zhang等(2009)用高效液相色譜(high performance liquid chromatography, HPLC)的方法測(cè)定了從海帶中提取出的褐藻多糖硫酸酯單糖的組成, 褐藻多糖硫酸酯經(jīng)2mol/L的三氟乙酸水解后, 采用1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(1-phenyl-3-methyl-5-pyrazolone, PMP)柱前衍生化的方法, 在245nm處測(cè)定, 其單糖組成為褐藻糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、木糖和葡萄糖。

大量文獻(xiàn)表明, 褐藻多糖硫酸酯的組成復(fù)雜, 并非由均一的褐藻糖和硫酸根組成, 由不同褐藻得到的褐藻多糖硫酸酯的化學(xué)組成有很大差異, 除含有褐藻糖和硫酸基外, 還含有半乳糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖、鼠李糖、葡萄糖等多種單糖。常見(jiàn)褐藻中中性單糖的含量如表2所示。

表2 幾種褐藻多糖硫酸酯中性單糖的含量

注: Fuc. 褐藻糖; Gal. 半乳糖; Man. 甘露糖; Rha. 鼠李糖; Xyl. 木糖; Ara. 阿拉伯糖; Glc. 葡萄糖; “---”表示“無(wú)”。

2.2 褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)

由于褐藻多糖硫酸酯化學(xué)組分復(fù)雜、分子量較高, 其結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展十分緩慢。褐藻多糖硫酸酯的主要來(lái)源為棘皮動(dòng)物()和褐藻, 其結(jié)構(gòu)隨著來(lái)源的不同有較大的差異。一般來(lái)說(shuō), 來(lái)源于棘皮動(dòng)物的褐藻多糖硫酸酯結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 多為線性分子, 硫酸根的連接方式也比較有規(guī)律; 而來(lái)源于褐藻中的褐藻多糖硫酸酯多有支鏈結(jié)構(gòu), 單糖的種類(lèi)和硫酸根的連接方式也比較復(fù)雜(Pereira et al., 1999)。

Pereira等(1999)運(yùn)用化學(xué)分析和波譜分析的方法, 對(duì)從棘皮動(dòng)物海參和海膽、中提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的研究。這些多糖都是以(1→3)連接的α-L-褐藻糖為基本骨架, 硫酸根主要取代在2位或(和)4位上, 每四個(gè)糖單元構(gòu)成一個(gè)重復(fù)單元(Pereira et al., 1999)。從海膽和卵層膠膜中提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)各有兩種, 前者的結(jié)構(gòu)與的相同, 由四個(gè)單糖構(gòu)成一個(gè)重復(fù)單元, 而后者由三個(gè)單糖構(gòu)成一個(gè)重復(fù)單元(Vilela-Silva et al., 2002)(圖1、圖2)。

近年來(lái), 科學(xué)家對(duì)從墨角藻中提取的褐藻多糖硫酸酯進(jìn)行了深入研究。Conchie 和Percival(1950)將從墨角藻制取的褐藻多糖硫酸酯(褐藻糖38%, SO432.8%)進(jìn)行甲基化和水解, 得到L-褐藻糖、3-O-甲基-L-褐藻糖和2,3-二-O-甲基-L-褐藻糖, 其摩爾比為1︰3︰1。由旋光性推測(cè)褐藻糖均為α構(gòu)型。有些褐藻多糖硫酸酯可能帶有兩個(gè)硫酸基, 而另一些(C1, 4連接)則未被硫酸基取代; 游離褐藻糖是來(lái)自C3上結(jié)合的末端分枝點(diǎn)單位。由此看來(lái), 褐藻多糖硫酸酯的主要組成單位是1,2-α-L-褐藻糖, C4上帶有硫酸基(圖3)。

1993年, Patankar等(1993)對(duì)Conchie等人的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了修正, 提出褐藻多糖硫酸酯的骨架結(jié)構(gòu)由(1→3)連接的α-L-褐藻糖組成, 硫酸根主要取代在C4位上, 同時(shí), 每2~3個(gè)褐藻糖殘基就有一個(gè)由褐藻糖組成的支鏈(圖4)。

Bilan等(2002)先后對(duì)不同墨角藻來(lái)源的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。從枯墨角藻()中提取的褐藻多糖硫酸酯中L-褐藻糖、硫酸根和乙?；哪柋葹?︰1.23︰0.36, 該多糖主鏈由(1→3)和(1→4)連接的α-L-褐藻糖組成, 硫酸根主要連接在C2位上, 少量連接在3-連接的褐藻糖的C4位上, 乙?；S機(jī)連接在褐藻糖剩余的羥基上(圖5)。

圖1 從不同海膽(Echinoidea)中提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)(Vilela-Silva et al., 2002)

注: a. 從.中提取的褐藻多糖硫酸酯成分I; b. 從.中提取的褐藻多糖硫酸酯成分II; c. 從.中提取的褐藻多糖硫酸酯; d. 從.中提取的褐藻多糖硫酸酯成分I; e. 從.中提取的褐藻多糖硫酸酯成分II; f. 從.中提取的褐藻多糖硫酸酯; g. 從.中提取的褐藻多糖硫酸酯; h. 從.中提取的褐藻多糖硫酸酯。

圖2 從海參(Holothuroidea)中提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)(Pereira et al., 1999)

圖3 從墨角藻(Fucales)提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)模型(Conchie and Percival, 1950)

圖4 從墨角藻(Fucales)提取的褐藻多糖硫酸酯的修訂后結(jié)構(gòu)模型(Patankar et al., 1993)

圖5 從枯墨角藻(Fucus evanescens)提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)模型(Bilan et al., 2002)

從兩列墨角藻()提取的褐藻多糖硫酸酯的一個(gè)組分中L-褐藻糖、硫酸根和乙?；哪柋葹?︰1.21︰0.08, 從一維和二維的核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)分析可知該多糖的主鏈由C2, 4位硫酸根取代的(1→3)連接的α-L-褐藻糖和C2位硫酸根取代的(1→4)連接的α-L-褐藻糖交替連接的二糖重復(fù)單元組成, 每隔一定的重復(fù)單元出現(xiàn)乙?；〈摩?L-褐藻糖(Bilan et al., 2004)(圖6)。該結(jié)構(gòu)與枯墨角藻模型十分相近。

圖6 從兩列墨角藻(Fucus distichus)提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)模型(Bilan et al., 2004)

從齒緣墨角藻()中提取的褐藻多糖硫酸酯的一個(gè)組分中L-褐藻糖、硫酸根和乙?；哪柋葹?︰1︰0.1, 此外還含有少量木糖和半乳糖。該多糖的結(jié)構(gòu)較枯墨角藻和兩列墨角藻更為復(fù)雜, 雖然主鏈也是由(1→3)和(1→4)交替連接的α-L-褐藻糖組成, 但它還含有由3個(gè)褐藻糖殘基組成的支鏈, 末端可能是4-硫酸根或2, 4-二硫酸根取代的褐藻糖(Bilan et al., 2006)(圖7)。

圖7 從齒緣墨角藻(Fucus serratus)提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)模型(Bilan et al., 2006)

注: 以a和b指代兩種不同的主鏈結(jié)構(gòu); (a) (about 50%): R1= SO3–, R2= H, (b) (about 50%): R1= H, R2= α-L-Fucp-(1→4)- α-L-Fucp(2SO3)-(1→3)-α-L-Fucp(2SO3)-(1→。

研究發(fā)現(xiàn), 不同褐藻來(lái)源的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)并不完全相同。對(duì)從粉團(tuán)扇藻()中提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)研究表明, 該多糖含有(1→4)連接的β-D-葡萄糖醛酸、(1→4)連接的β-D-葡萄糖、(1→4)連接的β-D-甘露糖、(1→4)連接的β-D-半乳糖及(1→2)連接的α-L-褐藻糖等多種殘基(Hussein et al., 1980)。Checolot等(2001)采用甲基化分析和NMR的方法對(duì)從泡葉藻中提取的褐藻多糖硫酸酯的酸水解產(chǎn)物——低分子量褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明該多糖的主鏈含有大量(1→4)連接的α-L-褐藻糖, 硫酸根主要連接在C2位, 少量連接在C3位, 極少連接在C4位, 同時(shí), 首次發(fā)現(xiàn)了C2, 3雙取代的褐藻糖(圖8)。與Patankar等(1993)報(bào)道的墨角藻的結(jié)構(gòu)有很大差別。

Periera等(1999)對(duì)從巴西海帶()中提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)與抗凝血活性進(jìn)行了研究。從NMR分析結(jié)果看, 巴西海帶褐藻多糖硫酸酯在巖藻糖異頭碳的位置出現(xiàn)5個(gè)峰, 表明其為雜聚多糖, 由于NMR譜的復(fù)雜性, 不能確定其結(jié)構(gòu)。但從NMR分析結(jié)果看, 巴西海帶褐藻多糖硫酸酯與墨角藻、泡葉藻褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)有很大差異, 前者中存在(1→2)連接的糖苷鍵, 而且4-O-硫酸化程度很高, 而后者主鏈已被確定為(1→3)連接。同時(shí)他們的研究顯示巴西海帶褐藻多糖硫酸酯的抗凝血活性明顯高于泡葉藻或墨角藻的褐藻多糖硫酸酯, 這表明海帶屬中褐藻多糖硫酸酯結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性與其生物活性密切相關(guān)。

圖8 從泡葉藻(Ascophyllum nodosum)提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)模型(Checolot et al., 2001)

Rocha等(2005)研究了從施氏褐舌藻()中提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu), 該多糖的分子量為215000Da, 褐藻糖、木糖、半乳糖及硫酸根的摩爾比為1.0︰0.5︰2.0︰2.0, 此外還含有少量的糖醛酸?；瘜W(xué)分析、甲基化分析和NMR分析的結(jié)果表明該多糖擁有一種特殊的結(jié)構(gòu), 主鏈由4-連接的β-D-半乳糖構(gòu)成, 硫酸根取代在C3位上, 約有25%的糖殘基含有支鏈, 支鏈由α-L-褐藻糖(C3被硫酸根取代)或者是二個(gè)非硫酸根取代的4-連接的β-D-木糖組成(圖9)。

圖9 從施氏褐舌藻(Spatoglossum schroederi)提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)模型(Rocha et al., 2005)

Chizhov等(1999)通過(guò)化學(xué)分析和波譜分析的方法對(duì)從繩藻()中提取的褐藻多糖硫酸酯分級(jí)組分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。該多糖的一個(gè)組分的單糖全部由褐藻糖組成, 其骨架結(jié)構(gòu)為(1→3)連接的α-L-褐藻糖組成, 含有很多支鏈, 支鏈由1-連接的褐藻糖組成, 硫酸根主要連接在C4位, 少量連接在C2位(圖10)。

從羊棲菜()中提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。Shiroma等(2008)對(duì)此進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)DEAE-Sepharose分級(jí)后, 組分F4含有較高的褐藻糖(31.9%)和硫酸根(38.0%), 單糖的種類(lèi)也大大減少, 只有褐藻糖和半乳糖。該多糖的主鏈主要由(1→3)連接的α-L-褐藻糖構(gòu)成, 每4個(gè)褐藻糖殘基含有一個(gè)支鏈, 支鏈由2個(gè)褐藻糖或半乳糖的殘基組成, 硫酸根的連接位置沒(méi)有確定(圖11)。

圖10 從繩藻(Chorda filum)提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)模型(Chizhov et al., 1999)

Li等(2006)用熱水提取的方法從羊棲菜()中提取出了褐藻多糖硫酸酯, 經(jīng)過(guò)DEAE-Sepharose-CL-6B和Sepharose- CL-6B柱層析分級(jí), 對(duì)得到的一個(gè)組分F32利用甲基化分析和NMR進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。F32含有的中性單糖種類(lèi)多, 主要為褐藻糖、甘露糖和半乳糖, 還含有少量的木糖、葡萄糖、鼠李糖和阿拉伯糖。F32含有多個(gè)支鏈結(jié)構(gòu), 具體如圖12所示?？梢?jiàn)不同羊棲菜褐藻多糖硫酸酯的組分在結(jié)構(gòu)上有很大差異。

圖11 羊棲菜(Hizikia fusiforme)提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)模型(Shiroma et al., 2008)

注: R為α-L-Fuc-(1→4)- α-L-Fuc-(1→(50%)或α-L-Gal-(1→4)- α-D-Gal-(1→(50%)。

圖12 從羊棲菜(Hizikia fusiforme)提取的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)模型(Li et al., 2006)

本文作者利用弱的陰離子交換樹(shù)脂對(duì)低分子量褐藻多糖硫酸酯DFPS進(jìn)行分級(jí)純化, 得到分級(jí)組分DF1、DF2、DF3(Wang et al., 2010)。結(jié)合化學(xué)分析和波譜分析的方法對(duì)DF2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鑒定, 發(fā)現(xiàn)其主要由(1→3)連接的褐藻糖組成, 還有少量的(1→4)連接的褐藻糖, 每四個(gè)糖單位就有一個(gè)支鏈, 支鏈由褐藻糖或(1→6)鏈接的半乳糖組成, 硫酸根的連接方式不均一, 分別連接在褐藻糖的2或4位, 或者半乳糖的3、4位, 有些雙取代(圖13)。Jin等(2012)對(duì)DF1組分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)其主鏈以2-連接甘露糖和4-連接葡萄糖醛酸交替連接組成, 同時(shí)在2-連接甘露糖的C6位有部分硫酸化, 在C3位有部分巖藻糖基化。

圖13 海帶中褐藻多糖硫酸酯組分DF2的結(jié)構(gòu)推測(cè)(Wang et al., 2010)

Thanh等(2013)使用電噴霧離子化質(zhì)譜(electrospray ionisation mass spectrometry, ESI-MS)方法對(duì)從褐藻中制備的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究, 其主鏈由1-3-α-L-Fucp構(gòu)成, 支鏈→4)-Galp(1→鏈接在巖藻糖的4位上, 硫酸基取代在巖藻糖的2位或半乳糖的4位上(圖14)。

Usoltseva等(2016)對(duì)褐藻和中制備的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較研究, 它們的主鏈結(jié)構(gòu)相似, 都是由→3)-α-L-Fuc-(2,4-O3?)-(1→構(gòu)成, 但是支鏈結(jié)構(gòu)不同, 從制備的褐藻多糖硫酸酯中發(fā)現(xiàn)了HexA-(1→2)-Fuc、HexA-(1→2)-Gal、Gal- (1→4)-HexA、Fuc-(1→2)-Gal-6-SO3?、Fuc-4- SO3?-(1→6)-Gal、Gal-(1→2)-Gal-2-SO3?、Gal- 4-SO3?-(1→6)-Gal, Gal-4-SO3?-(1→3)-Fuc-(1→3)- Fuc、Fuc-4-SO3?-(1→6)-Gal- (1→4)-Gal, Gal- (1→4)-Gal-(1→3)-Fuc、Gal-2-SO3?-(1→4)-Gal-(1→4)-Gal, Gal-(1→4)-Gal-6-SO3?-(1→2)-Gal等支鏈結(jié)構(gòu)。

近年來(lái), 隨著多維核磁共振技術(shù)的發(fā)展和高分辨質(zhì)譜在多糖結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用, 以及褐藻多糖硫酸酯特異性酶的發(fā)現(xiàn), 褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)研究有了很大進(jìn)展, 但是, 對(duì)很多不同來(lái)源的褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)還沒(méi)有完全明確。褐藻多糖硫酸酯在很多方面有較強(qiáng)的生物活性, 為了更好地開(kāi)展應(yīng)用, 必須加快其結(jié)構(gòu)方面的研究。

圖14 Turbinaria ornata中褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)(Thanh et al., 2013)

注: a~d代表不同的結(jié)構(gòu); F. 巖藻糖; G. 半乳糖; 主鏈1-3鏈接, 支鏈1-4鏈接; 硫酸基:巖藻糖或者半乳糖的C2 和/或 C4殘基上

3 褐藻多糖硫酸酯的生物活性

3.1 抗凝血活性

褐藻多糖硫酸酯的抗凝血活性是研究最早、最廣泛的生物活性。褐藻多糖硫酸酯具有跟肝素類(lèi)似的抗凝血活性, 通過(guò)直接作用于凝血酶或激活凝血酶抑制因子阻礙了凝血酶原(Ⅱa因子)和Ⅹa因子的產(chǎn)生, 并通過(guò)肝素輔助因子Ⅱ(HCⅡ)而不是抗凝血酶Ⅲ較緩慢地抑制Ⅹa因子的活性(Chen et al., 2012)。褐藻多糖硫酸酯對(duì)纖溶系統(tǒng)也有影響, 能夠加強(qiáng)組纖溶酶原激活物(t-PA)和尿激酶型纖溶酶原激活物(u-PA)對(duì)纖溶酶原的活化, 增加纖溶酶的產(chǎn)生(Grauffel et al., 1989)。墨角藻和水云()中的褐藻多糖硫酸酯還對(duì)血小板聚集具有明顯的抑制效果(Ustyuzhanina et al., 2013)。

隨著對(duì)抗凝作用的深入研究, 人們發(fā)現(xiàn)不同褐藻來(lái)源的褐藻多糖硫酸酯由于其結(jié)構(gòu)不同, 抗凝血活性也不同。多糖的分子量、單糖組成、硫酸根的含量和取代位置對(duì)抗凝血活性有顯著影響(Nishino and Nagumo, 1992; Chevolot et al., 1999; Chandía and Matsuhiro, 2007)。一般來(lái)說(shuō), 隨著分子量和硫酸根含量的增加, 抗凝血活性增強(qiáng), 但是分子量太大其抗凝血活性反而下降。對(duì)從海帶中提取出的褐藻多糖硫酸酯的抗凝血活性研究表明, 分子量在8000Da的樣品的抗凝血活性最強(qiáng)。褐藻多糖硫酸酯分子量對(duì)抗凝血活性的影響要比硫酸根含量的影響更大, 其抗凝血活性隨著分子量的降低而顯著降低。褐藻多糖硫酸酯達(dá)到抗凝劑活性則需要相當(dāng)大分子量的糖鏈才能與凝血酶(血流中的凝結(jié)蛋白)相結(jié)合。Senthilkumar等(2013)證實(shí)褐藻多糖硫酸酯的分子量在近似于100kDa時(shí), 能夠具有一定的抗凝性, 且其抗凝血活性與抗凝血酶和肝素輔酶2有關(guān)。肝素能夠刺激肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子(hepatocyte growth factor, HGF)的釋放, 促進(jìn)組織再生, 具有十分高效的抗凝血活性, 是一種廣泛應(yīng)用的抗凝劑。對(duì)于分子量相近的褐藻多糖硫酸脂, 硫酸根含量越高則抗凝血活性越高(趙雪等, 2007)。Haroun-Bouhedja等(2000)研究發(fā)現(xiàn)從泡葉藻中提取的褐藻多糖硫酸酯的抗凝血活性與硫酸基的取代度有關(guān), 雙硫酸根取代能增強(qiáng)抗凝血活性。從墨角藻中提取的褐藻多糖硫酸酯經(jīng)過(guò)氨基化修飾后可以有效激活血纖維蛋白溶酶原, 從而促進(jìn)血凝物的溶解(Soeda et al., 1994), 可見(jiàn)不同的取代基團(tuán)對(duì)抗凝血活性有一定影響。Jin等(2013a)對(duì)11種褐藻多糖硫酸酯的抗凝血活性進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明樣品Y5~Y11的分子量從大到小為50.1kDa ~8.4kDa, 隨著分子量的降低其活化部分凝血活酶時(shí)間(activated partial thromboplastin time, APTT)和凝血酶時(shí)間 (thrombin time, TT)活性也逐漸降低且有濃度依賴性, 樣品Y1~Y4不僅分子量不同而且?guī)r藻糖和半乳糖的比值也不同, 其抗凝血活性更為復(fù)雜, 這說(shuō)明不僅分子量對(duì)生物活性有影響, 巖藻糖和半乳糖的比值對(duì)生物活性也有一定影響。Zhang等(2014)對(duì)從墨角藻中制備的褐藻多糖硫酸酯的抗凝血活性的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了研究, 討論了電荷密度、分子量和單糖組成對(duì)抗凝血的活性影響。當(dāng)褐藻多糖硫酸酯每個(gè)糖單元含有0.5個(gè)硫酸基、且含有大于70個(gè)糖單元時(shí)可以通過(guò)改善血漿中IX凝血因子不足起到抗凝血作用。為了探討抗凝機(jī)理, Pereira等(1999)對(duì)不同來(lái)源的褐藻多糖硫酸酯的抗凝血活性進(jìn)行了比較, 從褐藻中提取的帶有支鏈的褐藻多糖硫酸酯直接具有抗凝血活性, 然而從棘皮動(dòng)物中提取的線性褐藻多糖硫酸酯抗凝血作用的發(fā)揮需要有肝素介導(dǎo)因子Ⅱ存在, 由此可知, 多糖的空間結(jié)構(gòu)對(duì)抗凝血的作用機(jī)制也有一定影響。

3.2 抗腫瘤作用

褐藻多糖硫酸酯具有直接的抗腫瘤作用。褐藻多糖硫酸酯能明顯抑制小鼠S180實(shí)體瘤的生長(zhǎng), 延長(zhǎng)腫瘤負(fù)荷鼠的生存期, 且呈現(xiàn)劑量相關(guān)性, 其抑瘤率達(dá)到環(huán)磷酰胺陽(yáng)性對(duì)照的70.4%~78.2%。但是它對(duì)體外培養(yǎng)的A549細(xì)胞、HeLa細(xì)胞和L1210細(xì)胞的生長(zhǎng)均無(wú)顯著抑制作用, 這說(shuō)明褐藻多糖硫酸酯的抗腫瘤作用不是通過(guò)細(xì)胞毒作用實(shí)現(xiàn)。褐藻多糖硫酸酯中劑量組和大劑量組能顯著提高碳粒廓清實(shí)驗(yàn)中的廓清指數(shù)K、吞噬指數(shù)α和脾臟器指數(shù), 推測(cè)其抗腫瘤機(jī)制可能是通過(guò)對(duì)免疫功能的增強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的(王君和胡霞敏, 2009)。Nagamine等(2009)研究了褐藻多糖硫酸酯對(duì)Huh7肝癌細(xì)胞的抑制作用并探討了其作用機(jī)制。MTT法結(jié)果顯示褐藻多糖硫酸酯能明顯抑制Huh7的生長(zhǎng), 且與濃度成正相關(guān)性, 其半數(shù)抑制率為2.0mg/mL。蛋白質(zhì)印跡結(jié)果表明褐藻多糖硫酸酯處理的Huh7細(xì)胞的培養(yǎng)基中α-胎蛋白的含量下降, 在1.0mg/mL褐藻多糖硫酸酯作用下, Huh7細(xì)胞中趨化因子配體12 mRNA表達(dá)顯著下調(diào), 而趨化因子受體4的表達(dá)不受影響, 他們認(rèn)為褐藻多糖硫酸酯的抗腫瘤活性是通過(guò)下調(diào)趨化因子配體12 mRNA的表達(dá)所實(shí)現(xiàn)。劉秋英等(2004)研究了從半葉馬尾藻()中提取的褐藻多糖硫酸酯對(duì)抑癌基因p53和Rb的影響。他們將濃度分別為50、100和200mg/kg的褐藻多糖硫酸酯經(jīng)腹腔注射入S180肉瘤小鼠體內(nèi), 連續(xù)10天, 抑瘤率分別為30.5%、47.6%和63.5%。用逆轉(zhuǎn)錄PCR(reverse transcription PCR, RT-PCR)分析抑癌基因p53和Rb中mRNA的含量, 并用Western-blotting檢測(cè)p53和Rb中蛋白質(zhì)的表達(dá)水平發(fā)現(xiàn), 褐藻多糖硫酸酯可上調(diào)抑癌基因p53和Rb中mRNA的表達(dá)以及增加p53和Rb中蛋白質(zhì)的含量。他們認(rèn)為褐藻多糖硫酸酯通過(guò)上調(diào)抑癌基因的表達(dá)起到一定的抑瘤作用。褐藻多糖硫酸酯的抗腫瘤活性可能還和它的分子量以及硫酸根含量有關(guān)。Boo等(2011)發(fā)現(xiàn)褐藻多糖硫酸酯能引起人肺癌細(xì)胞A549、人結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29和HCT116的凋亡, 使其活細(xì)胞數(shù)量急劇減少, 并且褐藻多糖硫酸酯的這種促細(xì)胞凋亡作用呈現(xiàn)出一種劑量相關(guān)性。Lee等(2012)發(fā)現(xiàn)褐藻多糖硫酸酯能夠通過(guò)調(diào)控PI3K-Akt-mTOR和NF-kB信號(hào)通路抑制MMP-2、MMP-9的活性, 下調(diào)癌細(xì)胞的遷移和侵蝕水平, 進(jìn)而抑制人肺癌細(xì)胞的新陳代謝。Ye等(2008)對(duì)從馬尾藻()中提取的褐藻多糖硫酸酯分級(jí)組分的抗腫瘤活性進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)低分子量、高硫酸根含量的組分SP3-1和SP3-2對(duì)HepG2、A549和MGC-803細(xì)胞有顯著的抑制活性。

裙帶菜()中的褐藻多糖硫酸酯能夠通過(guò)增加活性氧產(chǎn)物, 引發(fā)線粒體氧化性損傷, 線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential, MMP)去極化和細(xì)胞色素C的釋放, 下調(diào)凋亡抑制蛋白的水平, 激活caspase-3和caspase-9, 誘發(fā)活性氧介導(dǎo)的線粒體通路, 進(jìn)而引起肝癌細(xì)胞凋亡, 這揭示了由線粒體介導(dǎo)的通路可能在由褐藻多糖硫酸酯引發(fā)的細(xì)胞凋亡中起到了重要作用(Yang et al., 2013)。Zhang等(2011)還發(fā)現(xiàn)褐藻多糖硫酸酯誘發(fā)的細(xì)胞凋亡伴隨著胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)活性的降低, ERK通路是細(xì)胞凋亡的主要調(diào)節(jié)子, 而褐藻多糖硫酸酯能夠引發(fā)MCF-7細(xì)胞中ERK的磷酸化。

褐藻多糖硫酸酯不僅對(duì)腫瘤有治療作用, 也可以從一定程度上抑制腫瘤的形成。Gamal-Eldeen等(2009)研究了長(zhǎng)角馬尾藻()中不同分級(jí)組分的褐藻多糖硫酸酯的癌癥化學(xué)預(yù)防活性。組分E1和E4具有較好的腫瘤形成抑制活性, 它們可以保護(hù)性地調(diào)控癌癥誘導(dǎo)因子的新陳代謝, 抑制癌癥誘導(dǎo)因子激活細(xì)胞色素P450, 同時(shí)提高癌癥誘導(dǎo)因子脫毒酶谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶的活性, 從而表現(xiàn)出很好的癌癥化學(xué)預(yù)防活性。另外, 褐藻多糖硫酸酯在對(duì)癌細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用的同時(shí)不影響正常細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖(Senthilkumar et al., 2013)。因此, 褐藻多糖硫酸酯可作為一種無(wú)毒副作用的化合物, 用于腫瘤預(yù)防和化學(xué)治療領(lǐng)域。

3.3 免疫調(diào)節(jié)活性

褐藻多糖硫酸酯的免疫調(diào)節(jié)活性是通過(guò)對(duì)免疫細(xì)胞的調(diào)控實(shí)現(xiàn)的。從馬尾藻中提取的褐藻多糖硫酸酯的免疫促進(jìn)作用與劑量有密切關(guān)系。以不同的劑量喂養(yǎng)小鼠, 當(dāng)劑量為20、40和60mg/kg·d時(shí), 使小鼠脾的重量顯著增加; 當(dāng)多糖劑量為40、60mg/kg·d時(shí), 使小鼠腋下淋巴結(jié)的重量顯著增加, 對(duì)單核巨噬細(xì)胞的吞噬功能加強(qiáng)有顯著影響, 能明顯提高小鼠碳粒廓清速率和吞噬指數(shù)α, 并對(duì)巨噬細(xì)胞增生以及淋巴小結(jié)形成有明顯作用; 當(dāng)多糖劑量為60mg/kg·d時(shí), 對(duì)肝增重的效果也達(dá)到顯著水平(王士長(zhǎng)等, 2006)。

樹(shù)狀細(xì)胞是一種重要的抗原提示細(xì)胞, Kim等(2007)研究了褐藻多糖硫酸酯對(duì)樹(shù)狀細(xì)胞(dendritic cells, DCs)的免疫調(diào)節(jié)作用。從墨角藻中提取的褐藻多糖硫酸酯能提高DCs細(xì)胞的活力, 增加白介素-12和腫瘤壞死因子α的產(chǎn)量, 以及提高主要的組織相容性細(xì)胞classⅠ、classⅡ、CD54和CD86的表達(dá), 同時(shí)可以延長(zhǎng)脾細(xì)胞中同種抗原壽命。他們認(rèn)為對(duì)DCs細(xì)胞進(jìn)行免疫調(diào)節(jié)的其中一種途徑至少包含多顯性轉(zhuǎn)錄核因子(NF-kappa B)。

褐藻多糖硫酸酯的免疫調(diào)節(jié)活性與褐藻多糖硫酸酯的物理性質(zhì)有一定關(guān)系。將褐藻多糖硫酸酯做成被卵磷脂包裹的納米微球與免疫細(xì)胞連接, 可以提高人體B細(xì)胞和T細(xì)胞的增長(zhǎng)速度, 改善白介素-6的分泌情況, 比單純用褐藻多糖硫酸酯效果好, 這可能和褐藻多糖硫酸酯納米微球更容易被吸收有關(guān)。且T細(xì)胞在褐藻多糖硫酸酯納米微球的濃度為0.6mg/mL時(shí)的生長(zhǎng)狀況好于1.0mg/mL, 這說(shuō)明0.6mg/mL是T細(xì)胞生長(zhǎng)的最佳濃度(Qadir et al., 2008)。

近年來(lái), 褐藻多糖硫酸酯提取物被廣泛應(yīng)用于臨床試驗(yàn)中, 有研究發(fā)現(xiàn), 口服褐藻多糖硫酸酯提取物溶液1.5至4個(gè)月可以增加乳腺癌病患者血液中IL-12、干擾素γ和TNF-α的水平(Zhang et al., 2011)。這些因子參與免疫調(diào)節(jié)過(guò)程, 說(shuō)明褐藻多糖硫酸酯具有明顯的免疫調(diào)節(jié)活性。

食用褐藻中的褐藻多糖硫酸酯可通過(guò)直接抑制病毒復(fù)制和刺激免疫系統(tǒng)功能對(duì)機(jī)體起到一定的保護(hù)作用, 還可以通過(guò)修飾細(xì)胞表面來(lái)激發(fā)人體內(nèi)的免疫功能。褐藻多糖硫酸酯還能促進(jìn)肝臟淋巴細(xì)胞和外周巨噬細(xì)胞的有絲分裂, 形成免疫保護(hù)。在自然殺傷細(xì)胞中, 褐藻多糖硫酸酯能夠顯著增強(qiáng)細(xì)胞溶解和有絲分裂的活性, 能誘導(dǎo)單核細(xì)胞來(lái)源的樹(shù)突細(xì)胞的成熟, 并與其他細(xì)胞因子和T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫應(yīng)答協(xié)同作用激活人體免疫功能(Yang et al., 2008)。Lee等(2012)證實(shí)了褐藻多糖硫酸酯能通過(guò)調(diào)控PI3K-Akt-mTOR和NF-kB信號(hào)通路抑制MMP-2/-9的活性, 抑制人肺癌細(xì)胞的新陳代謝, 下調(diào)癌細(xì)胞的遷移和侵蝕水平, 誘導(dǎo)內(nèi)皮祖細(xì)胞向基底膜等類(lèi)似結(jié)構(gòu)的增殖、遷移和分化, 改善基底膜結(jié)構(gòu), 對(duì)糖尿病腎病(diabetic nephropathy, DN)等與基底膜相關(guān)的疾病有一定的影響。

3.4 抗病毒活性

關(guān)于褐藻多糖硫酸酯的抗病毒活性已有不少報(bào)道。褐藻多糖硫酸酯對(duì)單純性包疹病毒1(herpes simplex virus-1, HSV-1)的復(fù)制有抑制作用(Besednova et al., 2016)。HSV-1的復(fù)制受生物體的免疫應(yīng)答體系控制。用褐藻多糖硫酸酯喂養(yǎng)受HSV-1感染的小鼠, 可以增強(qiáng)小鼠巨噬細(xì)胞和B細(xì)胞的吞噬作用, 同時(shí)增加自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell, NK)的活性。連續(xù)喂養(yǎng)三周后, 小鼠體內(nèi)中性抗體顯著增強(qiáng)。他們認(rèn)為褐藻多糖硫酸酯對(duì)受HSV-1感染小鼠的保護(hù)作用可能是通過(guò)直接抑制病毒復(fù)制和激活免疫防御系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

抗人類(lèi)免疫缺陷病毒(human immunode-ficiency virus, HIV)作用是硫酸多糖抗病毒研究中的熱點(diǎn), 硫酸化基團(tuán)的存在對(duì)其抗HIV活性是必要的, 其作用強(qiáng)度隨硫酸化程度的升高而增強(qiáng)。其抗HIV病毒機(jī)理主要是通過(guò)阻斷HIV與靶細(xì)胞上的受體CD4的連接發(fā)揮抗病毒作用。細(xì)胞上的CD4分子氨基末端含有豐富的堿性氨基酸, 是HIV入侵宿主細(xì)胞和硫酸多糖抗HIV的作用靶點(diǎn)。褐藻多糖硫酸酯對(duì)HIV感染的起始階段和后來(lái)的復(fù)制階段均有抑制作用。在不產(chǎn)生細(xì)胞毒性的濃度下均可抑制HIV誘導(dǎo)的合胞體形成和HIV逆轉(zhuǎn)錄酶的活性(Dinesh et al., 2016)。

褐藻多糖硫酸酯對(duì)于禽流感病毒(newcastle disease virus, NDV)有顯著的抑制作用, 在NDV感染前或后1h用0.25~16μg褐藻多糖硫酸酯處理雞胚胎, 可以顯著抑制NDV病毒感染, 最高可以使感染率降低90%(Trejo-Avila et al., 2016)。

褐藻多糖硫酸酯對(duì)植物病毒性感染也有一定的抑制作用。Lapshina等(2006)研究了從墨角藻中提取的褐藻多糖硫酸酯對(duì)養(yǎng)殖煙草葉感染煙草花葉病毒(tobacco mosaic virus, TMV)后傳染速度的抑制作用。該實(shí)驗(yàn)用2μg/mL的TMV感染煙草葉, 向治療組添加1mg/mL褐藻多糖硫酸酯。研究發(fā)現(xiàn), 治療組煙葉由TMV引起的壞死損傷數(shù)目比模型組減少90%; 添加TMV和褐藻多糖硫酸酯混合物3天之后, 病毒的毒性和濃度分別為62%和66%, 比單獨(dú)用TMV培育的要低。由此可見(jiàn), 褐藻多糖硫酸酯可以有效抑制TMV感染的擴(kuò)散。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)褐藻多糖硫酸酯是在基因水平上發(fā)揮作用, 其抗病毒活性機(jī)制是通過(guò)抑制病毒誘導(dǎo)的多核體細(xì)胞的形成來(lái)抑制病毒對(duì)細(xì)胞的吸附作用, 硫酸根是褐藻多糖硫酸酯抗病毒活性必需的成分。

3.5 抗氧化活性

自由基在體內(nèi)積累可以引起衰老、心腦血管、老年癡呆等多種疾病, 近年來(lái)尋求高效、低毒的抗氧化劑成為科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。褐藻多糖硫酸酯具有清除自由基、抗氧化、抗衰老等多種生物活性。利用五種蛋白酶和六種碳水化合物酶對(duì)裙帶菜中的褐藻多糖硫酸酯進(jìn)行了提取和體外抗氧化活性研究。不同酶提取的褐藻多糖硫酸酯均有較強(qiáng)的清除DPPH(2,2- diphenyl-1-picrylhydrazyl)自由基和羥自由基的能力, 雖然它們清除超氧陰離子自由基的能力較弱, 但仍然是一種安全性高、水溶性好的抗氧化劑來(lái)源(Je et al., 2009)。褐藻多糖硫酸酯的抗氧化活性與多糖的分子量和硫酸根含量及單糖的種類(lèi)有關(guān)。Ajisaka等(2016)研究了從不同褐藻中制備的褐藻多糖硫酸酯的抗氧化活性和其化學(xué)組成的關(guān)系。結(jié)果表明, 硫酸基是褐藻多糖硫酸酯發(fā)揮抗氧化活性的關(guān)鍵基團(tuán), 但是硫酸基的增加并不能導(dǎo)致抗氧化活性增加, 當(dāng)褐藻多糖硫酸酯的支鏈連有葡萄糖醛酸等單糖時(shí)其抗氧化活性相近?？傊? 褐藻多糖硫酸酯的抗氧化活性是由多種因素決定的。

3.6 腎臟保護(hù)活性

P-選擇素是一種黏附分子, 從正常腎小球的免疫組化染色中無(wú)法檢測(cè)出, 但在腎臟炎癥早期, P-選擇素在腎小球內(nèi)皮細(xì)胞和附著的血小板表面均有表達(dá), 這有助于中性粒細(xì)胞的聚集, 從而促進(jìn)炎癥的進(jìn)展(周同等, 1998)。在很多腎病動(dòng)物模型中, 都發(fā)現(xiàn)P-選擇素對(duì)腎病的發(fā)生、發(fā)展起著很重要的作用。褐藻多糖硫酸酯是P-選擇素的抑制劑, 它在腎臟疾病中表現(xiàn)出的作用可能和P-選擇素有一定關(guān)系(Bachelet et al., 2009)。周同等(1998)研究發(fā)現(xiàn)褐藻多糖硫酸酯可以抑制腎小球性腎炎中P-選擇素的表達(dá), 減少炎性細(xì)胞浸潤(rùn)和血小板在腎組織的聚集。但是, De Vriese等(1999)指出, 在抗腎小球基底膜(glomerular basement membrane, GBM)腎炎中, P-選擇素幾乎消除了小靜脈內(nèi)中性粒細(xì)胞的移動(dòng), 但對(duì)蛋白尿的發(fā)生沒(méi)有影響, 他們認(rèn)為P-選擇素介導(dǎo)的中性粒細(xì)胞的黏附對(duì)于中性粒細(xì)胞和腎小球毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用不是必要條件。可見(jiàn), P-選擇素在慢性腎功能衰竭(chronic renal failure, CRF)中的作用還需要進(jìn)一步研究。Zhang等(2005)研究了褐藻多糖硫酸酯在海曼腎炎中的作用, 在海曼腎炎的模型中, 分別以50、100和200mg/kg劑量的褐藻多糖硫酸酯每天給大鼠灌胃。持續(xù)四周后, 在劑量為100和200mg/kg的治療組中, 尿蛋白和血肌酐均明顯下降, 這可能和褐藻多糖硫酸酯阻斷P-選擇素和中性粒細(xì)胞黏附之間的相互作用有關(guān)(Zhang et al., 2005)。

氧化應(yīng)激是體內(nèi)活性氧(reactive oxygen species, ROS)產(chǎn)生增加和(或)抗氧化防御能力降低的結(jié)局。ROS可通過(guò)多種途徑損傷腎臟的功能和結(jié)構(gòu)。ROS通過(guò)對(duì)入球小動(dòng)脈、出球小動(dòng)脈及系膜細(xì)胞舒縮性質(zhì)的影響, 引起小球血流動(dòng)力學(xué)改變和腎臟進(jìn)行性損傷; 過(guò)氧化物能損害腎小球的選擇性通透性能, 引起尿蛋白排泄增加, 腎小管內(nèi)的大量尿蛋白可通過(guò)產(chǎn)生ROS損害腎小管上皮細(xì)胞; 過(guò)氧化物對(duì)腎小球、血管及腎間質(zhì)成分具有直接細(xì)胞毒性作用。此外, 過(guò)氧化物還可以上調(diào)炎癥反應(yīng), 誘導(dǎo)前炎癥因子及化學(xué)趨化因子產(chǎn)生(Goi et al., 2009; Korish, 2009)。這些因素都可以加速慢性腎功能衰竭(chronic renal failure, CRF)的進(jìn)程。研究發(fā)現(xiàn)腎結(jié)石對(duì)腎臟損傷是由于腎結(jié)石可以誘導(dǎo)產(chǎn)生氧自由基, 而褐藻多糖硫酸酯可以保護(hù)由草酸鹽導(dǎo)致的腎臟損傷。褐藻多糖硫酸酯可以降低高草酸尿癥老鼠的體內(nèi)自由基, 并增加其抗氧化酶的活性, 降低脂質(zhì)過(guò)氧化水平, 從而減輕對(duì)腎臟的損傷(Thamilselvan et al., 2003; Veena et al., 2006)。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為CRF患者末期腎組織病理均表現(xiàn)為腎間質(zhì)纖維化。目前研究認(rèn)為腎間質(zhì)纖維化是單核巨噬細(xì)胞浸潤(rùn), 細(xì)胞外基質(zhì)合成增加、降解減少, 以及致纖維化的細(xì)胞因子表達(dá)上調(diào)等多種因素綜合作用的結(jié)果。商濱等(2006)的研究表明, 褐藻多糖硫酸酯可以明顯抑制人腎間質(zhì)成纖維細(xì)胞(human renal interstitum fibroblast, HRIF)增殖, 同時(shí)抑制HRIF分泌FN、IN兩種糖蛋白, 推測(cè)其可顯著減少細(xì)胞外基質(zhì)的合成, 從而減少細(xì)胞外基質(zhì)的聚集, 改善和延緩腎間質(zhì)纖維化。劉建春等(2007)研究發(fā)現(xiàn), 在CRF早中期褐藻多糖硫酸酯可以抑制TGF-β1和MCP-1兩種細(xì)胞因子的表達(dá), 從而延緩腎間質(zhì)纖維化進(jìn)展。

腎小球硬化(glomerulosclerosis, GS)是多種生物活性物質(zhì)、多種細(xì)胞成分參與的復(fù)雜過(guò)程, 腎臟局部和機(jī)體系統(tǒng)的環(huán)境都可以影響其發(fā)生、發(fā)展。引起腎小球硬化的原因可大致分為腎小球內(nèi)高血壓、免疫性和代謝性三類(lèi)。細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生細(xì)胞、血流動(dòng)力學(xué)改變、血管緊張素Ⅱ、內(nèi)皮素、細(xì)胞因子、細(xì)胞外基質(zhì)轉(zhuǎn)化失平衡、脂代謝紊亂、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡等都是影響腎小球硬化的因素。王兆華等(2005)針對(duì)褐藻多糖硫酸酯對(duì)阿霉素腎病腎硬化大鼠腎臟的保護(hù)作用進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明, 褐藻多糖硫酸酯可以降低阿霉素腎病腎硬化大鼠的尿蛋白、血清肌酐和尿素氮水平, 改善腎臟功能。該多糖可以抑制大鼠腎臟中TGF-β1表達(dá)并減少細(xì)胞外基質(zhì)中Ⅳ型膠原蛋白和纖維連接蛋白的合成, 并且可以減少腎皮質(zhì)TGF-β1、mRNA和PAI-1 mRNA的表達(dá), 具有延緩腎小球硬化的作用(王兆華, 2005)。

3.7 神經(jīng)保護(hù)活性

有研究發(fā)現(xiàn), 從海帶中制備的褐藻多糖硫酸酯能減輕1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶離子(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPP+)引起的細(xì)胞損傷, 對(duì)1-甲基-4-苯基- 1,2,3,6-四氫吡啶誘導(dǎo)的PD小鼠模型有顯著的保護(hù)作用, 該成果已獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)(ZL 200710099008.8) (羅鼎真等, 2009; Luo et al., 2009; Cui et al., 2010)。FPS是從海帶中制備得到的粗多糖, 其分子質(zhì)量不均一, 化學(xué)組成復(fù)雜, 化學(xué)結(jié)構(gòu)難以確定, 限制了其進(jìn)一步開(kāi)發(fā)為多糖類(lèi)藥物。因此, Jin等(2013)對(duì)FPS進(jìn)行了氧化降解和分級(jí)純化, 并利用PD細(xì)胞模型對(duì)得到的一系列分級(jí)組分進(jìn)行活性篩選, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 硫酸雜聚糖組分UF具有最強(qiáng)的神經(jīng)保護(hù)作用, 是FPS神經(jīng)保護(hù)活性的主要組分。進(jìn)一步對(duì)其神經(jīng)保護(hù)機(jī)制進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)UF對(duì)H2O2誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞的保護(hù)作用與UF抗凋亡活性有關(guān), 其UF抗凋亡活性與PI3K/AKT信號(hào)通路有關(guān), UF可以促進(jìn)PI3K和AKt的磷酸化, 激活PI3K/AKT信號(hào)通路, 同時(shí), UF對(duì)PI3K/AKT信號(hào)通路中的相關(guān)蛋白也有一定的調(diào)控作用, 可以提高抑凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá), 降低促凋亡蛋白Bax P53的表達(dá)(Wang et al., 2017)。

3.8 其他活性

選擇素又稱凝集素樣細(xì)胞黏附分子, 為跨膜糖蛋白, 主要位于白細(xì)胞(L-選擇素)、血小板(P-選擇素)和內(nèi)皮細(xì)胞(P-和E-選擇素)表面, 介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞間的黏附。它們具有高度選擇性, 其配體為位于細(xì)胞膜上的寡糖。在炎癥早期, 白細(xì)胞穩(wěn)定黏附、滲出和向炎癥部位遷移之前, 選擇素與細(xì)胞表面聚集的寡糖結(jié)合, 介導(dǎo)白細(xì)胞最初的著邊和滾動(dòng)。褐藻多糖硫酸酯因具有與L-、P-選擇素配體類(lèi)似的硫酸化寡糖結(jié)構(gòu), 容易與L-和P-選擇素結(jié)合而抑制它們與各自的配體結(jié)合, 從而發(fā)揮對(duì)L-和P-選擇素的抑制作用(Novoyatleva et al., 2016)。褐藻多糖硫酸酯還可以抑制CCl4引起的肝細(xì)胞呈纖維化過(guò)程, 保護(hù)肝細(xì)胞, 延長(zhǎng)星形肝細(xì)胞的壽命(Song et al., 2017)。

褐藻中的褐藻多糖硫酸酯能夠有效降低血清中總膽固醇(total cholesterol chol, CHOL)、低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein- cholesterol ldl-c, LDL-C)和三酯甘油(triglyceride, TRIG)的含量, 并且增加高密度脂蛋白膽固醇(high density lipid-cholesterol, HDL-C)的濃度, 減少人們得高血脂、高血糖疾病的風(fēng)險(xiǎn)。還能夠減輕體重, 減少脂肪組織塊, 下調(diào)脂肪形成轉(zhuǎn)錄因子和其他特定的靶基因, 具有潛在的減肥作用(Kim et al., 2014)。

此外, 褐藻多糖硫酸酯還具有抗炎、保護(hù)缺血再灌注損傷、抑制血管緊張素酶等多種生物活性(Cong et al., 2016; Atashrazm et al., 2016)。隨著研究技術(shù)和方法的深入, 相信更多褐藻多糖硫酸酯的生物活性會(huì)被發(fā)現(xiàn), 其應(yīng)用也將更加廣泛。

4 褐藻多糖硫酸酯未來(lái)研究趨勢(shì)

褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 是制約其生物活性應(yīng)用的一個(gè)主要因素。目前, 對(duì)褐藻多糖硫酸酯結(jié)構(gòu)的研究主要是通過(guò)降解的方法制備寡糖, 結(jié)合波譜學(xué)方法進(jìn)行一級(jí)結(jié)構(gòu)的鑒定。但是, 很少有人從褐藻多糖硫酸酯的生物合成途徑對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。我們認(rèn)為未來(lái)褐藻多糖硫酸酯的一個(gè)研究重點(diǎn)是從海藻體內(nèi)尋找褐藻多糖硫酸酯合成的關(guān)鍵酶, 從生物合成途徑來(lái)解析褐藻多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。同時(shí), 利用尋找到的褐藻多糖硫酸酯合成的關(guān)鍵酶在體外合成褐藻多糖硫酸酯寡糖, 這對(duì)于寡糖的大量制備和應(yīng)用有重要的意義。

對(duì)褐藻多糖硫酸酯生物活性的研究逐漸從藥效學(xué)的研究深入到藥理機(jī)制的研究, 但是, 由于多糖是一個(gè)大分子物質(zhì), 尋找能和靶目標(biāo)特異性結(jié)合的糖單元十分困難。未來(lái)一方面可以針對(duì)制備特異性褐藻多糖硫酸酯寡糖單元進(jìn)行機(jī)制研究, 另一方面可以通過(guò)一些模擬軟件來(lái)尋找可以和特定靶點(diǎn)結(jié)合的糖單元。同時(shí), 可以利用相關(guān)軟件模擬褐藻多糖硫酸酯的二級(jí)結(jié)構(gòu), 通過(guò)糖與靶點(diǎn)的結(jié)合能力分析優(yōu)化多糖的結(jié)構(gòu)。

紀(jì)明侯, 1997. 海藻化學(xué). 北京: 科學(xué)出版社, 318

劉 群, 徐中平, 2007. 海帶硫酸酯多糖的酶法提取工藝條件. 河北漁業(yè), (6)55—57

劉建春, 2007. 褐藻多糖硫酸酯對(duì)腺嘌呤致大鼠腎間質(zhì)纖維化的作用及其機(jī)制探討. 北京: 中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)碩士學(xué)位論文

羅鼎真, 崔艷秋, 王曉民, 2009. 褐藻多糖硫酸酯減輕1-甲基-4-苯基吡啶離子引起的細(xì)胞損傷和氧化應(yīng)激. 首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào), 30(4): 475—480

商 濱, 2006. 褐藻多糖硫酸酯對(duì)人腎間質(zhì)成纖維細(xì)胞的影響. 大連: 大連醫(yī)科大學(xué)碩士學(xué)位論文

史永富, 汪秋寬, 張?zhí)鸫? 2009. 鼠尾藻中巖藻聚糖硫酸酯提取工藝及純化研究. 現(xiàn)代食品科技, 25(5): 511—514, 549

譚潔怡, 王一飛, 錢(qián)垂文, 2006. 超聲波法提取裙帶菜中褐藻多糖硫酸酯的工藝研究. 食品與發(fā)酵工業(yè), 32(1): 115—117

王 君, 胡霞敏, 2009. 海藻提取物Fucoidan抗腫瘤作用的實(shí)驗(yàn)研究. 時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥, 20(7): 1757— 1758

王士長(zhǎng), 陳 靜, 潘健存等, 2006. 馬尾藻多糖的提取及其免疫活性. 食品科學(xué), 27(9): 257—260

王兆華, 2005. 褐藻多糖硫酸酯對(duì)阿霉素腎病腎硬化大鼠腎臟的保護(hù)作用. 濟(jì)南: 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文

王作蕓, 趙學(xué)武, 1985. 銅藻的褐藻糖膠、褐藻淀粉和褐藻膠的分離及提純. 水產(chǎn)學(xué)報(bào), 9(1): 71—77

趙 雪, 傅海艦, 薛長(zhǎng)湖等, 2007. 自由基氧化法制備海帶巖藻聚糖硫酸酯的抗凝血活性. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué), 14(6): 1017—1022

周 同, 李 曉, 郝翠蘭等, 1998. 黏附分子P選擇素在人類(lèi)腎小球疾病中表達(dá)及其意義. 中華腎臟病雜志, 14(3): 155—158

Ajisaka K, Yokoyama T, Matsuo K, 2016. Structural characteristics and antioxidant activities of fucoidans from five brown seaweeds. Journal of Applied Glycoscience, 2016, 63(2): 31—37

Anno K, Terahata H, Hayashi Y et al., 1966. Isolation and purification of fucoidin from brown seaweed. Agricultural and Biological Chemistry, 1966, 30(5): 495—499

Atashrazm F, Lowenthal R M, Woods G M et al., 2016. Fucoidan suppresses the growth of human acute promyelocytic leukemia cells in vitro and in vivo. Journal of Cellular Physiology, 2016, 231(3): 688—697

Bachelet L, Bertholon I, Lavigne D et al., 2009. Affinity of low molecular weight fucoidan for P-selectin triggers its binding to activated human platelets. Biochimica Et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects, 1790(2): 141—146, doi: 10.1016/j.bbagen. 2008.10.008.

Besednova N, Makarenkova I, Zvyagintseva T et al., 2016. Antiviral activity and pathogenetic targets for seaweed sulfated polysaccharides in herpesvirus infections. Biochemistry (Moscow) Supplement Series B: Biomedical Chemistry, 10(1): 31—42

Bilan M, Grachev A A, Ustuzhanina N E et al., 2004. A highly regular fraction of a fucoidan from the brown seaweedL. Carbohydrate Research, 339(3): 511—517

Bilan M, Grachev A A, Ustuzhanina N E et al., 2002. Structure of a fucoidan from the brown seaweedC. Ag. Carbohydrate Research, 337(8): 719—730

Bilan M ZakharovaI A N, Grachev A A et al., 2007. Polysaccharides of algae: 60. Fucoidan from the pacific brown alga(Harv.) winne (Ectocarpales, Scytosiphonaceae). Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 33(1): 38—46, doi: 10.1134/s1068162007010049

Bilan M I, Grachev A A, Shashkov A S et al., 2006. Structure of a fucoidan from the brown seaweedL. Carbohydrate Research, 341(2): 238—245

Bilan M I, Usov A I, 2008. Structural analysis of Fucoidans. Natural Product Communications, 3(10): 1639—1648

Bird G M, Haas P, 1931. On the nature of the cell wall constituents ofspp. mannuronic acid. Biochemical Journal, 25(2): 403—411

Boo H J, Hyun H J, Kim C S et al., 2011. Fucoidan frominduces apoptosis in A549 human lung carcinoma cells. Phytotherapy Research, 25(7): 1082—1086, doi: 10.1002/ptr. 3489

Chandía N P, Matsuhiro B, 2007. Characterization of a fucoidan from(Phaeophyta) and its anticoagulant and elicitor properties. International Journal of Biological Macromolecules, 42(3): 235—240

Chen A J, Zhang F, Shi J et al., 2012. Study on antithrombotic and antiplatelet activities of low molecular weight fucoidan from. Journal of Ocean University of China, 11(2): 236—240, doi: 10.1007/s11802-012-1874-1

Chevolot L, Foucault A, Chaubet F et al., 1999. Further data on the structure of brown seaweed fucans: relationships with anticoagulant activity. 319(1—4): 154—165

Chevolot L, Mulloy B, Ratiskol J et al., 2001. A disaccharide repeat unit is the major structure in fucoidans from two species of brown algae. Carbohydrate Research, 330(4): 529—535

Chizhov A O, Dell A, Morris H R et al., 1999.A study of fucoidan from the brown seaweed. Carbohydrate Research, 320(1—2): 108—119

Conchie J, Percival E G V, 1950. Fucoidin. Part II. the Hydrolysis of a Methylated Fucoidin Prepared from. Journal of the Chemical Society, 827—832

Cong Q, Chen H J, Liao W F et al., 2016. Structural characterization and effect on anti—angiogenic activity of a fucoidan from. Carbohydrate Polymers, 136: 899—907

Cui Y Q, Zhang L J, Zhang T et al., 2010. Inhibitory effect of fucoidan on nitric oxide production in lipopolysaccharide—activated primary microglia. Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology, 37(4): 422—428, doi: 10.1111/j.1440- 1681.2009.05314.x

De Vriese A S, Endlich K, Elger M et al., 1999. The role of selectins in glomerular leukocyte recruitment in rat anti-glomerular basement membrane glomerulonephritis. Journal of American society of Nephrology, 10(12): 2510—2517

Jin W J, Wang J, Jiang H et al., 2013a. The neuroprotective activities of heteropolysaccharides extracted from. Carbohydrate Polymers, 97(1): 116—120, doi: 10.1016/j.carbpol. 2013.04.055

Dinesh S, Menon T M, Hanna L E et al., 2016.anti—HIV—1 activity of fucoidan from. International Journal of Biological Macromolecules, 82: 83—88

Fleury N, Lahaye M, 1993. Studies on by-products from the industrial extraction of alginate. Journal of Applied Phycology, 5(6): 605—614

Gamal-Eldeen A, Ahmed E F, Abo-Zeid M A, 2009.cancer chemopreventive properties of polysaccharide extract from the brown alga,. Food and Chemical Toxicology, 47(6): 1378—1384, doi: 10.1016/j.fct. 2009.03.016

Goi G, Massaccesi L, Herrera C J B et al., 2009. Oxidative stress in elderly chronic renal failure patients: effects of renal replacement therapies on cell membrane fluidity. Journal of Nephrology, 22(5): 630—636

Grauffel V, Kloareg B, Mabeau S et al., 1989. New natural polysaccharides with potent antithrombic activity: fucans from brown algae. Biomaterials, 10(6): 363—368

Haroun-Bouhedja F, Ellouali M, Sinquin C et al., 2000. Relationship between sulfate groups and biological activities of fucans. Thrombosis Research, 100(5): 453—459

Hussein M M D, Abdel-Aziz A, Salem H M, 1980. Some structural features of a new sulphated heteropolysaccharide from. Phytochemistry, 19(10): 2133—2135

Je J Y, Park P J, Kim E K et al., 2009. Antioxidant activity of enzymatic extracts from the brown seaweedby electron spin resonance spectroscopy. LWT-Food Science and Technology, 42(4): 874—878

Jin W H, Wang J, Ren S M et al., 2012. Structural analysis of a heteropolysaccharide fromby electrospray mass spectrometry in tandem with collision-induced dissociation tandem mass spectrometry (ESI-CID-MS/MS). Marine Drugs, 10(12): 2138—2152, doi: 10.3390/md1010 2138

Jin W H, Zhang Q B, Wang J et al., 2013a. A comparative study of the anticoagulant activities of eleven fucoidans. Carbohydrate Polymers, 91(1): 1—6, doi: 10.1016/j.carbpol.2012.07.067

Jin W H, Zhang W J, Wang J et al., 2014. Characterization of laminaran and a highly sulfated polysaccharide from. Carbohydrate Research, 385: 58—64, doi: 10.1016/ j.carres.2013.12.009

Jin W J, Wang J, Jiang H et al., 2013b. The neuroprotective activities of heteropolysaccharides extracted from. Carbohydrate Polymers, 97(1): 116—120, doi: 10.1016/j.carbpol. 2013.04.055

Kim M H, Joo H G, 2008. Immunostimulatory effects of fucoidan on bone marrow-derived dendritic cells. Immunology Letters, 115(2): 138—143, doi: 10. 1016/j.imlet.2007.10.016

Kim M J, Jeon J, Lee J S, 2014. Fucoidan Prevents high-fat diet-induced obesity in animals by suppression of fat accumulation. Phytotherapy Research, 28(1): 137—143

Korish A A, 2009. Oxidative stress and nitric oxide deficiency in inflammation of chronic renal failure Possible preventive role of L-arginine and multiple antioxidants. Saudi Medical Journal, 30(9): 1150—1157

Lapshina L A, Reunov A V, Nagorskaya V P et al., 2006. Inhibitory effect of fucoidan from brown algaon the spread of infection induced by tobacco mosaic virus in tobacco leaves of two cultivars. Russian Journal of Plant Physiology, 53(2): 246—251

Larsen B, Haug A, Painter R L, 1966. Sulphated polysaccharides in brown algae. Ⅰ. Isolation and preliminary characterisation of three sulphated polysaccharides from(L.) Le Jol. Acta Chemica Scandinavica, 20: 219—230

Lee H, Kim J S, Kim E et al., 2012. Fucoidan from seaweedinhibits migration and invasion of human lung cancer cell via PI3K-Akt- mTOR pathways. PLoS One, 7(11): e50624

Li B, Wei X J, Sun J L et al., 2006. Structural investigation of a fucoidan containing a fucose-free core from the brown seaweed,. Carbohydrate Research, 341(9): 1135—1146

Luo D Z, Zhang Q B, Wang H M et al., 2009. Fucoidan protects against dopaminergic neuron deathand. European Journal of Pharmacology, 617(1—3): 33—40

Marais M F, Joseleau J P, 2001. A fucoidan fraction from. Carbohydrate Research, 336(2): 155—159

Nagamine T, Hayakawa K, Kusakabe T et al., 2009. Inhibitory effect of Fucoidan on Huh7 hepatoma cells through downregulation of CXCL12. Nutrition and Cancer—an International Journal, 61(3): 340—347, doi: 10.1080/01635580802567 133

Nishide E, Anzai H, Uchida N et al., 1990. Sugar constituents of fucose-containing polysaccharides from various Japanese brown algae. Proceedings of the Thirteenth International Seaweed Symposium held in Vancouver, Canada August 13–18, 204— 205: 573—576

Nishino T, Nagumo T, 1992. Anticoagulant and antithrombin activities of oversulfated fucans. Carbohydrate Research, 229(2): 355—362

Novoyatleva T, Kojonazarov B, Owczarek A et al., 2016. A natural polysaccharidic ligand P-selectin, Obstructs hypoxia—induced pulmonary arterial hypertension and acute lung vasoconstriction. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, 193: A7309—A7309

Paskins-Hurlburt, A J, Tanaka Y, Skoryna S C, 1976. Isolation and Metal—Binding Properties of Fucoidan. Botanica Marina, 19(5): 327—328

Patankar, M S, Oehninger S, Barnett T et al., 1993. A revised structure for fucoidan may explain some of its biological activities. The Journal of Biological Chemistry, 268(29): 21770—21776

Pereira M S, Mulloy B, Mour?o P A S, 1999. Structure and anticoagulant activity of sulfated fucans- Comparison between the regular, repetitive, and linear fucans from echinoderms with the more heterogeneous and branched polymers from brown algae. Journal of Biological Chemistry, 274(12): 7656—7667

Qadir S A, Kwon M C, Han J G et al., 2008. Enhancement of immunomodulatory and anticancer activity of fucoidan by Nano encapsulation. Food Science and Biotechnology, 17(6): 1254—1260

Rocha H A O, Moraes F A, Trindade E S et al., 2005. Structural and hemostatic activities of a sulfated galactofucan from the brown alga: an ideal antithrombotic agent? Journal of Biological Chemistry, 280(50): 41278—41288

Schweiger R G, 1962. Methanolysis of fucoidan. II. presence of sugars other than L-Fucose. Journal of Organic Chemistry, 27(12): 4270—4272

Senthilkumar K, Manivasagan P, Venkatesan J et al., 2013. Brown seaweed fucoidan: Biological activity and apoptosis, growth signaling mechanism in cancer. International Journal of Biological Macromolecules, 60: 366—374, doi: 10.1016/j. ijbiomac.2013.06.030

Shiroma R, Konishi T, Uechi S et al., 2008. Structural study of fucoidan from the brown seaweed Hizikia fusiformis. Food Science and Technology Research, 14(2): 176—182

Soeda S, Ohmagari Y, Shimeno H et al., 1994. Preparation of aminated fucoidan and its evaluation as an antithrombotic and antilipemic agent. Biological and Pharmaceutical Bulletin, 17(4): 784—788

Song Y F, Wang Q K, He Y H et al., 2017. The positive effects of fucoidans extracted from the brown seaweed Saccharina japonica on protection against CCl4—induced liver injury. Journal of Applied Phycology, 1—11

Dillon T, Kristensen K K, óhEocha C, 1953. The seed mucilage of Ascophyllum nodosum. Proceedings of the Royal Irish Academy. Section B: Biological, Geological, and Chemical Science, 55: 189—194

Thamilselvan S, Khan S R, Menon M, 2003. Oxalate and calcium oxalate mediated free radical toxicity in renal epithelial cells: effect of antioxidants. Urological Research, 31(1): 3—9, doi: 10.1007/s 00240-002-0286-x

Thanh T T T, Tran V T T, Yuguchi Y et al., 2013. Structure of fucoidan from brown seaweedas studied by electrospray ionization mass spectrometry (ESIMS) and small angle X-ray scattering (SAXS) techniques. Marine Drugs, 11(7): 2431—2443

Trejo-Avila L M, Elizondo-Gonzalez R, Rodriguez- Santillan P et al., 2016. Innocuity and anti- Newcastle-virus-activity offucoidan in chicken embryos. Poultry Science, 95(12): 2795—2802

Usoltseva R V, Anastyuk S D, Shevchenko N M et al., 2016. The comparison of structure and anticancer activityof polysaccharides from brown algaeand. Carbohydrate Polymers, 153: 258—265, doi: 10. 1016/j.carbpol.2016.07.103

Ustyuzhanina N E, Ushakova N A, Zyuzina K A et al., 2013. Influence of fucoidans on hemostatic system. Marine Drugs, 11(7): 2444—2458

Veena C K, Josephine A, Preetha S P et al., 2006. Renal peroxidative changes mediated by oxalate: The protective role of fucoidan. Life Sciences, 79(19): 1789—1795

Vilela-Silva A C E S, Castro M O, Valente A P et al., 2002. Sulfated fucans from the egg jellies of the closely related sea urchinsandensure species-specific fertilization. Journal of Biological Chemistry, 277(1): 379—387, doi: 10. 1074/jbc.M108496200

Wang J, Zhang Q B, Zhang Z S et al., 2008. Antioxidant activity of sulfated polysaccharide fractions extracted from. International Journal of Biological Macromolecules, 42(2): 127—132, doi: 10.1016/j.ijbiomac.2007.10.003

Wang, J, Zhang Q B, Zhang Z S et al., 2010. Structural studies on a novel fucogalactan sulfate extracted from the brown seaweed. International Journal of Biological Macromolecules, 47(2): 126—131, doi: 10.1016/j.ijbiomac.2010. 05.010

Wang J, Liu H D, Zhang X et al., 2017. Sulfated Hetero-polysaccharides protect SH-SY5Y cells from H2O2-induced apoptosis by affecting the PI3K/Akt signaling pathway. Marine Drugs, 15(4): 110

Yang L L, Wang P S, Wang H X et al., 2013. Fucoidan derived frominduces apoptosis in human hepatocellular carcinoma SMMC-7721 cells via the ROS-mediated mitochondrial pathway. Marine Drugs, 11(6): 1961—1976

Yang M X, Ma C H, Sun J T et al., 2008. Fucoidan stimulation induces a functional maturation of human monocyte—derived dendritic cells. International Immunopharmacology, 8(13—14): 1754—1760

Ye H, Wang K Q, Zhou C H et al., 2008. Purification , antitumor and antioxidant activitiesof polysaccharides from the brown seaweed. Food Chemistry, 111(2): 428—432, doi: 10.1016/j. foodchem.2008.04.012

Zhang J J, Zhang Q B, Wang J et al., 2009. Analysis of the monosaccharide composition of fucoidan by precolumn derivation HPLC. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 27(3): 578—582, doi: 10.1007/s00343-009-9205-0

Zhang Q B, Li N, Zhao T T et al., 2005. Fucoidan inhibits the development of proteinuria in active Heymann nephritis. Phytotherapy Research, 19(1): 50—53, doi: 10.1002/ptr.1623

Zhang Z, Till S, Jiang C et al., 2014. Structure—activity relationship of the pro-and anticoagulant effects offucoidan. Thrombosis and Haemostasis, 111(3): 429—437, doi: 10.1160/ TH13-08-0635

Zhang Z Y, Teruya K, Eto H et al., 2011. Fucoidan extract induces apoptosis in MCF-7 cells via a mechanism involving the ROS-dependent JNK activation and mitochondria—mediated pathways. PLoS One, 6(11): e27441

A Study on the Structure and Activity of Fucoidan

WANG Jing1, 2, ZHANG Quan-Bin1, 2*

(1. Institute of Oceanology Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Qingdao National Laboratory and Marine Science and Technology, Marine Biology and Biotechnology Laboratory, Qingdao 266071, China)

Natural polysaccharides made predominantly of sulfated α--fucose residues are known as fucoidan. They are present in brown algae and in some marine invertebrates. The amount of fucoidan in brown algae varies from 20% in Fucus to 2% in Laminaria. Fucoidan, over the past few years, has attracted steady attention as a readily accessible biopolymer possessing diverse biological activity. Algal fucoidans have much more complex and heterogeneous structures devoid of regularity. It is noteworthy that fucoidans isolated from species belonging to different orders of brown algae differed in the structure of their main chain that was built of either 3-substituted or alternating 3- and 4-substituted α-L-fucose residues. Algal fucoidans are mainly composed of sulfated fucose. As the type of their glycosidic bond and sulfate group distribution are still under debate, their molecular structure remains to be strongly established. Fucoidan displays diverse biological activity with potential medicinal value, such as being an anticoagulant, antithrombotic, anti-inflammatory, antitumor, contraceptive, antiviral, and antioxidant. This review discusses the different extraction methods, purification methods, the structural features, and activities of fucoidan.

Fucoidan; structure; biological activity

TS255.1

10.12036/hykxjk20170811001

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41406144); 中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)基金項(xiàng)目(2016190)。王 晶, 女, 副研究員, 主要從事海洋藥物開(kāi)發(fā)和海藻資源高值化利用研究, E-mail: jingwang@qdio.ac.cn

張全斌, 男, 研究員, 博士生導(dǎo)師, 從事海藻化學(xué)與海洋藥物研究, E-mail: qbzhang@qdio.ac.cn

2017-08-11,

2017-08-24