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    甘油葡糖苷——結構與作用機理

    2023-05-29 10:27:35


    甘油葡糖苷——結構與作用機理

    很久之前,科學家發現把一個細胞扔到水(低滲溶液)里,它能迅速吸水膨脹,如果只是滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)導致的細胞吸水,不可能有這么快,那應該還有其他的機制,不過遺憾的是科學家一直沒弄明白。

    1988年,彼得·阿格雷(Peter Agre)在分離紅細胞膜上Rh多肽時發現一種含量豐富的小型蛋白質,他們分離并測定了它的氨基酸序列,然后克隆了DNA,將轉錄的mRNA(mRNA是轉錄RNA,可以表達相應的蛋白質)注入到非洲爪蟾的卵母細胞中,發現在低滲溶液中,卵母細胞迅速膨脹,并于5min內破裂(見圖1),而沒有注射這個mRNA的卵母細胞基本沒有變化。最終他們確定了在細胞膜上存在轉運水的特異性通道蛋白,就是我們熟知的水通道蛋白(aquaporin, AQP,也稱為水孔蛋白)。這是一個很重大的發現,也讓阿格雷獲得了2003年的諾貝爾化學獎。

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    圖1. 注入AQP1水通道蛋白mRNA的蛙卵細胞在低滲溶液中迅速膨脹(上),沒有注射的細胞基本沒有變化

    目前在哺乳動物中一共發現了13種水通道蛋白,有些水通道蛋白只能專一性的讓水通過,比如AQP1(見圖3),它存在于腎臟,用于水分再吸收。有些水通道蛋白可以允許甘油通過,例如AQP7,它是脂肪細胞唯一的水甘油通道蛋白,可以將甘油從脂肪細胞轉運至血液。

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    圖2. 水通道蛋白示意圖

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    圖3:AQP1的電鏡結構,4個AQP1蛋白質構成一個四聚體,分布在磷脂雙分子層上,每個水通道蛋白分子單體的中心存在一個只允許水分子通過的通道管。

    皮膚上也存在水通道蛋白,編號AQP3,它表達于表皮基底層的角質形成細胞,可以轉運水、甘油和尿素到達表皮,促進角質層的水合作用,是維持皮膚水合作用的一個關鍵因素,一個AQP3分子每秒鐘可以允許30億個水分子通過,使細胞快速調節自身體積和內部滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓),因此AQP3與皮膚保濕功能關系非常密切。紫外線和重金屬(例如汞最初用來抑制水通道蛋白)可以導致角質形成細胞膜上的AQP3表達下調,從而導致皮膚干燥,角質層水合作用下降,皮膚彈性下降。另外AQP3與細胞的遷移以及皮膚的創傷愈合也有密切關系。

    生命總是如此神奇,細胞膜的磷脂雙分子層是一層水-油-水的結構(見圖2),以保證細胞的結構穩定,水分子透過這層膜很慢,于是有了專一轉運水的通道(其他物質透過細胞膜都是很慢的,所以細胞膜上有各種通道來高效轉運物質)。

    保濕是護膚的基礎,在化妝品中我們一直采用吸水性很強的透明質酸、多元醇、氨基酸等親水成分來絡合水分子,用礦油、動植物油等疏水成分來封閉,防止水分散失。

    其實皮膚補水并不是通過外界,而是通過真皮層來補水,圖4顯示了皮膚表層水分梯度,從基底層到角質層,水分含量逐漸降低。皮膚通過從真皮層吸收水分一級一級傳遞到角質層,來保持皮膚的水性環境,而化妝品中99%的水分并沒有進入皮膚。那我們平時用的保濕劑例如透明質酸、甘油、氨基酸保濕劑是如何起作用的呢?

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    圖4. 皮膚表層水分梯度

    有試驗已經證明,分子量小于5000的透明質酸可以進入真皮層,由于透明質酸就有極其優秀的保濕能力,所以進入皮膚之后,能牢牢地鎖住水分,讓細胞浸潤在濕潤的環境中。天然保濕因子也是這個原理,當然甘油、氨基酸保濕劑可以進入細胞,為細胞提供滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓),便于細胞吸水。高分子量的透明質酸由于只能停留在角質層,能夠提供一層濕潤的水層保護。所以透明質酸鈉大分子和小分子配合使用,能起到更好的保濕作用。曼秀雷敦通過科學的搭配,研制的肌研水通過保濕實現了更好的抗衰功能,也被市場廣泛認可。

    說了這么多,我們的主題——甘油葡糖苷,這個原料為我們補水帶來了一個新的突破,它可以加強表皮細胞中水通道蛋白AQP3的表達,從根本上增強細胞主動吸水的能力。

    目前從自然界中已鑒定出6種甘油葡糖苷的構型,見圖5.上面 a,b,c 三個構型最初發現于日本清酒以及一些傳統食物中(α-GG,后面都稱作GG,除非另有說明),下面d、e、f的構型僅出現在一些高等植物中。一些異養細菌和光合藍細菌可以在鹽脅迫條件下立體特異性地合成和積累 2-αGG 作為相容性溶質,這也是目前合成2-αGG的主要途徑。

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    圖5. 已發現的天然甘油葡糖苷的構型

    2012年拜爾斯道夫的Schrader 及其同事研究了 GG(1-α-GG和2-α-GG,主要成分是2-α-GG) 對人類皮膚水合作用的影響,尤其是對水通道蛋白 (AQP3) 表達的影響,使用3%的GG培養角質形成細胞24h,AQP3 mRNA 表達平均增加 215%,AQP3 蛋白水平增加 156%,而采用甘油做對照的組并沒有變化。

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    圖6.通過熒光標記,AQP3蛋白在細胞膜上顯黃色,細胞核顯藍色,使用3%的GG作用于細胞之后,AQP3水通道蛋白表達更多,細胞吸水更飽滿。

    驗證過2α-GG提升細胞水通道蛋白的作用,結果顯示,相比空白,0.6%濃度的2α-GG使細胞水通道蛋白AQP3的表達提升了1倍。

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    圖7:0.6%的2α-GG(樣品1)能顯著提升細胞AQP3蛋白的表達(BC:陰性對照,PC:陽性對照0.3mM的CaCl2)

    此外,Schrader也證實GG能夠穿透角質層,使受試者在干燥壓力下皮膚的水分流失顯著減少,并改善皮膚的屏障功能,超過廣泛使用的保濕劑甘油。

    GG除了這個強大的功能,是否還有其他功效呢?當然是有的。

    GG也是由藍藻和酵母在高鹽壓力下富集的一種相容性溶質,以保護細胞膜和酶在高滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)下的活性。生活在高溫干旱環境中的復活草為了抵抗漫長的干旱期,在細胞內積累GG,保護細胞不失水,在有水時,迅速吸收水分而恢復生機(見圖8),所以得名“復活草”。因此甘油葡糖苷也類似于依克多因,具有強大的抗逆和保護細胞的能力。

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    圖8. 復活草再生過程

    在過去的20多年里,科學家已經評估了GG作為相容性溶質對多種模型酶和膜的保護作用。Borges 等人發現GG對乳酸脫氫酶免受熱失活有重要作用,在0.5M GG存在下,乳酸脫氫酶在50℃加熱30min,活性保留68%,而不加溶質的無任何活性保留。Sawangwan研究了GG保護不同酶在高溫和冷凍干燥中的活性有重要作用,可以替代海藻糖作為蛋白質穩定劑,GG在干燥過程中對脂質體也表現出明顯的穩定作用。

    在人體試驗中,Naoaki HARADA發現GG可以促進IGF-1的產生,增加皮膚彈性。(注:IGF-1,類胰島素生長因子-1,是機體重要的活性蛋白多肽,具有降血糖、降血脂、舒張血管的作用。還可以促進細胞增殖分化、創傷修復,促進骨的合成代謝,刺激軟骨細胞合成特異性膠原蛋白,增加糖胺聚糖的活性)陳思等研究了GG抗氧化性能和對UV質細胞損傷保護修復作用,20mg/mL的甘油葡糖苷對DPPH自由基、羥基自由基、超氧陰離子自由基的清除率分別達到29.8%、80.0%、20.0%,在紫外輻射的損傷模型中,用GG預處理和后處理的細胞存活率分別提升了59.6%和54.5%。結果表明GG不但可以促進細胞增殖,還能對紫外損傷的細胞具有一定的保護和修復作用。

    國外某知名原料公司對甘油葡糖苷進行了比較全面的研究,在皮膚的保濕、光滑、彈性、抗氧化、抗炎、抗衰、皮膚厚度、提高新陳代謝、促進傷口愈合等各個方面都做了測試,顯示其是十分優秀的活性物。

    另外,甘油葡糖苷在口腔用品和食品方面也具有很好的潛力。

    Fumihito TAKENAKA 在2000年發的一篇文章中,采用酵母發酵合成了GG,并且發現它的一些物化性質:GG的甜度是蔗糖的0.55倍,熱穩定性高,熱著色性能低,美拉德反應低,吸濕性低,保水性強,不生齲,消化率低,F在我們通過GG的結構可以看出,葡萄糖的醛基和甘油的羥基生成了糖苷鍵,由于失去了還原型的醛基,所以GG不易氧化、也不易發生美拉德反應。另外GG不能被唾液淀粉酶、胃液或胰淀粉酶分解,口腔細菌在其存在條件下也不產酸。所以這是一個非常好的口腔產品原料,不僅可以維持口腔細胞的滲透壓,還能增強水通道蛋白的表達,改善中老年人口干癥。

    在Dabhi的文章中,GG具有與代表性抗糖尿病藥物伏格列波糖(voglibose)有相似的結構(見圖9)和腸道雙糖消化抑制作用,所以GG是潛在的糖尿病治療藥物。并且 GG 在益生菌生長刺激、病原抑制和胃腸道耐受性方面都顯示出其可以作為益生元的巨大潛力,并且可以引導益生菌產生高含量乳酸,加之GG自身有明顯的甜味和良好的口感,將是一種很有前途的人類保健食品。

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    圖9. 伏格列波糖(voglibose,左)和GG(右)的結構示意圖

    綜上,我只簡單列述了幾篇文獻對甘油葡糖苷功效的研究,自從最早從日本清酒中發現GG以來,人們一直在發現它的各種作用,也積累了大量的文獻。在應用最為廣泛的美妝產品中,GG作為強大的保濕劑,不僅能夠像依克多因一樣保護細胞和酶在極端條件下的活性,而且可以增強水通道蛋白的表達,使細胞自身吸水的能力增加,從而從根本上提升細胞的活力。GG可以作為基礎成分用于幾乎所有的護膚品中,能起到良好的輔助加持。

    注:GG在初始保濕的效果上,可能會弱于甘油和葡萄糖,但其保濕的能力體現在長期的使用上,增強細胞的水通道蛋白表達,保護細胞活力,進而增強皮膚的抗逆、抗衰、抗光老化等各種能力。

    說了這么多,我們知道了即使天然的甘油葡糖苷也有很多種結構(化學合成的產物會更復雜),目前研究最多的是α-GG才具有強大的生理活性(增強AQP3的表達),說明這個產品最重要的指標在于α-GG的純度。為了獲取這個具有生物活性的構型,科學家做了大量的努力,即使在2020-2021年不到兩年的時間內,也有十幾篇高水平論文研究α-GG的合成(百度學術搜索“Glucosylglycerol”,按時間降序排列),可見這個原料非常具有技術含量,這也是這個原料在這個市場上比較混亂的原因。

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