卡拉胶酶（）

卡拉胶是从红藻如角叉菜、杉藻、麒麟菜等中提取的一种海藻硫酸半乳匀多糖，不同来源的卡拉胶的含量和组成变化很大。在600多年前，爱尔兰南部的卡拉根郡（County carragheen）的沿海居民首次使用当地盛产的爱尔兰苔[即皱波角叉菜（Chondrus crispus）]作食用、药用和肥料。据有关报道，1837年从该藻分离出多糖，并于1871年提出精制的专利，称提取物为carrageen 或carrageenin。直到近代，根据国际多糖命名委员会的建议改名为carrageenan，中文译为卡拉胶。现加工的原料主要产自菲律宾和印度尼西亚的麒麟菜及角叉藻、杉藻等。

表4-5　不同类型卡拉胶的结构组成（纪明侯，1997）

根据已确定的理想卡拉胶重复二糖的结构特征以及1，3-连接的D-半乳糖上的硫酸基位置，可将各类型卡拉胶分类为β族卡拉胶、κ族卡拉胶和λ族卡拉胶等（表4-5）。β族卡拉胶（包括γ-、β-、δ-、α-卡拉胶）在1，3-连接的D-半乳糖单位上不含有硫酸基；κ族卡拉胶（包括μ-、κ-、ν-、ι-卡拉胶）在1，3-连接的D-半乳糖单位C4上带有一个硫酸基；λ族卡拉胶（包括ξ-、λ-、θ-、π-卡拉胶）则在其C2上有一个硫酸基；θ-卡拉胶在藻体内不存在，是λ-卡拉胶经碱处理后形成的。

不同类型的卡拉胶的结构见图4-5。其中κ-卡拉胶的凝固性最好，其次是ι-卡拉胶。我国每年的卡拉胶产量在2000吨以上，广泛应用于科研、食品工业、饮料、日用化工、橡胶业、医药卫生和环保等方面。已有研究表明，卡拉胶通过化学或生物手段降解和修饰后获得的硫酸半乳聚糖及其衍生物具有抗病毒、抗肿瘤、抗溃疡、抗凝血等多种生物活性，对人体的细胞免疫和体液免疫功能具有显著的增强作用。

图4-5　不同类型卡拉胶的结构

早在1943年，Mori就从海洋软体动物中提取到能够水解角叉菜卡拉胶的酶。海洋假单胞菌P.carrageenovora是最早研究的能够产生卡拉胶酶的微生物。牟海津从海藻、海水和底泥中共计筛选到69株具有卡拉胶降解活性的菌株，其中包括弧菌（Vibrio）、假单胞菌（Pseudomonas）和噬纤维菌（Cytophaga），其中噬纤维菌MCA-2（图4-6）所产卡拉胶降解酶为诱导酶，只有在培养环境中添加卡拉胶的情况下，菌株才能产生卡拉胶降解酶，并导致培养基黏度迅速下降，还原糖含量增加。采用MALDI-TOF-MS对卡拉胶酶解产物的组成、化学基团的含量及相对分子质量进行分析，采用红外光谱技术分析酶解产物携带的化学特征性基团的情况，并通过13C-NMR技术进一步确定该酶的具体作用位点和作用方式。结果表明，该酶为专一性内切酶，专门水解3，6-内醚 -D-半乳糖和D-半乳糖之间的β-1，4-糖苷键，酶解产物均以3-位连接的β-D-吡喃半乳糖 -4-硫酸为还原末端，最后形成以κ-新卡拉四糖（MW：834）和κ-新卡拉六糖（MW：1242）为主的终产物。

图4-6　海洋噬纤维菌MCA-2的扫描电镜照片

在海洋软体动物和棘皮动物体内有也卡拉胶酶。海洋环境中有大量以红藻为食的动物，海螺就是其中最为重要的一种，从其消化液中往往可以提取到对红藻多糖具有水解作用的酶类。例如，朝鲜花冠小月螺、单齿螺、疣荔枝螺等海螺的消化液中就可以提取到对卡拉胶有降解作用的酶。但海螺酶的产率低、底物专一性差等缺点，严重制约了其的开发和应用。微生物来源的酶类成为海藻多糖降解酶研究与开发的重要来源（表4-6）。

表4-6　已报道的部分卡拉胶酶

目前有关卡拉胶酶的基因水平的研究工作较少。Barbeyron等对别单胞菌的κ-卡拉胶酶基因cgkA进行测序，该基因编码397个氨基酸的多肽和一个25个氨基酸的信号肽。Potin等从Pseudomonas carrageenovora和Cytophaga drobachiensis中分别分离到κ-卡拉胶酶基因cgnK和τ-卡拉胶酶基因cgnI，并将其克隆到E.coli中进行表达。

硫酸半乳聚糖通常具有抗病毒、抗肿瘤、抗溃疡、抗凝血等多种生物活性，特别是对HIV-1、HIV-2、疱疹病毒、囊膜病毒、棒状病毒等许多重要病毒具有广谱抑制活性。1991年，Girond等人报道了κ-、λ-、ι-卡拉胶对多种病毒的体外抗病毒活性。Hamasuna等人（1993，1994）报道了ι-卡拉胶对鼠巨细胞病毒（涎腺病毒Cytomegalovirus）感染小鼠的保护作用。λ-卡拉胶能通过阻断疱疹病毒对宿主细胞的吸附过程，从而有效地抑制疱疹病毒（HSV-1，HSV-2）的侵染，并且其活性与多糖含硫量有关。卡拉胶还能抑制B型流感病毒和流行性腮腺炎病毒的生长。

未来研制的高活性、低毒性且特异性强的抗HIV药物很可能来源于海洋天然产物。早在1987年，Nakashima等人就发现卡拉胶作为一种天然的海洋硫酸多糖，能够表现出显著的抗HIV活性，特别是一定相对分子质量大小的κ-，λ-卡拉胶在阻断病毒吸附和抑制病毒逆转录酶活性方面效果显著。从此以后，人们又寻找到更多具有抗HIV活性的天然的或人工合成的硫酸化多糖，并且对它们抗病毒作用的构效关系进行了一定的研究。卡拉胶对能抑制人免疫缺陷病毒（HIV）的逆转录酶活性，进而抑制病毒的复制。

卡拉胶及其低聚糖的抗病毒活性与相对分子质量大小及硫酸酯化程度密切相关。一般认为，多糖相对分子质量在5000～60000，硫酸根含量在每单位糖残基1.5～2范围内具有明显的抗病毒效果。而且，未降解的卡拉胶由于黏度大、扩散困难，难以被机体吸收，而经降解后得到的卡拉胶低聚糖则容易吸收。此外，有报道认为，降解后的卡拉胶可以再通过一定方式的化学修饰，如磺化或乙酰化，提高硫酸根含量或改变其空间构型，以增强其抗病毒活性。卡拉胶等海藻硫酸多糖抗病毒的作用机理主要表现在以下几个方面：能干扰和阻断病毒吸附及渗入组织细胞的过程，阻断病毒蛋白的合成，抑制病毒的逆转录酶的活性，进而抑制病毒的复制。

目前关于卡拉胶抗肿瘤活性的报道尚不多。现已发现，从海洋红藻中提取的硫酸化多糖能够对乳腺癌、Meth-A纤维肉瘤、Ehrlich腹水瘤细胞产生潜在的抑制活性。师然新等（2000）利用H2O2降解角叉菜，得到不同相对分子质量的角叉菜多糖，利用其进行对小鼠肝癌H-22的抗肿瘤实验，发现相对分子质量是影响角叉菜多糖抗肿瘤作用的重要因素，适当减小相对分子质量可使抑瘤率升高，但相对分子质量太小又会使抑瘤率迅速降低。牟海津发现，平均相对分子质量为1726，硫含量为15.1%的卡拉胶低聚糖对小鼠S180具有明显的抗肿瘤活性，并推测卡拉胶低聚糖的抗肿瘤作用需要借助于机体的免疫系统来发挥作用，间接地抑制肿瘤细胞的生长，而不是通过细胞毒作用。