海藻糖

海藻糖
首选IUPAC名
α-D-吡喃葡萄糖基 α-D-吡喃葡萄糖苷
系统IUPAC名
(2R,3S,4S,5R,6R)-2-(羟甲基)-6-[(2R,3R,4S,5S,6R)-3,4,

5-三羟基-6-(羟甲基)氧杂环己烷-2-基]氧基氧杂环己烷-3,4,5-三醇

别名 α,α-海藻糖，蕈糖，海藻双糖
识别
CAS号 99-20-7（(无水物)）  checkY
6138-23-4（(二水合物)）  ☒N
PubChem 7427
ChemSpider 7149
SMILES
 
  • OC[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O1)O[C@@H]2[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O2)CO
InChI
 
  • 1/C12H22O11/c13-1-3-5(15)7(17)9(19)11(21-3)23-12-10(20)8(18)6(16)4(2-14)22-12/h3-20H,1-2H2/t3-,4-,5-,6-,7+,8+,9-,10-,11-,12-/m1/s1
InChIKey HDTRYLNUVZCQOY-LIZSDCNHBN
ChEBI 16551
性质
化学式 C12H22O11 (无水物)
摩尔质量 342.296 g/mol (无水物)
378.33 g/mol (二水合物) g·mol⁻¹
外观 白色斜方结晶
密度 1.58 g/cm3 (24 °C)
熔点 203 °C（476 K）
溶解性（水） 68.9 g / 100 g (20 °C)[1]
溶解性 微溶于乙醇，不溶于乙醚和苯[2]
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。
结晶状的海藻糖二水合物粉末

海藻糖（英語：Trehalose）是一种由两个α-葡萄糖分子通过1,1-糖苷键缩合而成的非还原性双糖。在自然界中，它主要以双糖形式存在，也是部分聚合物的单体结构。[3] 此外，海藻糖还有两种立体异构体：α,β-海藻糖（新海藻糖）与β,β-海藻糖（异海藻糖）。这两种异构体在自然界中极为罕见，尚未从生物体中提取分离，不过人们曾在淀粉水解物中发现过异海藻糖的踪迹。[3] 许多细菌、真菌、植物及无脊椎动物自身能够合成海藻糖，不仅将其作为能量储备，更借此抵御冰冻、干旱等极端恶劣环境，从而维系生命。

合成

科学界目前已探明至少有三种途径可实现海藻糖的生物合成。[3] 在工业生产领域，海藻糖通常由提取玉米淀粉转化制得。[4]

物理与化学性质

化学性质

海藻糖是由两个葡萄糖分子通过 1,1-α 糖苷键相连而成的非还原糖，其系统命名为α-D-吡喃葡萄糖基­-(1→1)-α-D-吡喃葡萄糖苷。这种特殊的化学键赋予了海藻糖极强的抗酸性水解能力，使其即使处于高温和强酸性溶液中依然稳如泰山。作为非还原糖，其闭环结构十分稳固，内部的醛基或酮基端基不会与蛋白质中的赖氨酸或精氨酸残基发生糖化反应（又称美拉德反应）。在常温下，海藻糖的溶解度低于蔗糖，只有在温度超过 80 °C 时才会反超。二水合海藻糖能形成优美的菱形结晶，其热量仅为同等质量蔗糖的90%左右。无水海藻糖具有强烈的吸湿性，极易吸收空气中的水分并重新转化为二水合物。此外，经过热处理的无水海藻糖还会展现出诸多独特的物理性质。

海藻糖水溶液在不同浓度下会表现出不同程度的聚集倾向。得益于其分子间极强的氢键作用力，海藻糖会在水中自发缔合，形成大小不一的分子簇。全原子分子动力学模拟结果显示，当浓度达到 1.5 至 2.2 摩尔每升时，这些分子簇甚至会发生渗流现象，交织成连续庞大的聚集体网络。[5]

海藻糖还能与核酸发生直接的相互作用，它不仅有助于加速双链DNA的解链过程，还能有效维持单链核酸的结构稳定。[6]

生物学特性

纵观自然界，从细菌、酵母菌等微生物，到真菌、昆虫及各类无脊椎动物，乃至低等与高等植物，众多生物体内均富含合成海藻糖的酶。[3] 在动物界中，海藻糖广泛分布于虾类及各类昆虫（如蚱蜢、蝗虫、蝴蝶和蜜蜂）体内，承担着类似于脊椎动物体内“血糖”的重要生理功能。[7][8] 此外，在广泛栖息于全球各类极端环境的微型蜕皮动物——缓步动物（俗称水熊虫）体内，科学家同样鉴定出了与海藻糖酶相关的基因。[9]

对昆虫而言，海藻糖是其长途飞行时不可或缺的碳水化合物能量库。[10] 当昆虫体内的海藻糖酶切断海藻糖的糖苷键时，会瞬间释放出两分子葡萄糖，以极高的效率满足肌肉剧烈运动带来的巨大能量缺口。相比之下，多糖聚合物（如淀粉）每断裂一个糖苷键仅能释放一分子葡萄糖，海藻糖的供能效率直接翻倍。

昆虫血淋巴内的海藻糖与葡萄糖浓度受到一套精密内分泌系统的严格把控。海藻糖酶、胰岛素样肽（ILPs 与 DILPs）、脂动激素（AKH）、白细胞激肽（LK）以及章鱼胺等多种酶与激素协同作用，通过复杂的代谢反馈机制维持着体内碳水化合物的稳态平衡。[11][12][13][14]

在植物界，葵花籽、阴地蕨、海藻及多种卷柏属植物中均富含海藻糖。[15] 真菌方面，人们日常食用的诸多食用菌，如香菇（Lentinula edodes）、平菇、杏鲍菇与金针菇等，也是海藻糖的丰富来源。[16] 尤为神奇的是，生长于荒漠与高山绝境的卷柏（常被称为“九死还魂草”），即便在极度缺水、干枯濒死之际，只要迎来降水，便能在海藻糖的强大庇护下迅速返青，重焕生机。[15]

关于海藻糖如何协助生物体进入并维持隐生状态，目前学界有两派主流假说：一是“玻璃化理论”，认为海藻糖能在细胞内形成玻璃态结构，从而阻止致命冰晶的生成；二是“水置换理论”，主张海藻糖分子能够直接替代水分子，附着在结构表面防止其崩解。[9][17]

对于细菌而言，海藻糖是其细胞壁应对渗透压骤变与极端温度等严酷环境胁迫的重要防线，发挥着不可替代的结构保护作用。[18] 酵母菌则会在遭遇非生物胁迫时，将海藻糖作为救急的碳源储备。[19] 在人体医学前沿，医学界普遍推测海藻糖能有效激发细胞的自噬机制，加速清除有害的蛋白质聚集物，从而展现出可观的神经保护潜力。[20][21]

最新研究指出，海藻糖一旦与不同链长的脂肪酸发生酯化反应，便会激活卓越的药理特性，在体内外实验中均表现出显著的抑菌、破坏生物被膜以及抗炎效果。[22]

营养与膳食特性

摄入人体的海藻糖会被肠道内的海藻糖酶迅速水解为葡萄糖。这种酶广泛分布于人类等杂食动物以及草食动物肠黏膜的刷状缘中。[23]: 135  相较于直接摄入单纯的葡萄糖，食用海藻糖引发的血糖剧烈波动幅度较小。[24] 从甜度来看，在浓度高于22%的高浓度溶液中，海藻糖的甜度约为蔗糖的45%；然而随着浓度稀释，其甜度的衰减速度远比蔗糖迅猛。例如，在2.3%的低浓度下，海藻糖溶液的味觉甜度仅为同等浓度蔗糖溶液的6.5分之一。[25]: 444 

凭借其出色的降低冰点特性，海藻糖成为了冰淇淋等冷冻预制食品配料表上的常客。[24]

先天性海藻糖酶缺乏症在人类群体中极其罕见，但格陵兰因纽特人却是个特例——该族群中仅有10%至15%的个体体内能正常分泌这种酶。[26]: 197 

代谢机制

迄今为止，科学界已破译了五条海藻糖的生物合成路径。最主流的是 TPS/TPP 途径，生物体借助海藻糖-6-磷酸（T6P）合成酶（TPS）直接催化生成海藻糖。[27] 第二条途径存在于部分细菌中，海藻糖合成酶（TS）能以麦芽糖及另一种双糖为底物合成海藻糖。[28] 第三条即 TreY-TreZ 途径，部分细菌能将含麦芽寡糖或糖原的淀粉直接转化为海藻糖。[29] 第四条途径潜藏于原始古菌中，其体内的海藻糖糖基转移酶（TreT）能以 ADP-葡萄糖与游离葡萄糖为原料进行合成。[30] 最后一种则是通过海藻糖磷酸化酶（TreP），该酶通常负责将海藻糖水解为 1-磷酸葡萄糖与葡萄糖，但在特定物种内，这一反应亦可逆向进行，从而实现海藻糖的合成。[31]

与微生物的“自给自足”截然不同，脊椎动物自身完全丧失了合成与储存海藻糖的能力。[32] 人体内的海藻糖酶并非无处不在，而是精准定位于肠黏膜、肾刷状缘、肝脏及血液等关键部位。从发育阶段来看，脊椎动物体内的海藻糖酶在母体妊娠期便开始表达，于断奶期飙升至巅峰。此后，其在肠道内的活性水平便伴随个体一生，保持高度恒定。[33] 日常生活中，我们摄入的果蔬与菇类食物内天然富含海藻糖。维持适度的海藻糖摄入对肠道健康大有裨益；反之，若长期摄入极度匮乏，反而可能诱发腹泻等不良肠道应激症状。[34]

医学应用

在眼科临床治疗中，海藻糖常与透明质酸强强联手，作为缓解干眼症的优质人工泪液产品的核心成分。[35][19] 此前医学界曾有声音怀疑，高毒性艰难梭菌的院内感染爆发可能与海藻糖的广泛摄入存在关联；[24][36][37] 然而，这一假说在2019年的后续深度研究中遭到了强有力的质疑与推翻。[38]

2021年，美国食品药品监督管理局（FDA）正式为注射用海藻糖（SLS-005）开辟绿灯，不仅受理了其新药临床试验（IND）申请，更果断授予其快速通道评审资格。这一里程碑标志着海藻糖已被官方认定为有望攻克脊髓小脑共济失调3型（SCA3，马查多-约瑟夫病）的潜力新星药物。[39][40]

历史

海藻糖的发现史可追溯至1832年，德国化学家 H.A.L. 维格斯（H.A.L. Wiggers）在黑麦感染的麦角中首次捕捉到了它的身影；[41] 1859年，法国著名化学家马塞林·贝特洛成功从一种由象鼻虫分泌的甜味结晶物（Trehala manna）中分离纯化出该物质，并正式将其定名为“海藻糖”（Trehalose）。[42]

在细胞生物学领域，海藻糖长期以来被视作一种不依赖于经典 mTOR 通路的卓越自噬诱导剂。[43] 2017年的一项重磅研究进一步揭开了其作用机制的面纱：海藻糖是通过靶向激活 TFEB 蛋白来扣动细胞自噬的“扳机”的，而 TFEB 正是掌控细胞内“垃圾回收站”（自噬-溶酶体系统）运转的核心调节因子。[44][45]

参见

  • 生物停滞
  • 冷冻保护剂
  • 隐生
  • 冷冻干燥
  • Lentztrehalose
  • 海藻糖胺
  • IMCTA-C14

参考资料

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外部链接

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