探析多糖硫酸化修飾的突變模式

1、探析多糖硫酸化修飾的突變模式【摘要】香菇多糖具有免疫活性，經(jīng)過硫酸化修飾后轉(zhuǎn)變?yōu)榭共《净钚?。這樣性質(zhì)的變化可用突變理論解釋，預(yù)期修飾后的硫酸多糖免疫活性狀態(tài)與抗病毒 活性狀態(tài)可同時(shí)存在，至于哪一種狀態(tài)顯示作用受環(huán)境的影響很大，環(huán)境的擾動(dòng)可使體系由一種狀態(tài)進(jìn)人另一種狀態(tài)?！娟P(guān)鍵詞】多糖硫酸化修飾突變理論自1969年日本首先發(fā)現(xiàn)香菇多糖的療效以來(lái)，多糖類的生物活性越來(lái) 越被人們所重視。香菇多糖為一種B -D- 1-3葡萄糖殘基為主鏈，側(cè)鏈為（1-6） 葡萄糖殘基的葡聚糖，天然的香菇多糖通過宿主介導(dǎo)，具有較強(qiáng)的免疫活性，是 一種有效的腫瘤藥物1香菇多糖進(jìn)行硫酸化修飾后表現(xiàn)了顯著抑制HIV（Haman

2、 immunnodeciency Virus ）的復(fù)制功能，但失去了其抗腫瘤活性2。 這種性質(zhì)的轉(zhuǎn)變可用下面的方式表示：A （免疫作用）J - B （抗病毒作用）這種性能轉(zhuǎn)變是隨著多糖硫酸酯化而進(jìn)行的。 多糖中的硫酸基慢慢的增加， 免疫活性逐漸變小，當(dāng)硫酸基的量增加到某一值時(shí)，免疫活性完全消失，轉(zhuǎn)變?yōu)?抗病毒活性。這種連續(xù)作用的原因所導(dǎo)致的不連續(xù)效果，正是突變理論所描述的， 下面我們將用突變理論加以分析。突變理論（Catastrople Theory）是法國(guó)數(shù)學(xué)家勒內(nèi)托姆（Ren eThorn） 于70年代初期創(chuàng)立的一門研究各種不連續(xù)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論 3。他證明了當(dāng)體 系控制因子的個(gè)數(shù)不超過4個(gè)

3、時(shí)，自然界中的突變只有7種基本的類型。每一種 類型都有與之對(duì)應(yīng)的勢(shì)函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)型。 對(duì)自然界的任何一種突變現(xiàn)象，由其特征可 以確定它所屬的突變類型，進(jìn)而對(duì)這一突變現(xiàn)象有一個(gè)定性的了解。對(duì)香菇多糖進(jìn)行硫酸化修飾，香菇多糖由強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)作用轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強(qiáng)的 抗病毒活性，失去了抗腫瘤的活性，這一作用的轉(zhuǎn)變過程中香菇多糖發(fā)生作用的 有效濃度改變了，因而只有一個(gè)變量，即有效濃度 X,而有效濃度的變化受香菇 多糖本身的結(jié)構(gòu)和硫酸化程度的控制，由這兩個(gè)控制因子變化所帶來(lái)性質(zhì)的突變 屬尖頂型突變類型。它的勢(shì)函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為：F=1/4x4-1 /2ax2-bx（1）托姆已經(jīng)證明，勢(shì)函數(shù)的極小值即代表體系的穩(wěn)定態(tài)。令式（

4、1）的一價(jià)導(dǎo)數(shù)為零可求得極植，即：d/dxF （a，b，x ） =x3-ax-b=0（2）隨著式中控制因子的取值不同，X就有不同的解，它相當(dāng)于三維空間（a， b, x ）中的一個(gè)曲面，被稱為變量x的“行為曲面”。這是一張光滑曲面，從 原點(diǎn)（0, 0, 0開始，在a<0的半空間中，曲面上有一個(gè)逐漸擴(kuò)展的三葉折疊 區(qū)，上葉和下葉是F的極小點(diǎn)，勢(shì)函數(shù)穩(wěn)定，中葉是F的極大點(diǎn)，勢(shì)函數(shù)不穩(wěn)定。 數(shù)學(xué)計(jì)算表明，X的行為可由判別式：D=4a3-27b2（ 3）來(lái)確定。幾何地看，它是由原點(diǎn)向下半平面引出的兩條對(duì)稱曲線所組成的 尖頂曲線見圖1。在圖1種分叉曲線把控制平面a-b劃分為三個(gè)區(qū)域，s記曲線上方的區(qū)

5、域， q記曲線上所有點(diǎn)的集合，t記曲線下方的區(qū)域。函數(shù)族在不同區(qū)域有不同的定 性性質(zhì)。在s區(qū)，滿足判別式DvO,勢(shì)F只有一個(gè)極小點(diǎn)，體系只有一種穩(wěn) 定態(tài)。在t區(qū)，滿足判別式D<0,這個(gè)區(qū)域在突變理論中被稱為“分支集”， 因?yàn)樗男螤钋∷埔粋€(gè)“尖頂”，故稱為“尖頂型突變”。在此區(qū)域勢(shì)函數(shù)F有兩個(gè)極小點(diǎn)和一個(gè)極大點(diǎn)，定性性質(zhì)與s區(qū)完全不同。它表明這時(shí)體系有兩種 可能的穩(wěn)定態(tài)。在q區(qū)，滿足判別式D=0,勢(shì)F有一個(gè)極小點(diǎn)和一個(gè)退化拐點(diǎn)， 一個(gè)微擾可使F進(jìn)人s區(qū)，拐點(diǎn)不再是退化的；也可能使F進(jìn)人t區(qū)，拐點(diǎn)分裂 為兩個(gè)極小點(diǎn)和一個(gè)極大點(diǎn)。用突變理論描述硫酸香菇多糖時(shí)，行為曲面 X=（a, b）上的每

6、一個(gè)點(diǎn)代表香菇多糖在一定的硫酸化和結(jié)構(gòu)狀態(tài)下能發(fā)揮作用的 有效濃度。硫酸化程度很小時(shí)香菇多糖處于s區(qū)，勢(shì)函數(shù)F只有一個(gè)極小值，與 此極小值對(duì)應(yīng)的X即為有效濃度。小于或大于有效濃度時(shí)，勢(shì)函數(shù)F的值都不在 最低點(diǎn)，都有回到最低點(diǎn)的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明，香菇多糖用于治療時(shí)，濃度太小時(shí) 不能起作用；濃度太大時(shí)反而有相反的作用，不是濃度越大越好，這與突變理論 所期望的是一致的。對(duì)香菇多糖進(jìn)行硫酸化修飾，隨著硫酸化程度增高其有效濃 度也在不停地變化，當(dāng)硫酸化達(dá)到某一值時(shí)，勢(shì)函數(shù)F出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)（到達(dá)左邊 的q區(qū)），硫酸化程度再增高時(shí)即進(jìn)人t區(qū)，勢(shì)函數(shù)F有兩個(gè)極小值，此時(shí)的硫 酸香菇多糖抗病毒活性與免疫效應(yīng)兩種狀態(tài)

7、并存，顯示抗病毒活性的那個(gè)勢(shì)阱相 對(duì)較淺，如果不是受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)，仍維持在免疫作用狀態(tài)，表現(xiàn)為抗腫瘤活性。 再進(jìn)一步增加香菇多糖的硫酸化程度，到達(dá)b=0時(shí)勢(shì)函數(shù)的兩個(gè)勢(shì)阱一樣深。香 菇多糖的硫酸化程度越過b=0后，顯示抗病毒活性的那個(gè)勢(shì)阱相對(duì)較深， 硫酸香 菇多糖的免疫活性已經(jīng)很弱，未受到擾動(dòng)時(shí)仍不表現(xiàn)抗病毒活性，一個(gè)小的擾動(dòng) 就可能使體系由免疫活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭共《净钚?。繼續(xù)增大香菇多糖的硫酸化程 度，勢(shì)函數(shù)從曲面的上一葉跌落到折疊的下葉（在圖 1中由t區(qū)進(jìn)人右邊的s 區(qū)），硫酸香菇多糖的性質(zhì)發(fā)生了突變，不再具有免疫活性，顯示出強(qiáng)烈的抗病 毒活性。此時(shí)的勢(shì)函數(shù)F只有一個(gè)極小點(diǎn)，抗病毒的有效濃度

8、為以極小值相應(yīng)的 X值，過大或過小都是不適應(yīng)的。對(duì)硫酸香菇多糖按突變理論進(jìn)行的分析表明，硫酸香菇多糖具有以下幾 個(gè)特征： 免疫活性狀態(tài)與抗病毒活性狀態(tài)同時(shí)存在。由香菇多糖結(jié)構(gòu)因子a、硫酸化因子b所確定的控制平面上夾在尖頂曲線兩個(gè)分支中間的那一區(qū)域內(nèi)的每 個(gè)點(diǎn)，都對(duì)應(yīng)著兩個(gè)穩(wěn)定定態(tài)點(diǎn)，一個(gè)在上葉（免疫活性狀態(tài)），一個(gè)在下葉（抗 病毒活性狀態(tài)）。 性質(zhì)的突跳?？刂茀⒘浚╝或b）的變化達(dá)到某種程度時(shí)，任何微小改變將導(dǎo)致硫酸香菇多糖的性質(zhì)從免疫活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭共《净钚誀顟B(tài)，或從抗病活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊庖呋钚誀顟B(tài)。這種狀態(tài)的突變不僅可由硫酸化修飾引起，也可隨 多糖結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變發(fā)生。 性質(zhì)的突變的滯后。對(duì)香菇多

9、糖進(jìn)行硫酸化修飾，盡管勢(shì)函數(shù)中的那個(gè)表示抗病毒活性勢(shì)阱遠(yuǎn)深于表示免疫活性的勢(shì)阱，但硫酸香菇多糖仍只顯示免疫 活性。只有當(dāng)硫酸化修飾使得表示免疫活性的勢(shì)阱變得沒有時(shí)， 才會(huì)發(fā)生性質(zhì)的 突然轉(zhuǎn)變。以上對(duì)硫酸香菇多糖進(jìn)行了分析，除了硫酸化度這一控制因子外，多糖 的結(jié)構(gòu)也很重要。因此對(duì)其它多糖的修飾具有特別重要的意義。同樣是硫酸化修飾，勻多糖的硫酸酯抗病毒活性大于雜多糖硫酸酯的活性，如右旋糖酐、角叉 菜膠等硫酸化勻多糖有強(qiáng)的抗病毒活性， 而肝素硫酸化雜多糖只有弱的活性。 突 變模型告訴我們，硫酸酯多糖的抗病毒活性和免疫活性兩種狀態(tài)可以同時(shí)存在， 至于哪一種狀態(tài)顯示作用受環(huán)境的影響很大， 環(huán)境的擾動(dòng)可使體系由一種狀態(tài)進(jìn) 人另一種狀態(tài)。雖然香菇多糖在體外不能誘導(dǎo)B-干擾素和不能活化NK細(xì)胞，但在體內(nèi)它能顯著的增加NK細(xì)胞對(duì)白介素-2及NK舌化因子的應(yīng)答。體外實(shí)驗(yàn) 不顯示活性的，體內(nèi)有可能顯示較強(qiáng)活性；體外顯示抗病毒活性的，在體內(nèi)可能 表現(xiàn)出免疫活性。這一性質(zhì)轉(zhuǎn)變的難易由勢(shì)函數(shù) F和環(huán)境擾動(dòng)大小來(lái)決定。這提 示我們?cè)谥苽淞蛩狨ザ嗵菚r(shí)，要重視多糖結(jié)構(gòu)和動(dòng)物模型篩選?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1程良斌.香菇多糖的