三氯蔗糖甜味構(gòu)效關(guān)系

1、三氯蔗糖甜味構(gòu)效關(guān)系的分子識別*鄭建仙 高憲楓 袁爾東（華南理工大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，廣州，510640）摘 要 以AH,B,X甜味三角理論為指導(dǎo)，結(jié)合計算機(jī)模擬技術(shù)，在分子水平上成功解釋了三氯蔗糖的甜味構(gòu)效關(guān)系。蔗糖分子存在兩對AH/B雙官能實體，即1OH/2-O和3-OH/2-O。三氯蔗糖分子的AH/B對是3-OH/2-O，疏水部位X包括1- CH2、1-Cl、4-Cl以及6-Cl。關(guān)鍵詞 AH,B,X甜味三角理論 三氯蔗糖 蔗糖The Molecular Identification on the Relationshipbetween Structure and Function o

2、f SucraloseAbstract Directed by AH,B,X sweet triangle theory and combined with computer simulation, the structure-function relationship of sucralose was explained successfully on molecular level. Sucrose has 2 AH/B groups, which are 1OH/2-O and 3-OH/2-O. 3-OH/2-O is AH/B groups of sucralose, whose h

3、ydrophobic group X include 1- CH2, 1-Cl, 4-Cl and 6-Cl.Keywords AH,B,X sweet triangle theory sucralose sucrose蔗糖被鹵代脫氧后，其甜度可能增加數(shù)倍，甚至數(shù)千倍。其中，甜度約為蔗糖650倍的三氯蔗糖，已被成功地開發(fā)為實用型功能性食品甜味劑，有人甚至還合成出了甜度高達(dá)蔗糖7500倍的蔗糖鹵代物，而且這可能還不是其中最甜的。因此，研究鹵代脫氧蔗糖的結(jié)構(gòu)與甜度的相互關(guān)系及變化規(guī)律，對于揭示甜味劑的呈味機(jī)理，以及尋找和開發(fā)新型強(qiáng)力甜味劑，都具有特殊重要的意義。1. AH,B,X甜味三角理論196

4、3年，R.S. Shallenberger提出甜味的AH,B系統(tǒng)理論。1972年Kier在AH,B體系中又引進(jìn)親脂的第三結(jié)合點，即X疏水部位，并提出著名的AH,B,X甜味三角理論，使AH,B系統(tǒng)理論得到了重大完善。甜味三角理論的形成，很大程度上彌補(bǔ)了AH,B雙氫鍵假說的不足，特別是對強(qiáng)力甜味劑的解釋更具有說服力。因此，盡管這種理論也遭到一些人的懷疑，AH,B,X甜味三角理論仍然是目前為止人類所能找到的最有效的甜味學(xué)說。根據(jù)甜味三角理論，A和B是空間相距0.250.40nm的帶負(fù)電荷的兩個原子，其中A與帶正電的質(zhì)子結(jié)合成為AH。AH在整體上可以是酸，B為質(zhì)子受體，可認(rèn)為是堿。一個甜味分子中的AH

5、,B系統(tǒng)可和位于甜味蛋白受體上另一個合適的AH,B系統(tǒng)進(jìn)行氫鍵結(jié)合，形成雙氫鍵復(fù)合結(jié)構(gòu)。甜味分子和甜味蛋白受體的復(fù)合反應(yīng)雖然沒有生成新的產(chǎn)物，但它卻引起一個依靠神經(jīng)沖動傳遞的甜味刺激，兩者間的復(fù)合強(qiáng)度決定了甜味刺激強(qiáng)度即甜度1。另外，有些甜味分子還有一個疏水（親油）結(jié)合基團(tuán)X，在與AH、B分別相距0.35nm和0.55nm的地方與二者構(gòu)成AH,B,X甜味三角形（生甜團(tuán)）。X疏水基團(tuán)是影響化合物甜度的一個控制因素，而不是甜味的先決條件2。若沒有X疏水基團(tuán)，則甜味分子與甜味蛋白受體的結(jié)合力較弱而不會太甜。若在適當(dāng)位置引入合適的疏水基團(tuán)，則甜味分子的疏水性增加，與甜味蛋白受體的作用力也限制增強(qiáng)，而大

6、大提高了甜度。注* 國家自然科學(xué)基金資助項目(29906003)2. 蔗糖的AH,B,X生甜團(tuán)的分子識別2.1 生甜團(tuán)的分子識別早先在考慮Kier-Shallenber模型的尺寸范圍和蔗糖的分子結(jié)構(gòu)后，人們認(rèn)為蔗糖分子內(nèi)有兩種可能的三角形生甜團(tuán)系統(tǒng)3：即1-OH（AH）、2-O（B）、4-H（X）和3-OH（AH）、2-O（B）、4-H（X），它們均是以順時針方向排列的。但這種安排只能證明1-OH/2-O和3-OH/2-O在充當(dāng)蔗糖生甜團(tuán)中AH,B基本單元上的正確性，卻不能說明為什么蔗糖C-1、C-4、C-6位上的羥基被氯原子取代后均能使甜度顯著增加。隨后的研究認(rèn)為，甜味受體蛋白的親脂部分是和

7、蔗糖果糖基上的親脂部位相連接的，如圖1所示。由此推測，甜味分子的疏水部位既不是固定的疏水基團(tuán)，也不是一成不變的。為了驗證這一推測，人們猜測增加蔗糖果糖基部分的疏水性，將有助于它和甜受體的結(jié)合，從而增強(qiáng)甜味。表1中所收集到的相關(guān)鹵代蔗糖的甜度數(shù)據(jù)，支持了這種猜測，因為氯取代果糖基上的C-1、C-4和/或C-6位羥基，均導(dǎo)致蔗糖衍生物甜度的增加。圖1 蔗糖中疏水的果糖部分與甜受體間的相互作用表1 蔗糖鹵代脫氧衍生物的相對甜度衍 生 物甜度衍 生 物甜度蔗糖異蔗糖半乳蔗糖1-氯-1-脫氧蔗糖4-氯-4-脫氧半乳蔗糖6-氯-6-脫氧蔗糖6-氯-6-脫氧蔗糖4-氯-4-脫氧蔗糖4,1-二氯-4,1-二脫

8、氧半乳蔗糖1,4-二氯-1,4-二脫氧蔗糖6,6-二氯-6,6-二脫氧蔗糖1,6-二氯-1,6-二脫氧蔗糖4,6-二氯-4,6-二脫氧蔗糖4,6-二氯-4,6-二脫氧半乳蔗糖1不甜不甜205苦202120300763500504,1,6-三氯-4,1,6-三脫氧半乳蔗糖4,4,6-三氯-4,4,6-三脫氧半乳蔗糖4,6,6-三氯-4,6,6-三脫氧半乳蔗糖6,1,6-三氯-6,1,6-三脫氧蔗糖4,1,4-三氯-4,1,4-三脫氧半乳蔗糖1,4,6-三氯-1,4,6-三脫氧蔗糖6-脫氧-4,1,6-三氯-4,1,6-三脫氧半乳蔗糖1,4,6-三溴-1,4,6-三脫氧蔗糖4,6,1,6-四氯-4

9、,6,1,6-四脫氧半乳蔗糖4-氟-4,1,6-三氯-4,4,1,6-四脫氧半乳蔗糖4,1,4,6-四氯-4,4,1,6-四脫氧半乳蔗糖4-溴-4,1,6-三氯-4,1,4,6-四脫氧半乳蔗糖4,1,4,6-四溴-4,1,4,6-四脫氧半乳蔗糖4,1,6-三氯-4-碘-4,1,4,6-四脫氧半乳蔗糖4,1,6-三氯-4-氟-4,1,4,6-四脫氧半乳蔗糖4-氟-1,4,6-三氯-4,1,4,6-四脫氧半乳蔗糖4-氯-1,4,6-三溴-4,1,4,6-四脫氧半乳蔗糖2,6,1,6-四氯-2,6,1,6-四脫氧甘露蔗糖6501604100220100400302001000200030007500

10、7000100020030極苦2.2 計算機(jī)模擬識別計算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)一步證實了以上觀點的正確性4，并肯定了果糖基部分在充當(dāng)蔗糖生甜團(tuán)X功能部位的重要性。模擬結(jié)果表明，蔗糖分子中確實存在上述兩對AH/B雙官能實體，即1OH/2-O和3-OH/2-O，前者連接三個Kier疏水部位X于1-H、6-H和6-H，后者連接兩個這樣的中心于1-H、6-H。而且，這些疏水部位X與AH,B基團(tuán)組成甜味三角形生甜團(tuán)時的構(gòu)象均與預(yù)期的順時針方向一致。模擬結(jié)果還表明，盡管蔗糖AH,B,X生甜團(tuán)中的X部分被置于果糖部分內(nèi)，但這個X部位顯然可以在一定范圍內(nèi)變化，并經(jīng)過空間C-6位到達(dá)葡萄糖基（特別是軸向的C-4部位），因

11、此可以解釋增加C-4、C-6和C-4部位的疏水性（如氯化）可以大大增強(qiáng)甜味。多樣的疏水作用使得蔗糖分子可以和受體的不同側(cè)鏈形成色散引力，這通常有利于甜味的增加。蔗糖醚化和脫氧衍生物的甜度變化，也證實了以上推斷的正確性。如蔗糖的4-脫氧、4-O-甲基衍生物均有甜味；而當(dāng)蔗糖分子C-3位上的羥基被酯化成3-O-乙酯蔗糖時，由于掩蓋了生甜團(tuán)的AH基團(tuán)，因此生成物不具有甜味。這些結(jié)果均與以上確定的蔗糖甜味三角形基團(tuán)的結(jié)論一致。此外還發(fā)現(xiàn)，3-酮基-蔗糖在甜度上和蔗糖相似（保留有蔗糖AH,B雙官能實體），而蔗糖C-3位上的差向立體異構(gòu)體異蔗糖則完全沒有甜味。為此，我們甚至可以預(yù)測出3-O-甲基蔗糖應(yīng)該是

12、甜的，而2-O-甲基蔗糖衍生物如2-脫氧蔗糖或2-酮基-蔗糖必然不甜。有趣的是，葡萄糖C-2位上的羥基可以部分作為質(zhì)子受體，如在蔗糖、松二糖和-麥芽糖中；也可以不同程度地作為質(zhì)子供體，如在異麥芽糖和-麥芽糖中。因此，在形成分子內(nèi)氫鍵過程中，葡萄糖基C-2位上的羥基既可以作為分子內(nèi)氫鍵的受氫體，又可以作為分子內(nèi)氫鍵的供氫體。3. 三氯蔗糖的AH,B,X生甜團(tuán)的分子識別3.1 生甜團(tuán)的分子識別早期對三氯蔗糖高甜度的解釋，曾涉及到1-Cl作為生甜團(tuán)AHS（下標(biāo)S是指甜味分子，下同），BS，XS三角形生甜團(tuán)的質(zhì)子接受部位，即充當(dāng)BS基團(tuán)的角色。這種假設(shè)可以解釋CHCl3的甜味，其中一個氯和另一個氯分別

13、作為BS和XS，而缺電子的H作為AHS。但由于CHCl3不是很甜，Cl取代基的質(zhì)子接受能力因此被認(rèn)為很弱（相對于O取代基而言）。實際上，紅外光譜研究證實了Cl原子的質(zhì)子接受能力只有O原子的622%。這樣，在OH和Cl同時存在于分子中時（如三氯蔗糖及其衍生物），Cl取代基幾乎不參與與甜味蛋白受體形成氫鍵。因此，三氯蔗糖及其衍生物的AH、B部位只能是母體上的自由羥基。三氯蔗糖有5個OH基團(tuán)分別位于C-2、C-3、C-6、C-3和C-4。其中6-OH位取代基對甜度的影響主要是它的大小而不是其氧原子的存在或缺失5，因為6-脫氧三氯蔗糖的甜度是蔗糖的400倍，而6-氯-6-脫氧三氯蔗糖則只有200倍甜度

14、；又如6-脫氧和6-O-甲基蔗糖均有甜味，6-乙酸酯蔗糖也有微弱的甜味，而具有較大基團(tuán)的6- O-苯甲酰酯和6-磷酸酯蔗糖衍生物則沒有甜味。此外，4-羥基的移去并不損害甜味，而增加C-4取代基的尺寸和疏水性如從H（脫氧，150倍，以蔗糖為比較基準(zhǔn)，下同）到O-CH3（300倍），再從F、Cl、Br到I也導(dǎo)致甜味的顯著增加。因此，C-6位及C-4位上的羥基不可能成為三氯蔗糖的AH、B部位，而只可能是三氯蔗糖葡糖基上剩余的平伏C-2位羥基和C-3羥基以及果糖基上的C-3羥基有這種可能。 和其它強(qiáng)力甜味劑一樣，三氯蔗糖和受體間的相互作用只能發(fā)生在正對著受體的、由疏水的Cl和CH2基團(tuán)組成的疏水面上。

15、這樣，在由C-2、C-3、C-3位上的三個羥基組成的6個可能的AHS/BS對中，又有3對AHS/BS即3-OH/2-O、2-OH/3- O和3-OH/3-O，由于AHS,BS,XS三角形生甜團(tuán)不合適的逆時針方向排列而可以不予考慮6。此外，再根據(jù)甜味三角理論中AHS和BS部位間嚴(yán)格的距離限制（0.250.40nm），由3-OH/3-O（0.56nm）組成的AHS/BS對也可以被排除在外，這樣就僅剩下3-OH/2-O和2-OH/3-O兩組有可能成為三氯蔗糖AH/B部位的最終侯選者。值得注意的是，三氯蔗糖-3,4-環(huán)氧化物是不甜的。由于環(huán)氧化作用所導(dǎo)致的呋喃環(huán)構(gòu)象形變，并不足以抵消三氯蔗糖和受體模型

16、之間的色散作用，這就意味著果糖基的3-OH是構(gòu)成甜味AHS/BS對的必需部分。同樣，2,1-二氧-2,1-二脫氧-甘露蔗糖也不甜，說明葡糖基的2-OH也是蔗糖衍生物甜味所必需的。盡管對三氯蔗糖結(jié)晶體X-射線的結(jié)構(gòu)分析表明，在2-OH和3-OH之間會形成一個分子內(nèi)氫鍵，其中2-OH是質(zhì)子受體，3-OH是質(zhì)子供體。但在一個稀釋的含水溶液中，分子內(nèi)部的氫鍵很可能分裂，斷裂開的部分可分別與螺旋型甜味蛋白質(zhì)受體中N-末端氨基酸殘基上高度缺電子的NH3+（AHr，下標(biāo)r是指甜味蛋白受體，下同）和富電子的CONH2（Br）形成外部氫鍵。因此，3-OH/2-O具備成為三氯蔗糖AH/B對組成的客觀條件。3.2

17、計算機(jī)模擬識別為了進(jìn)一步確定三氯蔗糖AHS,BS,XS生甜團(tuán)的組成，Tetsuo Suami等人利用計算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行更為細(xì)致的研究7。首先假設(shè)，甜味蛋白受體是一個在N-末端及其附近含有L-天冬氨酸酰胺（AH和B部位）和L-脯氨酸殘基的-螺旋體。這個三維模型是在手性的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)、甜味的構(gòu)效關(guān)系推導(dǎo)而得的，因為一個隨意盤繞的蛋白質(zhì)，并不能全部滿足手性甜味分子的要求。其次，考慮到甜味感覺對底物的要求，覆蓋了從小如CHCl3分子，到大如多肽和大分子蛋白質(zhì)的寬廣范圍，因此認(rèn)為，甜味化合物和甜味蛋白受體之間最初的相互作用，只發(fā)生在受體的表面部分，并以能量最低的方式結(jié)合。它們之間更深層次的結(jié)合，很可

18、能發(fā)生在甜味蛋白受體盤繞的多肽鏈中的“嵴”或“裂縫”處，正如許多酶的活性部位。這種三維模型，可以解釋目前已知的所有甜味化合物的活力8,9，包括手性分子之間巨大的甜度差異。這樣，當(dāng)以3-OH/2-O為AHS/BS對時，在甜味蛋白受體和三氯蔗糖之間的兩個分子間氫鍵AHr（NH3+）BS（2-O）和Br（CONH2）AHS（3-OH）顯示出合適的距離和正確的鍵角，分別為0.29±0.01nm，180±16°和0.28±0.01nm，160±20°，如圖2所示。圖2 三氯蔗糖和甜受體模型間的相互作用（以3-OH/2-O為AHS/BS對）從圖中

19、可以看出，位于果糖基單元的1-CH2（XS4）和1-Cl（XS8）這兩個毗鄰的疏水部位和受體蛋白質(zhì)的Xr4（4是指從蛋白質(zhì)N末端數(shù)過來的甜味蛋白受體中與甜味分子疏水基團(tuán)X結(jié)合的氨基酸殘基側(cè)鏈的序數(shù)，下同）和Xr8氨基酸殘基側(cè)鏈分別相互作用，三氯蔗糖葡糖基單元上軸向的4-Cl（XS5）則和Xr5氨基酸殘基側(cè)鏈相互作用。而且，果糖基單元上的4-OH以質(zhì)子供體（AHS4）的形式與Xr4氨基酸殘基側(cè)鏈形成額外氫鍵。該氫鍵COO-HO（0.28nm，160°）的形成，要求呋喃環(huán)的假旋轉(zhuǎn)和分子內(nèi)糖苷鍵C1-O-C2的輕微轉(zhuǎn)動，這可能得到在6-OH和6-Cl間所形成的弱分子內(nèi)氫鍵的幫助。位于果糖基

20、單元的6-Cl因此占據(jù)了可與受體活性部位相互作用的位置，從而有利于甜度的增強(qiáng)。三氯蔗糖分子內(nèi)6-OH6-Cl氫鍵的存在，通過不能形成這種氫鍵的6-脫氧蔗糖（400倍）的甜度較三氯蔗糖（650倍）低的事實而得到證實。因此，3-OH/2-O作為三氯蔗糖分子的AHS/BS對是合適的，其疏水部位X包括1- CH2、1-Cl、4-Cl以及6-Cl。由于疏水部位X可以從三氯蔗糖的果糖基單元擴(kuò)展到葡萄糖基上軸向的C-4位，因此C-4位羥基的氯化對三氯蔗糖的高甜度同樣具有重要意義。相反，當(dāng)以2-OH/3-0為AHS/BS對時，甜味蛋白受體和三氯蔗糖的兩個分子間氫鍵AHr（NH3+）BS（3-O）和Br（CON

21、H2）AHS（2-OH）的距離和鍵角分別被迫成為0.29±0.01nm，180±16°和0.28±0.01nm，160±20°，如圖3所示10。此時只有4-Cl（Xs5）一個疏水部位和受體Xr5氨基酸殘基側(cè)鏈有著良好接觸，而其它兩個疏水部位1-Cl和6-Cl卻處于遠(yuǎn)離與受體相互作用的位置。而且，4-OH也遠(yuǎn)離受體Xr4氨基酸殘基的側(cè)鏈，使得4-OH與受體Xr4氨基酸殘基的酸性側(cè)鏈之間不可能形成重要的額外氫鍵。因此，選擇2-OH/3-O作為三氯蔗糖分子的AHS/BS對并不合適。圖3 三氯蔗糖和甜受體模型間的相互作用（以2-OH/3-O為

22、AHS/BS對）4. 甜味分子構(gòu)效關(guān)系的研究進(jìn)展近年來，隨著計算機(jī)模擬技術(shù)在微觀領(lǐng)域應(yīng)用的飛速進(jìn)展，通過計算機(jī)來模擬甜味分子與甜味受體之間的相互作用已成為可能，這種可能將一個邏輯化的微觀世界直觀地展現(xiàn)在人們面前，并為最終揭示甜味分子的呈味機(jī)理開辟出一條嶄新的途徑。AH,B,X甜味三角理論，是目前用來解釋甜味分子構(gòu)效關(guān)系最為有效的理論體系。以該理論為指導(dǎo)并結(jié)合計算機(jī)模擬技術(shù)，對甜味分子的AH,B,X生甜團(tuán)進(jìn)行分子識別，可以在分子水平上成功解釋三氯蔗糖等作為強(qiáng)力甜味劑的結(jié)構(gòu)本質(zhì)。盡管如此，AH,B,X甜味三角理論仍具有一些局限，它并不能解釋所有的甜味現(xiàn)象。而且，目前所有有關(guān)甜味分子構(gòu)效關(guān)系的理論都是在已知的甜味分子基礎(chǔ)上構(gòu)建而成的假設(shè)體系，它在解釋已知甜味分子的作用機(jī)理上取得了較為滿意的結(jié)果，但在利用它來探索未知的甜味分子方面卻還存在著差距。因此，AH,B,X甜味三角理論仍然需要得到進(jìn)一步的完善。參 考 文 獻(xiàn)1. 鄭建仙編著，功能性食品甜味劑，北京：中國輕工業(yè)出版社，19972. S.G.Wiet and G.A.Miller.