天然酚類化合物對晚期糖基化末端產物抑制作用研究進展

范智義 袁曉金 賈本盼 胡 靜 曲婉婷 趙勁松 張迎曉 李巨秀

（西北農林科技大學食品科學與工程學院 陜西楊凌712100）

晚期糖基化末端產物 （advanced glycation end products，AGEs）是蛋白質等分子上的游離氨基與還原糖通過美拉德反應（非酶糖基化）生成的一類物質（圖1）。AGEs 除了在人體代謝過程中自發產生并積累外，還廣泛存在于高糖高蛋白食品中，并在食品熱加工過程中大量生成，通過膳食進入體內[1]。體內與體外研究均表明，AGEs 的積累與衰老、阿茲海默綜合癥、糖尿病密切相關，并能夠引發心腦血管病、 糖尿病腎病及神經病變等多種糖尿病并發癥[2-5]。AGEs 還可能導致體內蛋白質的修飾與交聯，破壞蛋白質的正常構象，損害蛋白質功能[6]。此外，AGEs 與細胞中特定受體的作用還可能引發NF-κB、MAPK 等多種信號通路的異常激活，對組織與器官產生不利影響[7-8]。

隨著人們生活與飲食習慣的改變，糖尿病、心血管疾病等慢性退行性疾病已成為威脅人類健康的重要因素。作為預防與治療相關疾病的重要切入點，人們在抑制AGEs 的生成和積累方面已有一些深入的研究并發現了多種有效的AGEs 抑制劑。然而，諸如氨基胍、硒納米顆粒以及阿司匹林等AGEs 抑制劑往往具有一定的毒副作用[9-10]，無法在食品加工中廣泛使用，更無法作為保健成分長期攝入。尋找食品級且安全有效的AGEs 抑制劑，對于控制AGEs 引發的危害具有重要的意義。

酚類化合物是一類分布廣泛的植物次生代謝產物，根據分子結構可分為酚酸（包括羥基肉桂酸和羥基苯甲酸衍生物）、黃酮、芪類、姜黃素以及它們的聚合物[11]（圖2）。酚類化合物廣泛分布于水果蔬菜及其它植物中，是人類膳食中的重要抗氧化成分之一。據估計，人均每日酚類化合物的攝入量為20 mg～1 g，遠高于維生素E、維生素C 和類胡蘿卜素等膳食抗氧化劑的攝入量[12-13]。天然酚類化合物除具有抗氧化、抗炎癥、抗菌、抗癌等功能活性外，還具有顯著的抗糖基化能力，可有效抑制AGEs 的生成，并對與AGEs 相關的多種疾病具有一定的預防與治療效果[14-15]。

圖1 常見的晚期糖基化末端產物Fig.1 Structures of some common AGEs

體外模擬反應體系是研究AGEs 形成機制及調控的有效方法。將參與非酶糖基化反應的化合物在適宜條件下孵育，并在一定的周期內對體系中AGEs 的成分與含量進行監測，具有研究周期短且反應易控制等優點。富含酚類化合物的植物天然提取物，在體外模擬反應體系中表現出較強的抗糖基化活性。對多種植物天然提取物的研究均顯示，提取物中總酚含量與抗糖基化能力之間具有顯著的相關性[16]。通過探究酚類化合物在體外模擬體系中的抗糖基化能力，有助于控制熱加工食品中AGEs 的生成，并為相關疾病的預防與治療提供依據。目前有大量的研究證明天然酚類化合物在抑制非酶糖基化方面的突出效果，然而對其抑制非酶糖基化的機制方面仍缺乏詳細信息。本文主要總結天然酚類化合物抗糖基化的機制，旨在為AGEs 的控制提供理論指導。

1 AGEs 的生成

美拉德反應是AGEs 生成的經典途徑（圖3），主要分為以下3 個階段：第1 階段，還原性糖（如葡萄糖、果糖）中的羰基與游離氨基發生親核加成反應，快速形成一類不穩定的亞胺化合物--西弗堿（Schiff base）。西弗堿的形成往往只需要幾個小時，且反應是可逆的。隨后，西弗堿通過自發的重排反應，即Amadori 重排反應，生成結構相對更穩定的酮胺[2]，這種分子內的重排反應往往也是部分可逆的。以上這一階段被稱為糖基化早期階段。有小部分的Amadori 重排產物能夠直接通過氧化、水解反應不可逆地生成AGEs[17，60]。第2 階段，Amadori 重排產物通過烯醇化反應、環化反應、氧化反應、 脫水反應和裂解反應等過程生成無色或黃色的、活潑的羰基化合物，如乙二醛（glyoxal，GO）、丙酮醛（methylglyoxal，MGO）、3-脫氧葡萄糖酮醛（3-deoxylglucoson，3DG）、葡萄糖酮醛等。在此過程中，Amadori 重排產物分子內結合的蛋白質及胺基化合物會重新游離出來。第3 階段，二羰基化合物再次與蛋白質結合，通過一系列反應生成棕色的類黑素以及戊糖素、 羧甲基賴氨酸等AGEs[6]。AGEs 生成的早期階段已為人們所熟知，但由于中晚期階段機制較為復雜，因此某些具體的反應仍不明確[18]。此外，作為糖氧化與脂質過氧化的重要產物，由活性羰基化合物直接引發的非酶糖基化反應也被認為是AGEs 快速生成的重要途徑（圖3）[17]。

圖2 常見的天然酚類化合物Fig.2 Structures of some typical natural phenolic compounds

由于參與反應的還原糖和氨基化合物的不同以及下游反應的復雜性，AGEs 所代表的物質也多種多樣。根據結構及性質，主要可分為熒光性交聯的AGEs （如戊糖素、 交聯素），非熒光交聯的AGEs，（如咪唑二賴氨酸交聯物）以及非交聯的AGEs（如吡咯素、羧甲基賴氨酸）[17]，常見的AGEs結構見圖1。

2 酚類化合物抑制AGEs 生成的機制

2.1 自由基清除能力

AGEs 的生成與氧化反應密切相關，雖然Amadori 產物能夠通過非氧化的途徑生成活性羰基化合物[19]，但更多的中間及終產物的生成均需要氧參與，如糖氧化和脂肪酸的氧化能夠產生高反應活性的羰基化合物、 蛋白質的羧甲基產物也往往需要通過烯醇化的Amadori 重排產物氧化生成[19]。因此，分子氧的存在會顯著加快非酶糖基化生成AGEs 的速率，而無氧條件則能夠抑制AGEs的生成[6]。

自由基反應是氧化反應重要的實現途徑，糖、脂質和蛋白質的氧化以及非酶糖基化生成AGEs的過程涉及大量的氧化反應并伴隨著自由基的生成，在這一過程中，分子氧被還原為超氧陰離子自由基，隨后在氫離子的作用下生成過氧化氫，并最終經過金屬離子的催化生成羥基自由基和分子氧[20-21]，同時還原糖和脂質通過自動氧化生成以碳或氧為中心的自由基，并生成活性羰基化合物，參與后續糖基化反應。西弗堿和Amadori 重排產物則在含氧自由基的作用下發生氫原子轉移或電子的得失，使AGEs 生成及蛋白質交聯得以進行[22-23]。

圖3 AGEs 的生成過程Fig.3 Reactions lead to the formation of AGEs

許多自由基清除劑都能夠起到防止蛋白質糖基化修飾和交聯、抑制AGEs 生成的作用[19，24]。作為一種重要的天然抗氧化物質，酚類化合物具有較維生素C、維生素E 更強的自由基清除能力。這種自由基清除活性能有效抑制還原糖的氧化和非酶糖基化反應各個階段的進行，從而降低反應體系中的AGEs 水平[25-26]。對多種酚類化合物及富含酚類化合物的天然提取物的研究均表明，提取物的自由基清除能力與糖基化能力往往具有顯著的相關性[16，27]。酚類化合物分子上酚羥基的解離能較低，能夠為自由基提供氫原子，自身變為相對穩定的苯氧自由基，從而達到猝滅自由基，切斷自由基傳遞鏈，終止氧化反應的作用[28]（圖4）。在該機制下，酚類化合物的抗氧化能力取決于其酚羥基的氫原子轉移能力 （hydrogen-atom transfer，HAT）以及所形成的苯氧自由基的穩定性[29]，它們與酚類化合物酚羥基的數量、 位置以及由此引起的共振、共軛效應和氫鍵形成有密切關系。研究表明，酚羥基對位和鄰位的致活取代基（electron donating group，EDG，如-OH、-CH3和-OCH3）有助于降低氫氧鍵的解離能，并通過共振效應和超共軛效應穩定所生成的苯氧自由基，從而提高酚類化合物的抗氧化能力。致頓基（electron withdrawing group，EWG）也能夠通過電子離域作用穩定苯氧自由基。酚類化合物與溶劑之間的氫鍵會抑制抽氫反應的發生，從而降低其自由基清除能力，但苯氧自由基中心氧原子與相鄰的羥基形成氫鍵卻可以提高苯氧自由基的穩定性，提高帶有鄰苯二酚結構酚類化合物的自由基清除能力[28]。酚類化合物還能夠為自由基提供單電子（圖4），自身轉變為穩定的陽離子自由基。酚類化合物酚羥基的電離勢決定了其單電子轉移 （single electron transfer，SET）能力的高低，電離勢越低，酚類化合物越易提供電子，自由基清除能力越強。酚類化合物中，山奈酚等黃酮類物質和白藜蘆醇等芪類分子的平面結構和共振效應能夠引發電子離域，顯著降低某些特定酚羥基的電離勢，并通過提供電子發揮自由基清除活性[28]。

2.2 金屬離子螯合能力

許多具有氧化還原活性的過渡金屬離子，如Fe2+、Fe3+、Cu+、Cu2+等具有催化氧化反應的能力。在有氧條件下，過渡金屬能夠催化還原糖、脂質、蛋白質以及非酶糖基化中間產物的氧化，產生活性羰基化合物和自由基。例如，還原糖自動氧化過程中，烯醇化的糖分子在金屬離子的作用下生成烯醇自由基，隨后被氧化為活性羰基化合物并產生超氧自由基[30]；脂質過氧化中，脂質過氧化物受到金屬離子的催化生成過氧化自由基，并在有氧條件下將電子傳遞給脂質分子，引發脂質的進一步氧化[31]；還原態的金屬離子能夠與蛋白質多肽鏈上的賴氨酸、精氨酸、脯氨酸等氨基酸殘基形成復合物，并與過氧化氫反應生成羥基自由基，促進蛋白質在原位生成羰基衍生物，最終引發蛋白質的氧化[32]；金屬離子還能夠催化非酶糖基化早期產物，如Amadori 重排生成的烯醇和酮胺的氧化[20]。除此之外，在金屬離子的催化下，還原糖、脂質氧化所產生的過氧化氫、 超氧自由基等能夠繼續通過Haber-Weiss 或Fenton 反應生成羥基自由基，相比于其他自由基，羥基自由基具有更強的反應活性，其生成將會進一步促進AGEs 的生成[28，33]。以上這些機制的存在使非酶糖基化反應得以更快的進行，因此，金屬離子的存在會成倍地提高反應體系中AGEs 的生成[49]。

然而，通過防止金屬催化的葡萄糖、脂質以及Amadori 重排產物的氧化反應，金屬螯合劑能夠發揮顯著的AGEs 抑制作用[49]。許多天然酚類化合物具有螯合Fe2+、Fe3+、Cu+、Cu2+等金屬離子的能力，這種金屬鰲合能力的高低主要取決于其金屬結合位點上的電子給予能力，與其結構有著密切的關系。研究表明，同一苯環上相鄰的兩個羥基能夠使酚類化合物結合金屬離子，因此許多帶有兒茶酚（鄰苯二酚）、焦酚（鄰苯三酚）結構的酚類化合物都表現出了一定的金屬離子螯合能力 （圖4），而僅帶有一個酚羥基的酚類化合物由于負電荷密度較低往往不能與金屬離子形成復合物[34]。酚酸類物質主要依賴于其分子內的兒茶酚、 焦酚結構鰲合金屬，羥基肉桂酸衍生物較羥基苯甲酸衍生物具有更強的金屬鰲合能力[34]；黃酮化合物分子內除了B 環上的兒茶酚結構 （3'、4' 位點上的雙羥基）作為主要的金屬離子的結合位點外，3、5 位的雙羥基、7、8 位的雙羥基以及4 位的羰基也具有金屬離子結合的功能[35]。總體來看，兒茶酚較焦酚結構具有更強的金屬螯合能力。通過結構相似的酚酸和黃酮類化合物的對比研究發現，用焦酚替代酚類化合物分子中的兒茶酚結構會顯著降低其金屬鰲合能力[34-35]。天然酚類化合物的金屬螯合能力能夠抑制金屬離子催化的氧化反應，是除自由基清除能力外，其發揮抗氧化活性的另一個重要方面[29]。除此之外，也有研究表明某些酚類化合物與金屬離子的復合物相對于酚類化合物具有更強的抗氧化活性[37]。然而，大多數對富含酚類化合物的植物提取物的研究并未發現提取物金屬螯合能力與抗糖基化能力之間具有顯著的相關關系[36]，說明金屬螯合能力可能并非酚類化合物抗糖基化的必須機制。

2.3 活性羰基化合物清除能力

活性羰基化合物又被稱為α-二羰基化合物、α-含氧醛，其分子內包含兩個位于相鄰碳原子上的羰基?；钚贼驶衔锎嬖谟诙喾N食物中，是油炸焙烤類食品色澤與風味物質的前體，常見的活性羰基化合物包括乙二醛（GO）、丙酮醛（MGO）和3-脫氧葡萄糖醛（3-DG）。在非酶糖基化反應過程中，活性羰基化合物往往通過西弗堿和Amadori重排產物的裂解產生，并參與到后續的反應中，此過程常被稱作Namiki 途徑（圖3）[6]。除此之外，活性羰基化合物還可由還原糖及脂質的氧化產生[38]。活性羰基化合物具有很強的反應活性，相比還原糖分子，活性羰基化合物能夠在數小時之內便與蛋白質發生非酶糖基化反應[59]。某些氨基酸（如賴氨酸、精氨酸和蘇氨酸）及氨基酸殘基（半胱氨酸、組氨酸）極易與羰基化合物反應，生成蛋白羰基化合物，并通過氧化、脫水、環化等反應生成AGEs[6]。此外，活性羰基化合物分子中的兩個羰基可以分別與蛋白質多肽鏈上的游離氨基結合，生成GOLD、MOLD 等AGEs，成為引發蛋白質交聯反應的必經步驟[38]。因此，活性羰基化合物是非酶糖基化的重要途徑，能夠顯著促進AGEs 的生成。

天然酚類化合物以及富含酚類化合物的植物提取物具有顯著的活性羰基化合物清除能力，并能夠抑制由活性羰基化合物引起的AGEs 生成[39-41]。對于多種植物提取物的研究均表明，提取物中的總酚含量與其羰基化合物清除能力、AGEs 抑制能力呈現顯著的正相關[39，42-43]。Tolgahan Kocadag等[44]測定了不同材料制作的餅干中羰基化合物的含量，結果也表明，餅干中總酚含量與其乙二醛、丙酮醛和二乙酰的含量呈現負相關，這是由于酚類化合物對羰基化合物的清除作用造成的。

酚類物質具有提供電子的能力，而活性羰基化合物具有一定的親電性質[45]，這是天然酚類化合物具備羰基清除能力的基礎。對于多種酚類化合物的研究表明，酚類化合物芳香環上的非取代碳原子能夠與活性羰基化合物發生親電取代反應，形成羰基化合物復合物（圖4）[45-46]。在此過程中，天然酚類化合物與蛋白質中的賴氨酸、精氨酸殘基等糖基化活性位點競爭性地結合活性羰基化合物，從而起到清除活性羰基化合物，抑制AGEs的生成的作用[41-42，46]。

由于酚類化合物結構的差異，其結合活性羰基化合物的位點也不相同。此外，酚類化合物分子上羥基的位置與數目對其羰基化合物結合能力也有著明顯的影響。鄰苯三酚苯環中的4 位與5 位碳原子是MGO 的主要結合位點[47]。3，4-二羥基苯乙酸分子內上2 位碳原子是與MGO 結合的主要位點[46]。姜黃素類化合物主要通過側鏈上的羰基發揮羰基化合物結合能力[48]。根皮素與根皮苷分子上A 環的3、5 位是羰基化合物的結合位點，但根皮素較根皮苷具有更強的羰基化合物結合能力，說明根皮素分子中A 環上的2 位羥基在結合羰基化合物方面發揮著重要的作用[50]。對于黃酮類化合物的研究則表明，黃酮分子內A 環上的6位與8 位碳原子是主要的羰基化合物結合部位，但C 環中2，3 位的雙鍵以及A 環中5 位的羥基取代能夠顯著提高黃酮化合物的活性[47]。

2.4 保護蛋白質結構

圖4 天然酚類化合物抑制AGEs 生成的機制Fig.4 Mechanisms underlie the antiglycation property of natural derived phenolic compounds

蛋白質多肽鏈上的賴氨酸、 精氨酸和半胱氨酸殘基相對其他氨基酸殘基更易參與非酶糖基化反應，這些位點非酶糖基化與AGEs 的生成水平密切相關。對牛血清蛋白（bovine serum albumin，BSA）的研究已經闡明了Lys525、Arg410 等多個易于發生非酶糖基化的氨基酸位點[51]。這些氨基酸殘基往往位于蛋白質分子表面[52]，具有較強的親核特性且接近其他賴氨酸與組氨酸等堿性氨基酸殘基。在Amadori 重排產物的生成中起到催化作用。蛋白的非酶糖基化和AGEs 的生成會導致功能性蛋白構象的改變，對血清蛋白、血紅蛋白、溶菌酶等的體外研究表明，非酶糖基化會導致蛋白質結構的顯著改變，主要表現為親水性、紫外可見光譜和熒光性的改變、 分子中的α 螺旋比例的降低、β-折疊層和無規則卷曲比例的增加、三級結構的消失等[53-55]。在功能上則主要表現為酶活性的改變、受體識別能力的減弱、蛋白質半衰期及免疫特性的改變等，嚴重影響蛋白質功能的發揮[18，51，54]。

天然酚類化合物具有結合蛋白質的性質，該性質很早就被應用于食品的澄清與脫澀。酚類化合物分子中的芳香環與蛋白質多肽鏈上的疏水氨基酸之間通過疏水作用聚攏，并在羧基與堿性氨基酸殘基間的靜態力、 羥基與多肽鏈上C-O 和N-H 鍵之間的氫鍵甚至共價鍵等的作用下維持復合物的穩定性[28，40，56]。天然酚類化合物與蛋白質的結合能夠有效保護蛋白質結構的完整性，抑制非酶糖基化的發生[53，57]，其作用機制主要體現在兩個方面。第一，對于某些蛋白質的對接研究（docking study）表明，酚類化合物具有與蛋白質多肽鏈中氨基結合的能力。例如，綠原酸能夠與BSA 上的Lys 93、Lys 232、Lys 261 和Arg194 相結合，丁香酸能夠與BSA 上的Lys 93 和Arg194 位點相結合[53]。酚類化合物與參與非酶糖基化氨基酸殘基的結合能夠有效保護游離氨基，阻止蛋白質受到非酶糖基化修飾。第二，酚類化合物能夠通過維持蛋白質結構的穩定性來抑制非酶糖基化，例如，矢車菊素-3-葡萄糖苷能夠通過氫鍵與范德華力自發地插入BSA IIIA 結構域的疏水腔內[58]，綠原酸與阿魏酸也能夠通過疏水作用力分別插入HSA分子的IIA 和IIIA 結構域的疏水腔內[56]。酚類化合物可能在一定程度上破壞蛋白質原有的氫鍵網絡，但并不會引發其二級結構的顯著變化，相反，酚類化合物的結合能夠有效維持蛋白質二級結構中α 螺旋的穩定性，抑制β-折疊層、無規則卷曲的生成以及疏水基團的暴露，從而防止蛋白質內部的氨基酸殘基受到修飾[25]。

3 結論與展望

近年來，天然酚類化合物由于其突出的功能活性已成為食品領域的研究熱點。目前已有大量資料證明，天然酚類化合物能夠有效抑制AGEs的生成，對與AGEs 相關疾病的預防與治療具有一定作用。通過總結現有研究成果，本文歸納了天然酚類化合物抑制AGEs 生成的4 種機制：自由基清除能力、金屬螯合能力、羰基清除能力以及蛋白質結合能力（圖4）。需要看到的是，以上所討論的抑制機理往往是共同作用的。某些酚類化合物由于其特殊的結構，各種糖基化抑制機制的協同效應能夠使其具備更為明顯的抗糖基化活性，這些物質將會是今后研究與應用的重點。

然而，由于酚類化合物種類的繁多和抑制機制本身的復雜性，目前的研究多側重于對酚類化合物非酶糖基化抑制活性的描述而非抑制機制的探究，對天然酚類化合物抑制AGEs 生成機制的探討往往缺乏系統性。在天然酚類化合物抑制AGEs 生成這一課題中，仍舊有許多問題亟待解決。

首先，相對簡單的體外模擬反應體系雖然有助于簡化研究過程，但并不能完全反映酚類化合物在體內的作用機制。與其他食品成分一樣，天然酚類化合物需要經過人體的吸收代謝后才能夠發揮其生理作用，酚類化合物經過人體代謝后的產物是否依然通過原有的機制發揮作用，仍有待于研究。另一方面，酚類化合物在體內并非簡單的化學作用，而是通過影響酶的活性，基因的表達來調控相關的信號通路，減輕體內蛋白的非酶糖基化修飾以及AGEs 生成帶來的不利影響。在這一點上，細胞實驗、動物實驗將會是評價酚類化合物抑制AGEs 生成的重要手段。

其次，天然酚類化合物的抗糖基化活性會受到多種因素的影響，從酚類化合物本身的性質來看，溶解度、濃度、代謝途徑等都會對其性質產生明顯的影響，在某些情況下，酚類化合物反而具有促進氧化的作用[28]，很可能也同時促進了AGEs 的生成。而從非酶糖基化反應本身來看，反應體系的pH 值、反應物的種類、濃度、溫度都會顯著改變AGEs 的生成途徑與速率[6]?，F有的體外模擬反應體系多選用BSA、葡萄糖及MGO 等具有代表性的反應物，在生理pH，生理濃度下進行研究，但由于食品成分復雜，加工方式多樣，酚類化合物在模擬反應體系中抑制AGEs 生成的機制可能并不適用于食品體系。

雖然對酚類化合物抗糖基化的研究已具備了一定的理論基礎，但目前酚類化合物尚未得到廣泛的應用，將酚類化合物應用于食品質量的改善甚至相關疾病的防治目前仍無法完全實現，但由于酚類化合物安全無毒、 來源廣泛，因此在抑制AGEs 在食品中的生成以及預防與治療相關疾病等方面仍具有重要的研究價值。