海藻糖

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海藻糖（Trehalose）是一種由兩個α-葡萄糖分子通過1,1-糖苷鍵縮合而成的非還原性雙糖。在自然界中，它主要以雙糖形式存在，也是部分聚合物的單體結構。此外，海藻糖還有兩種立體異構體：α,β-海藻糖（新海藻糖）與β,β-海藻糖（異海藻糖）。這兩種異構體在自然界中極為罕見，尚未從生物體中提取分離，不過人們曾在澱粉水解物中發現過異海藻糖的蹤跡。許多細菌、真菌、植物及無脊椎動物自身能夠合成海藻糖，不僅將其作為能量儲備，更藉此抵禦冰凍、乾旱等極端惡劣環境，從而維繫生命。

## 合成

科學界目前已探明至少有三種途徑可實現海藻糖的生物合成。在工業生產領域，海藻糖通常由提取玉米澱粉轉化製得。

## 物理與化學性質

### 化學性質

海藻糖是由兩個葡萄糖分子通過 1,1-α 糖苷鍵相連而成的非還原糖，其系統命名為α-D-吡喃葡萄糖基-(1→1)-α-D-吡喃葡萄糖苷。這種特殊的化學鍵賦予了海藻糖極強的抗酸性水解能力，使其即使處於高溫和強酸性溶液中依然穩如泰山。作為非還原糖，其閉環結構十分穩固，內部的醛基或酮基端基不會與蛋白質中的賴氨酸或精氨酸殘基發生糖化反應（又稱美拉德反應）。在常溫下，海藻糖的溶解度低於蔗糖，只有在溫度超過 80 °C 時才會反超。二水合海藻糖能形成優美的菱形結晶，其熱量僅為同等質量蔗糖的90%左右。無水海藻糖具有強烈的吸濕性，極易吸收空氣中的水分並重新轉化為二水合物。此外，經過熱處理的無水海藻糖還會展現出諸多獨特的物理性質。

海藻糖水溶液在不同濃度下會表現出不同程度的聚集傾向。得益於其分子間極強的氫鍵作用力，海藻糖會在水中自發締合，形成大小不一的分子簇。全原子分子動力學模擬結果顯示，當濃度達到 1.5 至 2.2 摩爾每升時，這些分子簇甚至會發生滲流現象，交織成連續龐大的聚集體網路。

海藻糖還能與核酸發生直接的相互作用，它不僅有助於加速雙鏈DNA的解鏈過程，還能有效維持單鏈核酸的結構穩定。

### 生物學特性

縱觀自然界，從細菌、酵母菌等微生物，到真菌、昆蟲及各類無脊椎動物，乃至低等與高等植物，眾多生物體內均富含合成海藻糖的酶。在動物界中，海藻糖廣泛分布於蝦類及各類昆蟲（如蚱蜢、蝗蟲、蝴蝶和蜜蜂）體內，承擔著類似於脊椎動物體內「血糖」的重要生理功能。此外，在廣泛棲息於全球各類極端環境的微型蛻皮動物——緩步動物（俗稱水熊蟲）體內，科學家同樣鑑定出了與海藻糖酶相關的基因。

對昆蟲而言，海藻糖是其長途飛行時不可或缺的碳水化合物能量庫。當昆蟲體內的海藻糖酶切斷海藻糖的糖苷鍵時，會瞬間釋放出兩分子葡萄糖，以極高的效率滿足肌肉劇烈運動帶來的巨大能量缺口。相比之下，多糖聚合物（如澱粉）每斷裂一個糖苷鍵僅能釋放一分子葡萄糖，海藻糖的供能效率直接翻倍。

昆蟲血淋巴內的海藻糖與葡萄糖濃度受到一套精密內分泌系統的嚴格把控。海藻糖酶、胰島素樣肽（ILPs 與 DILPs）、脂動激素（AKH）、白細胞激肽（LK）以及章魚胺等多種酶與激素協同作用，通過複雜的代謝反饋機制維持著體內碳水化合物的穩態平衡。

在植物界，葵花籽、陰地蕨、海藻及多種卷柏屬植物中均富含海藻糖。真菌方面，人們日常食用的諸多食用菌，如香菇（Lentinula edodes）、平菇、杏鮑菇與金針菇等，也是海藻糖的豐富來源。尤為神奇的是，生長於荒漠與高山絕境的卷柏（常被稱為「九死還魂草」），即便在極度缺水、乾枯瀕死之際，只要迎來降水，便能在海藻糖的強大庇護下迅速返青，重煥生機。

關於海藻糖如何協助生物體進入並維持隱生狀態，目前學界有兩派主流假說：一是「玻璃化理論」，認為海藻糖能在細胞內形成玻璃態結構，從而阻止致命冰晶的生成；二是「水置換理論」，主張海藻糖分子能夠直接替代水分子，附著在結構表面防止其崩解。

對於細菌而言，海藻糖是其細胞壁應對滲透壓驟變與極端溫度等嚴酷環境脅迫的重要防線，發揮著不可替代的結構保護作用。酵母菌則會在遭遇非生物脅迫時，將海藻糖作為救急的碳源儲備。在人體醫學前沿，醫學界普遍推測海藻糖能有效激發細胞的自噬機制，加速清除有害的蛋白質聚集物，從而展現出可觀的神經保護潛力。

最新研究指出，海藻糖一旦與不同鏈長的脂肪酸發生酯化反應，便會激活卓越的藥理特性，在體內外實驗中均表現出顯著的抑菌、破壞生物被膜以及抗炎效果。

## 營養與膳食特性

攝入人體的海藻糖會被腸道內的海藻糖酶迅速水解為葡萄糖。這種酶廣泛分布於人類等雜食動物以及草食動物腸黏膜的刷狀緣中。相較於直接攝入單純的葡萄糖，食用海藻糖引發的血糖劇烈波動幅度較小。從甜度來看，在濃度高於22%的高濃度溶液中，海藻糖的甜度約為蔗糖的45%；然而隨著濃度稀釋，其甜度的衰減速度遠比蔗糖迅猛。例如，在2.3%的低濃度下，海藻糖溶液的味覺甜度僅為同等濃度蔗糖溶液的6.5分之一。

憑藉其出色的降低冰點特性，海藻糖成為了冰淇淋等冷凍預製食品配料表上的常客。

先天性海藻糖酶缺乏症在人類群體中極其罕見，但格陵蘭因紐特人卻是個特例——該族群中僅有10%至15%的個體體內能正常分泌這種酶。

## 代謝機制

迄今為止，科學界已破譯了五條海藻糖的生物合成路徑。最主流的是 TPS/TPP 途徑，生物體藉助海藻糖-6-磷酸（T6P）合成酶（TPS）直接催化生成海藻糖。第二條途徑存在於部分細菌中，海藻糖合成酶（TS）能以麥芽糖及另一種雙糖為底物合成海藻糖。第三條即 TreY-TreZ 途徑，部分細菌能將含麥芽寡糖或糖原的澱粉直接轉化為海藻糖。第四條途徑潛藏於原始古菌中，其體內的海藻糖糖基轉移酶（TreT）能以 ADP-葡萄糖與游離葡萄糖為原料進行合成。最後一種則是通過海藻糖磷酸化酶（TreP），該酶通常負責將海藻糖水解為 1-磷酸葡萄糖與葡萄糖，但在特定物種內，這一反應亦可逆向進行，從而實現海藻糖的合成。

與微生物的「自給自足」截然不同，脊椎動物自身完全喪失了合成與儲存海藻糖的能力。人體內的海藻糖酶並非無處不在，而是精準定位於腸黏膜、腎刷狀緣、肝臟及血液等關鍵部位。從發育階段來看，脊椎動物體內的海藻糖酶在母體妊娠期便開始表達，於斷奶期飆升至巔峰。此後，其在腸道內的活性水平便伴隨個體一生，保持高度恆定。日常生活中，我們攝入的果蔬與菇類食物內天然富含海藻糖。維持適度的海藻糖攝入對腸道健康大有裨益；反之，若長期攝入極度匱乏，反而可能誘發腹瀉等不良腸道應激症狀。

## 醫學應用

在眼科臨床治療中，海藻糖常與透明質酸強強聯手，作為緩解乾眼症的優質人工淚液產品的核心成分。此前醫學界曾有聲音懷疑，高毒性艱難梭菌的院內感染爆發可能與海藻糖的廣泛攝入存在關聯；然而，這一假說在2019年的後續深度研究中遭到了強有力的質疑與推翻。

2021年，美國食品藥品監督管理局（FDA）正式為注射用海藻糖（SLS-005）開闢綠燈，不僅受理了其新藥臨床試驗（IND）申請，更果斷授予其快速通道評審資格。這一里程碑標誌著海藻糖已被官方認定為有望攻克脊髓小腦共濟失調3型（SCA3，馬查多-約瑟夫病）的潛力新星藥物。

## 歷史

海藻糖的發現史可追溯至1832年，德國化學家 H.A.L. 維格斯（H.A.L. Wiggers）在黑麥感染的麥角中首次捕捉到了它的身影； 1859年，法國著名化學家馬塞林·貝特洛成功從一種由象鼻蟲分泌的甜味結晶物（Trehala manna）中分離純化出該物質，並正式將其定名為「海藻糖」（Trehalose）。

在細胞生物學領域，海藻糖長期以來被視作一種不依賴於經典 mTOR 通路的卓越自噬誘導劑。2017年的一項重磅研究進一步揭開了其作用機制的面紗：海藻糖是通過靶向激活 TFEB 蛋白來扣動細胞自噬的「扳機」的，而 TFEB 正是掌控細胞內「垃圾回收站」（自噬-溶酶體系統）運轉的核心調節因子。

## 基本資料

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- 其他名稱：α,α-海藻糖，蕈糖，海藻雙糖
- IUPACName：α-D-吡喃葡萄糖基 α-D-吡喃葡萄糖苷
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- ChemSpiderID：7149
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- ChEBI：16551
- 3D模型（JSmol）：OCC@@H1C@@H(O)C@H(O)C@@H(O)C@H(O1)OC@@H2C@H(O)C@@H(O)C@H(O)C@H(O2)CO
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- CASNo：99-20-7
- CASNo_Comment：(無水物)
- CASNo1：6138-23-4
- CASNo1_Comment：(二水合物)
- PubChem：7427
- 化學式：C12H22O11 (無水物)
- MolarMass：342.296 g/mol (無水物)、378.33 g/mol (二水合物)
- 外貌：白色斜方結晶
- 密度：1.58 g/cm3 (24 °C)
- MeltingPtC：203
- MeltingPt_notes：(無水物)、97 °C (二水合物)
- 水溶性：68.9 g / 100 g (20 °C)
- SolubleOther：微溶於乙醇，不溶於乙醚和苯