甘油葡糖苷——結(jié)構(gòu)與作用機(jī)理

很久之前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)把一個(gè)細(xì)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(dǎo)致的細(xì)胞吸水，不可能有這么快，那應(yīng)該還有其他的機(jī)制，不過遺憾的是科學(xué)家一直沒弄明白。

1988年，彼得·阿格雷(Peter Agre)在分離紅細(xì)胞膜上Rh多肽時(shí)發(fā)現(xiàn)一種含量豐富的小型蛋白質(zhì)，他們分離并測(cè)定了它的氨基酸序列，然后克隆了DNA，將轉(zhuǎn)錄的mRNA（mRNA是轉(zhuǎn)錄RNA，可以表達(dá)相應(yīng)的蛋白質(zhì)）注入到非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)在低滲溶液中，卵母細(xì)胞迅速膨脹，并于5min內(nèi)破裂（見圖1），而沒有注射這個(gè)mRNA的卵母細(xì)胞基本沒有變化。最終他們確定了在細(xì)胞膜上存在轉(zhuǎn)運(yùn)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(gè)很重大的發(fā)現(xiàn)，也讓阿格雷獲得了2003年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

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

目前在哺乳動(dòng)物中一共發(fā)現(xiàn)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(xì)胞唯一的水甘油通道蛋白，可以將甘油從脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)至血液。

圖2. 水通道蛋白示意圖

圖3：AQP1的電鏡結(jié)構(gòu)，4個(gè)AQP1蛋白質(zhì)構(gòu)成一個(gè)四聚體，分布在磷脂雙分子層上，每個(gè)水通道蛋白分子單體的中心存在一個(gè)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(hào)AQP3，它表達(dá)于表皮基底層的角質(zhì)形成細(xì)胞，可以轉(zhuǎn)運(yùn)水、甘油和尿素到達(dá)表皮，促進(jìn)角質(zhì)層的水合作用，是維持皮膚水合作用的一個(gè)關(guān)鍵因素，一個(gè)AQP3分子每秒鐘可以允許30億個(gè)水分子通過，使細(xì)胞快速調(diào)節(jié)自身體積和內(nèi)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(guān)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(dǎo)致角質(zhì)形成細(xì)胞膜上的AQP3表達(dá)下調(diào)，從而導(dǎo)致皮膚干燥，角質(zhì)層水合作用下降，皮膚彈性下降。另外AQP3與細(xì)胞的遷移以及皮膚的創(chuàng)傷愈合也有密切關(guān)系。

生命總是如此神奇，細(xì)胞膜的磷脂雙分子層是一層水-油-水的結(jié)構(gòu)（見圖2），以保證細(xì)胞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水分子透過這層膜很慢，于是有了專一轉(zhuǎn)運(yùn)水的通道（其他物質(zhì)透過細(xì)胞膜都是很慢的，所以細(xì)胞膜上有各種通道來高效轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)）。

保濕是護(hù)膚的基礎(chǔ)，在化妝品中我們一直采用吸水性很強(qiáng)的透明質(zhì)酸、多元醇、氨基酸等親水成分來絡(luò)合水分子，用礦油、動(dòng)植物油等疏水成分來封閉，防止水分散失。

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

圖4. 皮膚表層水分梯度

有試驗(yàn)已經(jīng)證明，分子量小于5000的透明質(zhì)酸可以進(jìn)入真皮層，由于透明質(zhì)酸就有極其優(yōu)秀的保濕能力，所以進(jìn)入皮膚之后，能牢牢地鎖住水分，讓細(xì)胞浸潤(rùn)在濕潤(rùn)的環(huán)境中。天然保濕因子也是這個(gè)原理，當(dāng)然甘油、氨基酸保濕劑可以進(jìn)入細(xì)胞，為細(xì)胞提供滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓），便于細(xì)胞吸水。高分子量的透明質(zhì)酸由于只能停留在角質(zhì)層，能夠提供一層濕潤(rùn)的水層保護(hù)。所以透明質(zhì)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(xué)的搭配，研制的肌研水通過保濕實(shí)現(xiàn)了更好的抗衰功能，也被市場(chǎng)廣泛認(rèn)可。

說了這么多，我們的主題——甘油葡糖苷，這個(gè)原料為我們補(bǔ)水帶來了一個(gè)新的突破，它可以加強(qiáng)表皮細(xì)胞中水通道蛋白AQP3的表達(dá)，從根本上增強(qiáng)細(xì)胞主動(dòng)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(gòu)型，見圖5.上面 a，b，c 三個(gè)構(gòu)型最初發(fā)現(xiàn)于日本清酒以及一些傳統(tǒng)食物中（α-GG，后面都稱作GG，除非另有說明），下面d、e、f的構(gòu)型僅出現(xiàn)在一些高等植物中。一些異養(yǎng)細(xì)菌和光合藍(lán)細(xì)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(zhì)，這也是目前合成2-αGG的主要途徑。

圖5. 已發(fā)現(xiàn)的天然甘油葡糖苷的構(gòu)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(duì)人類皮膚水合作用的影響，尤其是對(duì)水通道蛋白 (AQP3) 表達(dá)的影響，使用3%的GG培養(yǎng)角質(zhì)形成細(xì)胞24h，AQP3 mRNA 表達(dá)平均增加 215%，AQP3 蛋白水平增加 156%，而采用甘油做對(duì)照的組并沒有變化。

圖6.通過熒光標(biāo)記，AQP3蛋白在細(xì)胞膜上顯黃色，細(xì)胞核顯藍(lán)色，使用3%的GG作用于細(xì)胞之后，AQP3水通道蛋白表達(dá)更多，細(xì)胞吸水更飽滿。

驗(yàn)證過2α-GG提升細(xì)胞水通道蛋白的作用，結(jié)果顯示，相比空白，0.6%濃度的2α-GG使細(xì)胞水通道蛋白AQP3的表達(dá)提升了1倍。

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

此外，Schrader也證實(shí)GG能夠穿透角質(zhì)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(gè)強(qiáng)大的功能，是否還有其他功效呢？當(dāng)然是有的。

GG也是由藍(lán)藻和酵母在高鹽壓力下富集的一種相容性溶質(zhì)，以保護(hù)細(xì)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(huán)境中的復(fù)活草為了抵抗漫長(zhǎng)的干旱期，在細(xì)胞內(nèi)積累GG，保護(hù)細(xì)胞不失水，在有水時(shí)，迅速吸收水分而恢復(fù)生機(jī)（見圖8），所以得名“復(fù)活草”。因此甘油葡糖苷也類似于依克多因，具有強(qiáng)大的抗逆和保護(hù)細(xì)胞的能力。

圖8. 復(fù)活草再生過程

在過去的20多年里，科學(xué)家已經(jīng)評(píng)估了GG作為相容性溶質(zhì)對(duì)多種模型酶和膜的保護(hù)作用。Borges 等人發(fā)現(xiàn)GG對(duì)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(zhì)的無任何活性保留。Sawangwan研究了GG保護(hù)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(zhì)穩(wěn)定劑，GG在干燥過程中對(duì)脂質(zhì)體也表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定作用。

在人體試驗(yàn)中，Naoaki HARADA發(fā)現(xiàn)GG可以促進(jìn)IGF-1的產(chǎn)生，增加皮膚彈性。（注：IGF-1，類胰島素生長(zhǎng)因子-1，是機(jī)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(jìn)細(xì)胞增殖分化、創(chuàng)傷修復(fù)，促進(jìn)骨的合成代謝，刺激軟骨細(xì)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(duì)UV質(zhì)細(xì)胞損傷保護(hù)修復(fù)作用，20mg/mL的甘油葡糖苷對(duì)DPPH自由基、羥基自由基、超氧陰離子自由基的清除率分別達(dá)到29.8%、80.0%、20.0%，在紫外輻射的損傷模型中，用GG預(yù)處理和后處理的細(xì)胞存活率分別提升了59.6%和54.5%。結(jié)果表明GG不但可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，還能對(duì)紫外損傷的細(xì)胞具有一定的保護(hù)和修復(fù)作用。

國(guó)外某知名原料公司對(duì)甘油葡糖苷進(jìn)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(jìn)傷口愈合等各個(gè)方面都做了測(cè)試，顯示其是十分優(yōu)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(fā)的一篇文章中，采用酵母發(fā)酵合成了GG，并且發(fā)現(xiàn)它的一些物化性質(zhì)：GG的甜度是蔗糖的0.55倍，熱穩(wěn)定性高，熱著色性能低，美拉德反應(yīng)低，吸濕性低，保水性強(qiáng)，不生齲，消化率低�，F(xiàn)在我們通過GG的結(jié)構(gòu)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(fā)生美拉德反應(yīng)。另外GG不能被唾液淀粉酶、胃液或胰淀粉酶分解，口腔細(xì)菌在其存在條件下也不產(chǎn)酸。所以這是一個(gè)非常好的口腔產(chǎn)品原料，不僅可以維持口腔細(xì)胞的滲透壓，還能增強(qiáng)水通道蛋白的表達(dá)，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(jié)構(gòu)（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(zhǎng)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(dǎo)益生菌產(chǎn)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。

圖9. 伏格列波糖（voglibose，左）和GG（右）的結(jié)構(gòu)示意圖

綜上，我只簡(jiǎn)單列述了幾篇文獻(xiàn)對(duì)甘油葡糖苷功效的研究，自從最早從日本清酒中發(fā)現(xiàn)GG以來，人們一直在發(fā)現(xiàn)它的各種作用，也積累了大量的文獻(xiàn)。在應(yīng)用最為廣泛的美妝產(chǎn)品中，GG作為強(qiáng)大的保濕劑，不僅能夠像依克多因一樣保護(hù)細(xì)胞和酶在極端條件下的活性，而且可以增強(qiáng)水通道蛋白的表達(dá)，使細(xì)胞自身吸水的能力增加，從而從根本上提升細(xì)胞的活力。GG可以作為基礎(chǔ)成分用于幾乎所有的護(hù)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(huì)弱于甘油和葡萄糖，但其保濕的能力體現(xiàn)在長(zhǎng)期的使用上，增強(qiáng)細(xì)胞的水通道蛋白表達(dá)，保護(hù)細(xì)胞活力，進(jìn)而增強(qiáng)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(jié)構(gòu)（化學(xué)合成的產(chǎn)物會(huì)更復(fù)雜），目前研究最多的是α-GG才具有強(qiáng)大的生理活性（增強(qiáng)AQP3的表達(dá)），說明這個(gè)產(chǎn)品最重要的指標(biāo)在于α-GG的純度。為了獲取這個(gè)具有生物活性的構(gòu)型，科學(xué)家做了大量的努力，即使在2020-2021年不到兩年的時(shí)間內(nèi)，也有十幾篇高水平論文研究α-GG的合成（百度學(xué)術(shù)搜索“Glucosylglycerol”，按時(shí)間降序排列），可見這個(gè)原料非常具有技術(shù)含量，這也是這個(gè)原料在這個(gè)市場(chǎng)上比較混亂的原因。