三氯蔗糖甜味构效关系.doc

1、1三氯蔗糖甜味构效关系的分子识别*郑建仙 高宪枫 袁尔东（华南理工大学食品与生物工程学院，广州，510640）摘 要 以 AH,B,X 甜味三角理论为指导，结合计算机模拟技术，在分子水平上成功解释了三氯蔗糖的甜味构效关系。蔗糖分子存在两对 AH/B 双官能实体，即 1OH/2-O 和 3-OH/2-O。三氯蔗糖分子的 AH/B 对 是 3-OH/2-O， 疏 水 部 位 X 包 括 1- CH2、 1-Cl、 4-Cl 以 及 6-Cl。关键词 AH,B,X 甜味三角理论 三氯蔗糖 蔗糖The Molecular Identification on the Relationshipbetwee

2、n Structure and Function of 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 gr

3、oups of sucralose, whose hydrophobic group X include 1- CH2, 1-Cl, 4-Cl and 6-Cl.Keywords AH,B,X sweet triangle theory sucralose sucrose蔗糖被卤代脱氧后，其甜度可能增加数倍，甚至数千倍。其中，甜度约为蔗糖 650 倍的三氯蔗糖，已被成功地开发为实用型功能性食品甜味剂，有人甚至还合成出了甜度高达蔗糖 7500 倍的蔗糖卤代物，而且这可能还不是其中最甜的。因此，研究卤代脱氧蔗糖的结构与甜度的相互关系及变化规律，对于揭示甜味剂的呈味机理，以及寻找和开发新型强力甜味剂

4、，都具有特殊重要的意义。1. AH,B,X 甜味三角理论1963 年，R.S. Shallenberger 提出甜味的 AH,B 系统理论。1972 年 Kier 在 AH,B 体系中又引进亲脂的第三结合点，即 X 疏水部位，并提出著名的 AH,B,X 甜味三角理论，使 AH,B 系统理论得到了重大完善。甜味三角理论的形成，很大程度上弥补了 AH,B 双氢键假说的不足，特别是对强力甜味剂的解释更具有说服力。因此，尽管这种理论也遭到一些人的怀疑，AH,B,X 甜味三角理论仍然是目前为止人类所能找到的最有效的甜味学说。根据甜味三角理论，A 和 B 是空间相距 0.250.40nm 的带负电荷的两个

5、原子，其中 A 与带正电的质子结合成为 AH。AH 在整体上可以是酸，B 为质子受体，可认为是碱。一个甜味分子中的AH,B 系统可和位于甜味蛋白受体上另一个合适的 AH,B 系统进行氢键结合，形成双氢键复合结构。甜味分子和甜味蛋白受体的复合反应虽然没有生成新的产物，但它却引起一个依靠神经冲动传递的甜味刺激，两者间的复合强度决定了甜味刺激强度即甜度 1。另外，有些甜味分子还有一个疏水（亲油）结合基团 X，在与 AH、B 分别相距 0.35nm 和0.55nm 的地方与二者构成 AH,B,X 甜味三角形（生甜团） 。X 疏水基团是影响化合物甜度的一个控制因素，而不是甜味的先决条件 2。若没有 X

6、疏水基团，则甜味分子与甜味蛋白受体的结合力较弱而不会太甜。若在适当位置引入合适的疏水基团，则甜味分子的疏水性增加，与甜味蛋白受体的作用力也限制增强，而大大提高了甜度。注* 国家自然科学基金资助项目(29906003)22. 蔗糖的 AH,B,X 生甜团的分子识别2.1 生甜团的分子识别早先在考虑 Kier-Shallenber 模型的尺寸范围和蔗糖的分子结构后，人们认为蔗糖分子内有两种可能的三角形生甜团系统 3：即 1-OH（AH） 、2-O（B） 、4-H（X ）和 3-OH（AH ） 、2-O（B） 、4-H（X） ，它们均是以顺时针方向排列的。但这种安排只能证明 1-OH/2-O 和 3

7、-OH/2-O 在充当蔗糖生甜团中 AH,B 基本单元上的正确性，却不能说明为什么蔗糖 C-1、C-4、C-6位上的羟基被氯原子取代后均能使甜度显著增加。随后的研究认为，甜味受体蛋白的亲脂部分是和蔗糖果糖基上的亲脂部位相连接的，如图 1 所示。由此推测，甜味分子的疏水部位既不是固定的疏水基团，也不是一成不变的。为了验证这一推测，人们猜测增加蔗糖果糖基部分的疏水性，将有助于它和甜受体的结合，从而增强甜味。表 1 中所收集到的相关卤代蔗糖的甜度数据，支持了这种猜测，因为氯取代果糖基上的 C-1、C-4 和/ 或C-6位羟基，均导致蔗糖衍生物甜度的增加。图 1 蔗糖中疏水的果糖部分与甜受体间的相互作

8、用表 1 蔗糖卤代脱氧衍生物的相对甜度衍 生 物 甜度 衍 生 物 甜度蔗糖异蔗糖半乳蔗糖1-氯-1-脱氧蔗糖4-氯-4- 脱氧半乳蔗糖6-氯-6- 脱氧蔗糖6-氯-6-脱氧蔗糖4-氯-4-脱氧蔗糖4,1-二氯-4,1-二脱氧半乳蔗糖1,4-二氯 -1,4-二脱氧蔗糖6,6-二氯-6,6-二脱氧蔗糖1,6-二氯 -1,6-二脱氧蔗糖4,6-二氯 -4,6-二脱氧蔗糖4,6-二氯-4,6-二脱氧半乳蔗糖1不甜不甜205苦202120300763500504,1,6-三氯 -4,1,6-三脱氧半乳蔗糖4,4,6-三氯 -4,4,6-三脱氧半乳蔗糖4,6,6-三氯-4,6,6-三脱氧半乳蔗糖6,1,

9、6-三氯 -6,1,6-三脱氧蔗糖4,1,4-三氯 -4,1,4-三脱氧半乳蔗糖1,4,6-三氯-1,4,6-三脱氧蔗糖6-脱氧-4,1,6-三氯-4,1,6-三脱氧半乳蔗糖1,4,6-三溴-1,4,6-三脱氧蔗糖4,6,1,6-四氯-4,6,1,6- 四脱氧半乳蔗糖4-氟-4,1,6- 三氯 -4,4,1,6-四脱氧半乳蔗糖4,1,4,6-四氯-4,4,1,6-四脱氧半乳蔗糖4-溴-4,1,6- 三氯 -4,1,4,6-四脱氧半乳蔗糖4,1,4,6-四溴-4,1,4,6-四脱氧半乳蔗糖4,1,6-三氯 -4-碘 -4,1,4,6-四脱氧半乳蔗糖4,1,6-三氯 -4-氟 -4,1,4,6-四

10、脱氧半乳蔗糖4-氟-1,4,6- 三氯 -4,1,4,6-四脱氧半乳蔗糖4-氯-1,4,6- 三溴 -4,1,4,6-四脱氧半乳蔗糖2,6,1,6-四氯-2,6,1,6- 四脱氧甘露蔗糖65016041002201004003020010002000300075007000100020030极苦32.2 计算机模拟识别计算机模拟技术进一步证实了以上观点的正确性 4，并肯定了果糖基部分在充当蔗糖生甜团 X功能部位的重要性。模拟结果表明，蔗糖分子中确实存在上述两对 AH/B 双官能实体，即 1OH/2-O 和 3-OH/2-O，前者连接三个 Kier 疏水部位 X 于 1-H、 6-H 和 6-H

11、，后者连接两个这样的中心于 1-H、6-H。而且，这些疏水部位 X 与 AH,B 基团组成甜味三角形生甜团时的构象均与预期的顺时针方向一致。模拟结果还表明，尽管蔗糖 AH,B,X 生甜团中的 X 部分被置于果糖部分内，但这个 X 部位显然可以在一定范围内变化，并经过空间 C-6位到达葡萄糖基（特别是轴向的 C-4 部位） ，因此可以解释增加 C-4、C-6和 C-4 部位的疏水性（如氯化）可以大大增强甜味。多样的疏水作用使得蔗糖分子可以和受体的不同侧链形成色散引力，这通常有利于甜味的增加。蔗糖醚化和脱氧衍生物的甜度变化，也证实了以上推断的正确性。如蔗糖的 4-脱氧、4-O-甲基衍生物均有甜味；

12、而当蔗糖分子 C-3位上的羟基被酯化成 3-O-乙酯蔗糖时，由于掩盖了生甜团的AH 基团，因此生成物不具有甜味。这些结果均与以上确定的蔗糖甜味三角形基团的结论一致。此外还发现，3-酮基-蔗糖在甜度上和蔗糖相似（保留有蔗糖 AH,B 双官能实体） ，而蔗糖 C-3 位上的差向立体异构体异蔗糖则完全没有甜味。为此，我们甚至可以预测出 3-O-甲基蔗糖应该是甜的，而2-O-甲基蔗糖衍生物如 2-脱氧蔗糖或 2-酮基-蔗糖必然不甜。有趣的是，葡萄糖 C-2 位上的羟基可以部分作为质子受体，如在蔗糖、松二糖和 -麦芽糖中；也可以不同程度地作为质子供体，如在异麦芽糖和 -麦芽糖中。因此，在形成分子内氢键过

13、程中，葡萄糖基 C-2 位上的羟基既可以作为分子内氢键的受氢体，又可以作为分子内氢键的供氢体。3. 三氯蔗糖的 AH,B,X 生甜团的分子识别3.1 生甜团的分子识别早期对三氯蔗糖高甜度的解释，曾涉及到 1-Cl 作为生甜团 AHS（下标 S 是指甜味分子，下同），B S，X S 三角形生甜团的质子接受部位，即充当 BS 基团的角色。这种假设可以解释 CHCl3 的甜味，其中一个氯和另一个氯分别作为 BS 和 XS，而缺电子的 H 作为 AHS。但由于 CHCl3 不是很甜，Cl取代基的质子接受能力因此被认为很弱（相对于 O 取代基而言） 。实际上，红外光谱研究证实了 Cl原子的质子接受能力只

14、有 O 原子的 622% 。这样，在 OH 和 Cl 同时存在于分子中时（如三氯蔗糖及其衍生物） ，Cl 取代基几乎不参与与甜味蛋白受体形成氢键。因此，三氯蔗糖及其衍生物的AH、B 部位只能是母体上的自由羟基。三氯蔗糖有 5 个 OH 基团分别位于 C-2、C-3、C-6、C-3和 C-4。其中 6-OH 位取代基对甜度的影响主要是它的大小而不是其氧原子的存在或缺失 5，因为 6-脱氧三氯蔗糖的甜度是蔗糖的 400倍，而 6-氯-6- 脱氧三氯蔗糖则只有 200 倍甜度；又如 6-脱氧和 6-O-甲基蔗糖均有甜味，6-乙酸酯蔗糖也有微弱的甜味，而具有较大基团的 6- O-苯甲酰酯和 6-磷酸酯

15、蔗糖衍生物则没有甜味。此外，4-羟基的移去并不损害甜味，而增加 C-4取代基的尺寸和疏水性如从 H（脱氧，150 倍，以蔗糖为比较基准，下同）到 O-CH3（300 倍） ，再从 F、Cl、Br 到 I 也导致甜味的显著增加。因此，C-6 位及 C-4位上的羟基不可能成为三氯蔗糖的 AH、B 部位，而只可能是三氯蔗糖葡糖基上剩余的平伏C-2 位羟基和 C-3 羟基以及果糖基上的 C-3羟基有这种可能。和其它强力甜味剂一样，三氯蔗糖和受体间的相互作用只能发生在正对着受体的、由疏水的Cl 和 CH2 基团组成的疏水面上。这样，在由 C-2、C-3、 C-3位上的三个羟基组成的 6 个可能的AHS/

16、BS 对中，又有 3 对 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4甜团不合适的逆时针方向排列而可以不予考虑 6。此外，再根据甜味三角理论中 AHS 和 BS 部位间严格的距离限制（0.250.40nm ） ，由 3-OH/3-O（0.56nm）组成的 AHS/BS 对也可以被排除在外，这样就仅剩下 3-OH/2-O 和 2-OH/3-O 两组有可能成为三氯蔗糖 AH/B 部位的最终侯选者。值得注意的是，三氯蔗糖-3,4-环氧化物是不甜的。由于环氧化作用所导致的呋喃环构象形变，并不足以抵消三氯蔗糖和受体模型之间的色散作用，

17、这就意味着果糖基的 3-OH 是构成甜味AHS/BS 对的必需部分。同样，2,1-二氧-2,1-二脱氧-甘露蔗糖也不甜，说明葡糖基的 2-OH 也是蔗糖衍生物甜味所必需的。尽管对三氯蔗糖结晶体 X-射线的结构分析表明，在 2-OH 和 3-OH 之间会形成一个分子内氢键，其中 2-OH 是质子受体，3-OH 是质子供体。但在一个稀释的含水溶液中，分子内部的氢键很可能分裂，断裂开的部分可分别与螺旋型甜味蛋白质受体中 N-末端氨基酸残基上高度缺电子的NH3+（ AHr，下标 r 是指甜味蛋白受体，下同）和富电子的 CONH2（B r）形成外部氢键。因此，3-OH/2-O 具备成为三氯蔗糖 AH/B

18、 对组成的客观条件。3.2 计算机模拟识别为了进一步确定三氯蔗糖 AHS,BS,XS 生甜团的组成，Tetsuo S uami 等 人 利 用 计 算 机 模 拟 技 术 进行 更 为 细 致 的 研 究 7。 首先假设，甜味蛋白受体是一个在 N-末端及其附近含有 L-天冬氨酸酰胺（AH 和 B 部位）和 L-脯氨酸残基的 - 螺旋体。这个三维模型是在手性的基础上，根据结构、甜味的构效关系推导而得的，因为一个随意盘绕的蛋白质，并不能全部满足手性甜味分子的要求。其次，考虑到甜味感觉对底物的要求，覆盖了从小如 CHCl3 分子，到大如多肽和大分子蛋白质的宽广范围，因此认为，甜味化合物和甜味蛋白受体

19、之间最初的相互作用，只发生在受体的表面部分，并以能量最低的方式结合。它们之间更深层次的结合，很可能发生在甜味蛋白受体盘绕的多肽链中的“嵴”或“裂缝”处，正如许多酶的活性部位。这种三维模型，可以解释目前已知的所有甜味化合物的活力 8,9，包括手性分子之间巨大的甜度差异。这样，当以 3-OH/2-O 为 AHS/BS 对时，在甜味蛋白受体和三氯蔗糖之间的两个分子间氢键AHr（NH 3+）B S（2-O ）和 Br（CONH 2）AH S（ 3-OH）显示出合适 的 距 离 和 正 确 的 键 角 ，分 别 为 0.290.01nm， 18016和 0.280.01nm， 16020， 如 图 2

20、所 示 。图 2 三 氯 蔗 糖 和 甜 受 体 模 型 间 的 相 互 作 用 （以 3-OH/2-O 为 AHS/BS 对）5从 图 中 可 以 看 出 ， 位 于 果 糖 基 单 元 的 1-CH2（ XS4） 和 1-Cl（ XS8） 这两个毗邻的疏水部位和受体蛋白质的 Xr4（ 4 是 指 从 蛋 白 质 N 末 端 数 过 来 的 甜 味 蛋 白 受 体 中 与 甜 味 分 子 疏 水 基 团 X 结 合 的 氨 基 酸残 基 侧 链 的 序 数 ， 下 同 ）和 Xr8 氨基酸残基侧链分别相互作用，三氯蔗糖葡糖基单元上轴向的 4-Cl（X S5）则和 Xr5 氨基酸残基侧链相互作

21、用。而且，果糖基单元上的 4-OH 以质子供体（AH S4）的形式与 Xr4 氨基酸残基侧链形成额外氢键。该氢键 COO-HO（0.28nm ，160）的形成，要求呋喃环的假旋转和分子内糖苷键 C1-O-C2的轻微转动，这可能得到在 6-OH 和 6-Cl 间所形成的弱分子内氢键的帮助。位于果糖基单元的 6-Cl 因此占据了可与受体活性部位相互作用的位置，从而有利于甜度的增强。三氯蔗糖分子内 6-OH6-Cl 氢键的存在，通过不能形成这种氢键的 6-脱氧蔗糖（400 倍）的甜度较三氯蔗糖（650 倍）低的事实而得到证实。因此，3-OH/2-O 作为三氯蔗糖分子的 AHS/BS对 是 合 适 的

22、 ， 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 可以从三氯蔗糖的果糖基单元扩展到葡萄糖基上轴向的 C-4 位，因此 C-4 位羟基的氯化对三氯蔗糖的高甜度同样具有重要意义。相反，当以 2-OH/3-0 为 AHS/BS 对时，甜味蛋白受体和三氯蔗糖的两个分子间氢键AHr（NH 3+）B S（3-O ）和 Br（CONH 2）AH S（ 2-OH）的距离和键角分别被迫成为0.290.01nm，18016和 0.280.01nm，16020 ，如图 3 所示 10。此时只有 4-Cl（X s5）一个疏水部位和受体 Xr5 氨基酸残基

23、侧链有着良好接触，而其它两个疏水部位 1-Cl 和 6-Cl 却处于远离与受体相互作用的位置。而且，4-OH 也远离受体 Xr4 氨基酸残基的侧链，使得 4-OH 与受体 Xr4 氨基酸残基的酸性侧链之间不可能形成重要的额外氢键。因此，选择 2-OH/3-O 作为三氯蔗糖分子的AHS/BS 对并不合适。图 3 三氯蔗糖和甜受体模型间的相互作用（以 2-OH/3-O 为 AHS/BS 对）4. 甜味分子构效关系的研究进展近年来，随着计算机模拟技术在微观领域应用的飞速进展，通过计算机来模拟甜味分子与甜味受体之间的相互作用已成为可能，这种可能将一个逻辑化的微观世界直观地展现在人们面前，并为最终揭示甜

24、味分子的呈味机理开辟出一条崭新的途径。AH,B,X 甜味三角理论，是目前用来解释甜味分子构效关系最为有效的理论体系。以该理论为指导并结合计算机模拟技术，对甜味分子的 AH,B,X 生甜团进行分子识别，可以在分子水平上成功6解释三氯蔗糖等作为强力甜味剂的结构本质。尽管如此，AH,B,X 甜味三角理论仍具有一些局限，它并不能解释所有的甜味现象。而且，目前所有有关甜味分子构效关系的理论都是在已知的甜味分子基础上构建而成的假设体系，它在解释已知甜味分子的作用机理上取得了较为满意的结果，但在利用它来探索未知的甜味分子方面却还存在着差距。因此，AH,B,X 甜味三角理论仍然需要得到进一步的完善。参 考 文

25、 献1. 郑建仙编著，功能性食品甜味剂，北京：中国轻工业出版社，19972. S.G.Wiet and G.A.Miller. Does chemical modification of tastants merely enhance their intrinsic taste qualities. Food Chem. 1997, 58(4):3053113. C.K.Lee. Adv. Carbohydr. Chem. Biochem. 1987,45:1994. Frieder W. Lichtenthaler et al. Evolution of the structural rep

26、resentation of sucrose. Starch/Strke. 1991, 43(4):1211325. M.R.Jenner，D.E.Waiters. ACS Symp. Ser. 1990，450：686. L.Hough and R.Khan. Elsevier Applied Science. London/New York，1989：971207. Tetsuo Suami et al. Molecular mechanisms of sweet taste. V. sucralose and its derivatives. Carbohydrate Chemistry. 1994,13(8):107910928. T.Saumi and L.Hough. Food Chem. 1993,46:2359. T.Saumi and L.Hough. Food Chem. 1993,47:26710. P.M.Dean. Molecular Foundations of Drug-receptor Interaction. Cambridge Univ. Press. 1987,93