维普资讯 http://www.cqvip.com 第21卷第5期 2002年9月 无锡轻工大学学报 Journal of Wuxi University of Light Industry Vo1.21 NO.5 SeP. 2002 文章编号:1009—038X(2002)05—0487—05 (1—3)一l3一D一葡聚糖构象的理论分析 杨海龙, 吴天祥, 章克昌 (江南大学生物工程学院,江苏无锡214036) 摘要:利用分子力学(MM2)方法计算了(1—3)一B—D一葡聚糖二糖结构单元全局最低能量构象,在 此基础上搭建相对分子质量分别为2.05 X 10 和1.026×10 的(1—3)一B—D一葡聚糖片段并进行分 子几何全优化.结果表明,(1—3)一J3一D一葡聚糖的能量最低构象为单螺旋结构并且亲水性基团(多经 基)位于螺旋体的表面,从而认为这种构象可能是其具有刺激免疫和抗肿瘤活性的分子基础, 关键词:(1—3)一8 D一葡聚糖;构象;分子力学 中图分类号:O 636.1 文献标识码:A Conformational Analysis of(1 3)一 —D-glucans by Molecular Mechanics YANG Hal—long, WU Tian—xiang, ZHANG Ke—chang (School of BiotechnoIogy,Southern Yangtze University,Wuxi 214036,China) Abstract:According to the global minimum of disaccharide unit of(1—’3)一J3一D—glucans,the structures with the molecular mass of 2.05 X 10 and 1.026 X 10 were built.and then optimized by molecular mechanics(MM2).The result showed that(1 3)一B—D—glucans should contain single helical structure with hydrophille(polyhydroxylated)groups on the outside surface of the helix.This conformation is assumed tO show immunological activity and antitumor activity. Key words:(1—’3)一J3一D—glucans;conformation;molecular mechanics 多糖作为一类具有生物活性的物质,正日益受 到人们的重视.据报道,许多不同来源(主要是来自 植物和微生物)的多糖具有刺激免疫、抗肿瘤的活 性.它们的抗肿瘤作用并不像化疗那样直接杀死癌 强的刺激免疫和抗肿瘤活性并已在临床应用n ]. 但是,在对(1—3)一B—D一葡聚糖的抗肿瘤活性机理 (如具抗肿瘤活性多糖的相对分子质量大小、构象 等)的认识上,目前尚无定论.Ohno等人[6--8]研究 发现,含有(1—6)分支的(1—3) J3一D一葡聚糖刺激免 疫与抗肿瘤作用的活性构象为3股螺旋结构。而 Saito等 ,9j则发现,(1—3) J3一D 葡聚糖的单螺旋构 象是其生物活性的基础,而Demleitner等【∞]研究后 认为,(1—3)一8一D一葡聚糖的构象对其活性的影响并 非主要的。B一(1—3)一糖苷键才是其具有抗肿瘤活性 细胞,而是通过刺激免疫来增强机体的抗肿瘤能 力.医药学上将其归类为生物反应调节剂(biological response modifiers,BRM).显现生物活性的多糖,其 结构主要是具分支的(1—3)一8一D一葡聚糖,如分别从 Schizophyllum commune,Lentinus edodes,Gano— derma lucidum等担子菌纯化出的裂褶菌素、香菇 多糖、灵芝多糖都以这种结构为主。它们表现出很 收稿日期:2002—03—28;修订日期:2002—06—21. 作者简介:杨海龙(1969一),男,浙江永嘉人,博士研究生 的关键.化合物的生物活性是由其分子结构(含构 维普资讯 http://www.cqvip.com 488 无锡轻工大 学 学 报 第21卷 象)决定的,因此研究清楚(1—3).B.D.葡聚糖的构 象将有助于从分子结构上推测其刺激免疫和抗肿 瘤活性的机理.为此,作者利用分子力学(MM2)计 元,并标出了各原子序数.描述主链构象的二面角 标注如下: =Os 一C1 一O3一C3 =算软件对(1-+3)一B—D一葡聚糖进行了分子模拟及构 象优化,探讨其在稳定状态下的优势构象,以期进 一C1 一O3一C3一C4 葡萄糖基上羟甲基的取向由下列二面角决定: =步研究其刺激免疫和抗肿瘤活性的分子机理. O7一C6一C5一O5 O7 一C6 一C5 mO5 =1 计算方法 -一CH20H 图1 (1—3).p-D.葡聚糖的二糖结构单元 斗 Chem3D上搭建不同分子量的(1—3)一B—D一葡聚糖结 构片段,并以MM2进行分子几何全优化. Fig.1 Schematic illustration of the disaccharide repeating units of【1 3)- D-glucans 本研究中所有计算都是以分子力学(MM2)计 算程序(组合于CambrigeSoft公司发行的Chem3D) 在个人计算机(CPu850MHz)上进行,计算过程中 MM2的收敛准则(RMS)全部设定为0.05.由MM2 2结果与讨论 多糖的构象主要是由其主链上的二面角 和 计算出的总立体能(steric energy)直接用于各个构 象的比较.具体计算过程如下: 第一步:以Chem3D搭建(1—3)一B—D一葡聚糖的 二糖结构单元并用Gaussian98(HF/sto一3G)进行全 决定的,并可由其二糖结构单元的( 一 )势能 图近似地描述H .根据这一构想,首先计算出了(1 —3)一B—D一葡聚糖二糖结构单元的( 一 )能量等 值图(见图2a),其能量值范围每个分子为166.062 -优化(计算时C1联接一OCH3,o3 联接一CH3),得 二糖结构单元的起始结构为: =一57.595。, = 一120.241。, 50.522。. =一57.950。,)[ =一50.522。, =一81.298。. = 279,79 kJ,可见其能量最低构象在 =一60。, :90。.为了外推(1—3)一B—D一葡聚糖的结构,计算 一第二步:以30。为单位分别改变 和 (从 一二糖结构单元的( 一 )能量等值图(见图2b)同 样重要,其能量值范围每分子为150.99~202.3 kJ, 从图中可见其能量最低构象在 一180。到180。)进行各构象的能量计算,在计算中先 固定 和 ,键长、键角及其它二面角都可自由活 动.所得能量最低构象再进行包括 和 在内的 =60。, : 180。(或180。).在羟甲基取向分析时,羟甲基的取 分子几何全优化. 第三步:采用类似的方法,以30。为单位分别改 变 和 (从一180。到180。)进行各构象的能量计 算.所得能量最低构象再进行包括 和 在内的 分子几何全优化. 第四步:羟甲基取向分析. 和 分别依次设 定为一60。,60。,180。(3个交错式角度,staggered 向以旁一反式系统(gauche/trans system,g/t)描 述【 J,gg=一60。,gt=60。,tg=180。,所以 和 各自被设定为一60。,60。,180。,并进行分子几何全 优化,结果见表1.由表1可知, 为一60。,而 分 别为一60。和60。时,两者的能量相近(每分子立体能 仅相差约0.0475 kJ).经反复计算,得(1—3)一 【)_葡 聚糖二糖结构单元的最低能量构象为 =85.498 , =一65.033。, =56.079。, =一58.866。, = forms)进行计算n川,从而得到二糖结构单元的全局 能量最低构象(global minimum). 74.986。, =一169.511。,这一构象即为(1—3)一日. 第五步:以(1—3) B—D一葡聚糖二糖结构单元的 全局能量最低构象为其亚结构(substructure),在 D一葡聚糖二糖结构单元的全局能量最低构象(见 图3). 维普资讯 http://www.cqvip.com 第5期 杨海龙等:(1—3)一B—D一葡聚糖构象的理论分析 180 489 120 60 e e -0 60 ‘120 .180 ・180 ・120 -60 0 。60 120 180 图2二面角能量等值图(a. Fig.2 Iso.energy contour maps(a. ;b. . ) 一 ) ;b. 表1羟甲基取向与全局最低构象分析 Tab.1 Search of different hydroxymethyl orientations and global minimum 注:*全局最低构象 图3二糖结构单元的全局能量最低构象 Fig.3 The global minimum of disaccharide unit 根据(1—3)一B.D一葡聚糖二糖结构单元的全局 能量最低构象,以Chem3D搭建了相对分子质量各 螺旋结构(single helical structure),并且亲水性基团 (多羟基,polyhydroxy)位于螺旋体的表面. 为2.05×10 和1.026×10 的(1—3)一B—D.葡聚糖 片段,并以MM2进行了分子几何全优化,结果见图 4.由图4可见(1—3)一B—D一葡聚糖片段的构象为单 活性物质是通过与其生物受体(多数为细胞膜 表面蛋白)的直接相互作用(立体相互作用、轨道相 互作用、电性相互作用等)或间接作用,并引起生物 维普资讯 http://www.cqvip.com 490 无锡轻工大 学 学报 第21卷 体内一系列生理生化反应而显现其生物活性的,多 糖类物质也不例外.研究清楚(1--"3)-13 D一葡聚糖的 构象将有助于从分子结构上推测其刺激免疫和抗 肿瘤活性的机理,并有助于研究其生物受体.从现 对分子质量达1.026×10 ,其构象仍为单螺旋结 构,支持Bohn等人的结论.基于本研究的结果—— (1—3)廿D一葡聚糖的活性构象为单螺旋结构,并且 亲水性基团(多羟基)位于螺旋体的表面,因此认为 (1—3)一8一D一葡聚糖与其受体(可能是细胞膜表面蛋 白)的作用包括立体相互作用和电荷相互作用,单 螺旋结构有助于其与受体匹配,而表面的多羟基与 受体通过弱作用力或氢键使它们相互结合并引起 有文献看,研究活性多糖(主要是不同分支的(1— 3)一8一D一葡聚糖)的构象主要是采用比旋光法、特性 粘度法、核磁共振法、隧道扫描电子显微镜法, 或根据与刚果红结合后最大吸收波长的改变进行 推测,以及化学计算法等[2~10,¨].计算化学(包括基 受体构象的变化,从而激发生物体内的生理生化反 应.单螺旋结构并且多羟基位于螺旋体的表面是(1 于分子力学计算和量子力学的计算)借助于计算机 可对活性物质(合成的或天然的)的分子结构(构 象)及其性质进行研究,特别适用于实验方法费时、 —3)一 一D一葡聚糖显现生物活性的分子基础. 费力或难于用实验手段解决的问题,但选择合适的 计算方法很重要.Liu等人的研究表明,MM2是一 种适用于研究糖类物质的分子力学计算程序L1 ’1 . 由于(1—3)一 一D.葡聚糖的结构不同(线性,或具有 不同的分支,或分支所联基团的差异)及所采用测 定构象方法的差异,文献所报道的(1—3)一8一D一葡聚 糖的构象各不相同.Kulicake等研究了(1—3)一8一D一 葡聚糖的结构与免疫活性的关系后,认为包含单螺 旋结构的(1—3). —D一葡聚糖才具有生物活性[14 J, 鲍幸峰等也报道从Ganoderna lucidum孢子中分离 纯化得到的多糖含有单螺旋结构并显现出很强的 抗肿瘤活性L5 J.Bohn等认为(1—3)一8一D一葡聚糖的 抗肿瘤活性是由其主链上的单螺旋结构赋予的,或 许是3股螺旋结构,但最重要的是亲水性基团(多 羟基)位于螺旋体的表面….在本研究中采用分子 力学(MM2)对(1—3)一8_D一葡聚糖的构象进行研究, 表明(1—3)一 —D一葡聚糖的构象为单螺旋结构并且 亲水性基团(多羟基)位于螺旋体的表面.或许(1— b 3)一G—D一葡聚糖在相对分子质量更大时是折叠成3 股螺旋结构,或缠绕结构中含单螺旋体,但当它在 a.2.05×10 :b.1.026×10 机体内降解后肯定有相对分子质量较小的片段(可 能这些片段才表现出生物活性).本研究中最大相 图4不同相对分子质量(1—3). I)-葡聚糖的全优化 构象 Fig.4 The optimized conformation of(1—3)- D・glu- cans with different molecular mass 参考文献: [1]BOHN J A,BEMILLER J N.(1—3)一p—D—glucans as biological response modifiers[J].Carbohydr Polyme ̄,1995,28:3—14alkaline extract of Amanita muscaria[J].Carbohydr Res,1992。224:237—243. [3]CHEN J H,ZHOU J P,ZHANG L N, a1.Chemical structure of the water—insoluble polysaccharide isolated fr0m the fruiting body of Ganoderma lucidum[J].Polymer Journal,1998,30(10):838—842. . [2]KIHO T,KATSURAGAWA M,NAGAI K,et a1.Structure and antitumor activity of a branched(1—3)一G—D—glucan fr0m 维普资讯 http://www.cqvip.com 第5期 杨海龙等:(1—3)一口一D一葡聚糖构象的理论分析 491 [4]WANG S Y,HSU M L,HSU H C,et a1.The antitumor effect of Ganoderma Lucidum is mediated by cytokines released from activated macrophages and T lymphocytes[J].International journal of cancer,1997,70(6):699—705. [5]鲍幸峰,董群,方积年.赤芝孢子粉葡聚糖LB—NB的结构与构象[J].生物化学与生物生理学报,2000,32(6):557—561. 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(责任编辑:杨萌) 欢迎订阅2003年《粮食科技与经济》(双月刊) 探索理论 宣传 传播知识 交流经验 推广成果 培养人才 《粮食科技与经济》杂志是国内外公开发行、全国惟一一家融自然科学与社会科学为一体的 综合性粮食刊物。辟有:专家论坛、改革探索、市场分析、营销谋略、现代管理、仓储科技、食品工 程、饲料世界、信息技术、行业态势、产业化经营、饮食科苑、问题思考、银企连线、国外粮农、纵横 录、资料窗等栏目。 邮发代号:42—167,国内统一刊号:CN43—1252/TS。 本刊利用封面或插页刊登彩色(黑白)广告,价格从优。 在校学生或下岗职工(附有关证件复印件)可享受半价优惠。 订阅办法:(1)全国各地邮局征订;(2)直接向杂志社订阅。本刊每期定价8.00元,全年合 计48.00元。 银行汇款户名:<粮食科技与经济>杂志社,开户银行:长沙市工行伍家岭支行,帐号: 1901010009014406305;邮局汇款410008;联系电话长沙市芙蓉北路6号(粮食科技与经济>杂志社;邮政编码: (0731)4497427、4497361;传真:(0731)4497427;E—mail Lskjjj@163.net