氨基糖的性质、应用及市场前景

蓝 丽 陈昱锟 谭立清 蒋 雯 刘晗昱 侯向华

氨基糖的性质、应用及市场前景

蓝 丽1陈昱锟1谭立清1蒋 雯2刘晗昱2侯向华2

（1.中国科技开发院广西分院，广西 南宁 530022；2.广西产研院新型功能材料研究所有限公司，广西 南宁 530000）

氨基糖是土壤中唯一一种含氮的碳水化合物，氨基糖多作为生物标识物在研究土壤及海洋有机质中碳的来源及转化，以及医疗方面发挥着重要作用。随着氨基糖的应用前景越加广阔，人们对于氨基糖的研究越加关注和深入。文章主要对氨基糖的性质、应用及市场前景进行综述，以期为今后氨基糖的研究提供参考。

氨基糖；性质；应用；市场前景

引言

氨基糖是一种氨基将糖上的羟基取代所获得的有机化合物的总称[1]，常作为生物有机体成分。它一般是在各自专性生物合成酶的作用下，在磷酸酯或糖核苷酸的阶段由氨或谷酰胺经氨基转移而形成的。最常见的是葡糖胺和半乳糖胺，这两种都是六碳糖上的第二位羟基为氨基所取代。葡糖胺多存在于几丁质多糖中[2]，而半乳糖胺则是皮质素、硫酸软骨素、动物组织和软骨中的多糖的组成单元。胞壁酸是细菌特有的氨基糖，存在于细菌细胞壁的肽聚糖中[3]。较常见的还有存在于藻类和细菌产物中的甘露糖胺，它是膜糖脂中唾液酸的结构骨架。神经氨酸是一种第五位羟基为氨基所取代的九碳糖。除此之外，第二位糖以外的糖被氨基所取代的氨基糖也比较常见，它们大多存在于微生物体内的核多糖非、糖苷以及抗生素中。例如唾液酸（5-氨基-5-脱氧的九糖的衍生物），以复合物的形式存在于动物来源的黏多糖，以及链霉素、赤霉素、庆大霉素等临床抗生素中。

氨基糖在细胞表面也发挥重要结构作用，其不仅是细菌细胞壁肽聚糖、真菌细胞壁几丁质和动物细胞的细胞外基质的关键组分，同时它也是蛋白质修饰包括N-糖基化、O-糖基化及GPI糖脂合成的原料[4,5]。氨基糖代谢的不平衡对细胞生长有害[6]，因此细胞必须协调胞外摄取的外源氨基糖、胞内氨基糖的重头合成，氨基糖作为营养的代谢途径以及用于蛋白质修饰和细胞骨架合成之间的平衡。氨基糖不仅在细菌、真菌及动物细胞表面发挥重要的结构作用，同时也是蛋白质N-糖基化、O-糖基化及GPI糖脂合成的必需糖。

氨基糖广泛存在于土壤及海洋有机质中，并参与土壤及海洋中的碳氮循环。在土壤中，矿质态氮能够迅速被土壤微生物吸收并储存在氨基糖等微生物活性较高的临时氮库中，从而降低矿物质氮的损失。如今，氨基糖已被用作指示微生物对土壤有机质转化和固存的生物标志物。在土壤中有机碳、氮中，氨基糖占比分别为6%～12%[7]和5%～10%[8]；在海洋沉积有机碳、氮中，其占比则分别为1.6%～2.1%[9]和2.7%～3.9%[10]。目前，研究者已经从微生物中识别出26种氨基酸，而可被定量的只有甘露糖胺、葡萄糖胺、半乳糖胺和胞壁酸4种[11]。

1　氨基糖的性质

氨基糖为固态，本身具有较强的异源性和稳定性[12]，但它的挥发性和热稳定性较差、沸点高[13]。氨基糖是活性较高的有机质，它的活性高于有机碳、氮，会比有机碳、有机氮优先降解。由于氨基糖具有较多的羟基，因此极性大且易溶于水。除此之外，氨基糖还可发生以下化学反应。

1.1　乙酰化反应

在不同条件下，氨基糖的羟基和氨基都能发生乙酰化反应。在乙酸酐的醇溶液或水溶液中，氨基糖的盐释放出的游离氨基能够被选择性的N-乙酰化。例如以D-氨基葡萄糖为底物，在甲醇-三乙胺体系中，以苯甲酰氯作为酰化试剂，经选择性N-酰化反应合成得到N-苯甲酰基-D-氨基葡萄糖[14]。

而在酸性介质中，氨基被质子化而不再具有亲核特性，此时，氨基糖上的羟基能够选择性的与酰基卤代物发生酰化反应。

1.2　烷基化反应

氨基糖的甲基化反应是先使氨基糖发生甲酰化反应，再进行甲酰胺基的还原最后得到甲基化产物。而对于氨基糖的羟基进行甲基化反应，一般是氨基糖上的氨基先进行乙酰化反应，然后游离羟基进行甲基化反应，最后脱掉氨基上的乙酰基从而实现羟基的烷基化反应。

1.3　亚硝酸脱氨反应

氨基糖在经亚硝酸处理重氮化后生成不稳定的重氮盐，它能很快裂解生成氮气和碳的阳离子，该阳离子可与溶剂或者可能的分子发生内亲核反应，或者Wagner-Meerwein重排。例如1, 2, 3, 4-四-O-乙酰基-6-氨基-6-脱氧-D-葡萄吡喃糖经过重氮化后生成不稳定的重氮盐，这种重氮盐可直接与水反应生成6-羟基糖的四乙酸酯[15]。

1.4　与酸或碱反应

氨基糖均为碱性化合物，能与无机酸生成结晶盐。它的碱性随氨基在糖链上位置的变化而不同，但均比环己氨碱性弱，这可能是由于临近碳原子上的氧取代基的诱导效应，当端基未被保护时，2、3及6位碳上存在氨基的糖在酸中比较稳定。在碱性溶液中，糖上2和3位碳上的氨基不稳定，容易成为亚氨基化合物，在进行水解失去氨基。4、5位上存在氨基的糖在碱中比较稳定。

1.5　取代反应

酰胺基糖磺酸酯化合物中的磺酸酯基，能够通过邻位反式的酰胺基的氮原子的邻基参与而发生取代反应，生成氮三元环。例如3-O-对甲苯磺酰基葡萄糖苷在异丙醇钠试剂的催化下，生成2, 3-二-脱氧-2, 3-环亚胺—阿罗吡喃糖苷[15]。

1.6　颜色反应

氨基糖的检测有两个灵敏的颜色反应，分别是Morgan-Elson试验和Elan-Morgan试验。Morgan-Elson试验：在碱性条件下，2-乙酰胺基糖遇4-(二甲基胺)苯甲醛试剂产生红色。Elan-Morgan试验：2-氨基糖遇类似试剂亦产生红色[16]。

2　氨基糖的研究现状

氨基糖不仅在细菌、真菌及动物细胞表面发挥重要的结构作用，同时也是蛋白质N-糖基化、O-糖基化及GPI糖脂合成的必需糖。氨基糖衍生物是一种有生物活性的物质，可以被应用到医药、生物学和化学等学科领域。氨基糖在合成氮杂糖和多糖中具有重要的作用，很多氨基糖衍生物对疾病都发挥重要的作用，氨基糖的结构单元在很多糖普抑制剂和骨架中都存在。在自然界中存在的一种氨基糖是2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，它在海洋生物中存在非常丰富，特别在虾壳、蟹壳中的含量非常丰富。

多年来，研究者们多利用氨基糖作为生物标识物，对土壤及海洋中的含碳有机质中的碳、氮的来源及转化进行研究。另外，氨基糖在医药方面也发挥着越来越重要的作用，在化学、生化、医药和制药领域有着广泛的应用，治疗疾病的药物，如糖尿病和癌症，炎症和病毒感染，包括艾滋病毒而在其他方面的文献资料相对较少[17]。

2.1　作为生物标识物

氨基糖作为一种微生物来源物质，具有较高的稳定性，也常作为土壤及海洋微生物残留物的标识物[1]。近年来，很多研究学者利用氨基糖作为生物标识物来探究相关土壤中碳、氮循环等问题。李秀秀[18]、Ni[19]等就利用氨基糖作为标识物来测定区分土壤碳来源。同年，赵博[12]系统地分析了经长期施肥和地膜覆盖后棕壤中氨基糖的积累特征，有助于研究土壤中来源于真菌和细菌的残留碳氮的去向、从微观角度阐明微生物对土壤有机质转化和截获的贡献以及区分真菌和细菌在土壤有机质循环过程中的相对贡献。胡国庆[20]等以氨基糖作为标识物，研究了某垦殖区垦殖过程中两种盐渍土氨基糖数量的变化特征, 并探讨了盐渍化程度对土壤氨基糖累积特征的影响以及真菌和细菌在氨基糖累积过程中的相对贡献。同样，李俊娣[21]、宁赵[22]、井艳丽[23]、Hu[24]等亦以氨基糖作为微生物残留物的标识物，来了解真菌和细菌残留物的积累与转化，试图真菌和细菌在养分转化中的作用。吕慧捷等[25]通过研究在玉米生长不同时期，单纯添加肥料及肥料与秸秆配合添加时，土壤氨基糖的变化情况，来判断微生物来源物质的变化特征，为探索土壤有机质循环和碳、氮截获提供有力依据。也有利于土壤有机质循环周转的关键因子的探索。

氨基糖是海洋中唯一一种含氮的碳水化合物，其广泛存在于浮游动物、浮游植物及细菌有机质中，且在不同生物体内的含量和组成结构不同。因此，可利用氨基糖在环境中的含量及组成来判断有机质的来源。任成喆等[26]亦利用氨基糖及相关生化和水文参数对近海区域有机质来源，活性和降解状态的分布特征和季节变化进行了研究，探讨了影响有机质来源、活性和降解状态的因素，并且估算了细菌有机质对有机碳的贡献率。

2.2　应用于医药

氨基糖类药物在许多疾病的治疗和预防方面都有极其重要的作用。而目前对于氨基糖类药物的开发还存在一定的欠缺。

随着时代的不断发展，肿瘤成为影响人类生命健康的重大疾病之一。加强有效抗击肿瘤药物的研制对治疗肿瘤疾病有着极其重大的意义。以氨基糖为主要成分的糖类药物在治疗肿瘤疾病方面取得了有效的成果，目前氨基糖糖类药物已应用于肿瘤的临床治疗。这是由于氨基糖类药物能够对宿主细胞的免疫进行调节，从而使胸腺的免疫系统能够正常发挥作用，从而预防肿瘤细胞对于正常细胞的侵害[27]。此外氨基糖类药物还能在一定程度上加速T淋巴细胞的生长和牛白介素的生成，对肿瘤细胞的杀害及清除有重要的作用。另外，氨基糖也有利于阿尔茨海默病的治疗。与传统治疗阿尔茨海默病的方法相比，其疗效和降低副作用方面都具有一定的优势。糖胺聚糖是该病发生的关键性物质，而氨基糖主要通过抑制糖胺基糖的生成来治疗阿尔茨海默病，另外氨基糖还能加强体内线粒体的修复，是其能够恢复到原来的状态，这对于阿尔茨海默病的治疗具有极大重要作用[28]。氨基糖还参与了水凝胶的制作，这对于水凝胶相关性能的提升具有重要意义[29]。氨基糖对受损心肌细胞和心肌组织还具有保护作用[30]，李南[30]对几种氨基糖对受损心肌细胞和心肌组织的保护作用进行了研究。研究表明，氨基糖能够促进受损心肌的修复，并对受损心肌具有保护作用。

全球每年因细菌感染而死亡的人数成千上万，现今临床上大多使用抗生素来抑制细菌感染，然而，由使用抗生素所引发的细菌抗药性增强的问题日益突出。中国科学院成都生物研究所天然产物研究中心研究员邵华武课题组与国家纳米科学中心研究员蒋兴宇课题组共同研发出一种氨基糖与金纳米复合材料，这种材料利用由于革兰氏阴性菌与阳性菌细胞壁结构的不同，通过对革兰氏阳性菌细胞壁的破坏来抑制其生长[31]，从而达到了对有益菌的破坏和防止菌群失调的目的。

蛋白质的非酶糖基化反应是糖尿病慢性并发症的重要发病机理之一。赵一秀等[32]对南瓜多糖中的特征性官能团与其抗蛋白质非酶糖基化反应之间的关系进行了研究。结果表明，南瓜多糖中氨基糖对于其蛋白质非酶糖基化反应具有抑制作用。这可能是因为氨基糖中游离的氨基本身可参与羰氨反应，可防止蛋白质参与非酶糖基化反应，进而阻止蛋白质变性。这一研究为糖尿病并发症的药物筛选提供了选择。董陆陆等[33]考察了泥鳅分泌多糖的体外抗氧化能力，结果表明：分泌多糖中含有的氨基糖具有明显的清除氧自由基的能力，这对生物活性和药用价值都具有重要意义。吕寒等[34]对蚕沙总亚氨基糖类成分的富集纯化及提取物对α-葡萄糖苷酶的抑制活性进行了研究。结果表明，蚕沙中富集纯化的总亚氨基糖类提取物具有良好的降血糖活性。

2.3　应用于农作物

尖孢镰刀菌古巴专化型是导致香蕉减产的主要病原真菌，它可在土壤中存活多年，致使香蕉枯萎病的发生。丁兆建等[35]在研究尖孢镰刀菌古巴专化型厚垣孢子形成机制过程中，通过添加氨基糖试验发现，氨基糖N-乙酰葡糖胺可通过调控细胞壁的合成来抑制厚垣孢子的形成，从而防止香蕉枯萎病的发生。这一研究为香蕉枯萎病的防治提供了新思路。吕慧捷等[25]研究玉米不同生育期土壤氨基糖动态变化特征过程中发现，土壤中的氨基糖在作物不同时期可以作为碳氮源应用于植物和微生物中，土壤中氨基糖可以在作物不同时期作为碳、氮源被更高效的利用。

2.4　其它

氨基糖还可应用于实验器材，刘宇[36]采用晶种法水热合成了一种ZSM-5沸石分子筛，这种分子筛就利用了氨基糖来促进分子筛的生长。Rohan等[37]研究氨基糖类荧光化学传感器，在报告中描述了一系列多齿BINOL基磷酸在荧光化学传感氨基糖方面的应用。研究表明，一个宿主选择性结合半乳糖胺，而另一个宿主同时结合葡萄糖胺和甘露糖胺。这使得一类新型的磷酸盐基超分子主体能够基于荧光检测和区分氨基糖。

3　市场前景

氨基糖的市场应用主要还是集中在药物方面，其它方面的研究报道相对较少。就现有的文献以及研究表明，已经有许多氨基糖类药物应用于市场，并且具有很大的发展潜力。例如，氨基糖类药物在治疗肿瘤方面具有显著的疗效，并且一些药物已经应用到肿瘤的临床治疗中。此外，研究表明氨基糖类药物在治疗老年人阿尔茨海默病方面，与传统治疗法相比具有显著的优越性[25]，医疗者们若对此方面加以重视，在未来具有很大的应用市场。研究学者研究出的氨基糖与金纳米复合材料可抑制革兰氏阳性菌的生长，这种材料在动物体内抗菌和伤口愈合实验中表现出优越的抗菌效果，有望应用于临床抗菌中。水凝胶作为药物载体与其他载体相比具有很大的优越性。而氨基糖在水凝胶的制作过程中对于其性能具有很大的改善作用，因此，其在水凝胶方向的市场亦不容小觑。氨基糖类药物在许多疾病的治疗与防治方面发挥着重要作用，但目前的医疗水平有限，还有许多氨基糖类药物有待开发。相关医疗机构与研究者们若对于氨基糖加以合理利用，其对于医疗事业的贡献是无可限量的。

4　结束语

综上所述，氨基糖在医药、生物标志物等领域的应用，使得其应用前景更加广阔。在生物标志物方面，根据土壤中氨基糖变化特征，学者们从微生物学的角度阐述土壤有机质循环机理，结合稳定同位素示踪技术，在以后也能更加系统地对土壤有机质变化与调控进行更深入的研究，评估和监控土壤中有机质的指标体系和量化表征理论。在医药方面，氨基糖在疾病的治疗中发挥至关重要的作用。

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Properties, Application and Market Prospect of Amino Sugar

Amino sugar is the only nitrogen-containing carbohydrate in soil. As a biomarker, amino sugar plays an important role in studying the source and transformation of carbon in soil and marine organic matter, as well as medical treatment. With the wider application prospect of amino sugar, people pay more and more attention to the research of amino sugar. This paper mainly reviews the properties, application and market prospect of amino sugar, in order to provide reference for the research of amino sugars in the future.

amino sugar; properties; application; market prospect

O622

A

1008-1151(2022)01-0044-04

2021-09-24

蓝丽（1970－），女，中国科技开发院广西分院工程师，从事科技项目评估、验收工作。