半乳糖的作用

背景及概述^[1][2]

半乳糖是乳糖、棉子糖、水苏糖、半乳聚糖的水解产物，作为果胶、树胶和胶浆以及一些黄酮苷和花色苷的组分而存在于许多植物中，也是动物脑髓的重要物质之一。石花菜胶(即琼脂)主要成分就是半乳糖衍生物的聚合物。无色晶体。有旋光活性和变旋现象。从水溶液中结晶者含一分子结晶水，梭柱体或针状体，熔点118—120℃；从乙醇溶液中结晶者为片状体，熔点165—168℃。溶于水和乙醇。微溶于甘油。

为海洋浮游生物中含量最多的糖，在海水和悬浮物中以游离糖和结合糖的形式存在。在天然海水中的浓度一般为微克/升级。也是海洋沉积物中的一种优势糖。动物界较为常见的一种单糖。属乳糖的一半，由乳糖水解而得。与葡萄糖相同，具有与己醛糖相似的化学性质。存在着α-型结晶(熔点118～120℃，比旋光度+150.7°)和β-型结晶(熔点165℃，比旋光度+52.8°)。

在水溶液中有变旋现象，达到平衡时的比旋光度为+80.2°。与葡萄糖在结构上的差异仅是C₄ 的构型不同。在自然界中广泛存在于人乳、牛乳及其他哺乳动物的乳汁中，含量约5%。它与果糖和葡萄糖一起组成棉子糖。也是组成脑髓的重要物质之一。半乳糖的一些衍生物广泛分布在植物界，如半乳糖醛酸是组成植物粘液的主要成分，石花菜胶(也称琼脂)的主要成分是半乳糖衍生物的高聚体。

半乳糖在生成乳糖后稍有甜味，可用于制作婴儿食品、糖果以及人造奶油，医药上可用作矫味剂。有人认为，儿童的半乳糖血症遗传病是一种不正常的半乳糖代谢，是因在一些组织(如红血球、肝脏等)中半乳糖酶降低，以致在食用乳糖或半乳糖食品时引起了半乳糖-1-磷酸的大量蓄积而得病。

结构

应用^[3]

半乳糖常以D-半乳糖苷的形式存在于大脑和神经组织中，也是某些糖蛋白的重要成分。－半乳糖是一种还原单糖，大量存在于乳制品及其他非乳制品食物中( 如水果、蔬菜等) ，半乳糖是构成脑神经系统中脑苷脂的成分，与婴儿出生后脑的迅速生长有密切关系。食物中的半乳糖主要来自奶类所含的乳糖，然而，患有乳糖不耐症的婴儿由于缺乏乳 糖酶无法分解代谢乳糖，因此需在食物中添加D半乳糖。

半乳糖在正常情况下可代谢葡萄糖，但过量时产生ROS 和高级糖基化终末产物( advanced glycation end products，AGEs)，后者作用于高级糖基化终末产物受体，可导致氧化应激、线粒体功能障碍、细胞损伤和炎症反应；也有研究表明AGEs 先引起ROS 升高，进一步诱导机体氧化应激，促进衰老发生。

1. 氧化应激

自由基的产生可加速细胞衰老的进程，因此氧化应激致衰老理论已被广泛接受。研究表明，连续7 周皮下注射D-半乳糖100mg /( kg·d) 诱导的大鼠衰老模型大脑组织细胞中ROS 水平升高，脂质过氧化作用标志物丙二醛水平升高，而机体内抗氧化酶( 超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶及谷胱甘肽转移酶) 水平显著下降；另外，D-半乳糖还可通过诱导线粒体功能障碍，进一步诱导ROS 产生，促进细胞和机体组织衰老。

2.  线粒体功能障碍

线粒体是细胞的能量代谢工厂，对维持细胞的正常新陈代谢起着重要作用。较多证据表明，线粒体功能与年龄相关疾病有紧密联系，线粒体脱氧核糖核酸( deoxyribonucleic acid，DNA) 突变可诱导细胞产生大量自由基，促进细胞和组织衰老。

在D-半乳糖诱导的大鼠衰老模型中，耳蜗神经腹侧核细胞中H2O2 水平、还原性辅酶Ⅱ及其亚基P22phox、P47phox、P67phox 表达量均升高，且线粒体DNA 缺失增加，三磷酸腺苷( adenosine triphosphate，ATP) 水平下降，电子传递链复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ水平均下降，线粒体膜电位下降，超微结构亦见异常等，提示线粒体功能明显受损，而线粒体功能障碍可导致多种年龄相关性疾病，如阿尔兹海默病、帕金森病、亨廷顿病等。

3. 免疫炎症

炎症对机体是一把双刃剑，当内源性或外源性病原体侵袭机体时，炎症应答激活对机体具有保护性作用；然而，系统性、低水平的慢性炎症与许多年龄相关性疾病或衰老有着密切关系，即炎性衰老。

研究发现，100 mg /( kg·d) D-半乳糖诱导的小鼠衰老模型免疫器官退化、免疫功能降低、促炎症因子( 如IL-1β、IL-6 及TNF-α 等) 分泌增加、抗炎症因子(如IL-10) 分泌降低，机体转变成一种慢性炎症状态，从而促进细胞和机体老化。此外，D-半乳糖还可激活核转录因子-κB、促分裂素原活化蛋白激酶等炎症信号通路，促进炎症因子的释放，从而加速机体炎性状态形成，加速衰老。

4. 端粒缩短

端粒位于真核细胞染色体末端，由端粒DNA 和端粒蛋白组成，对染色体的稳定性有重要作用，端粒缩短可抑制细胞分裂和组织再生，在衰老及衰老相关性疾病中扮演着重要角色。D-半乳糖诱导小鼠衰老模型发现，端粒长度和端粒酶活性显著降低，提示D-半乳糖可能通过诱导端粒缩短促进衰老的发生和发展。但有其他研究发现，D-半乳糖并不能使小鼠的卵巢端粒长度和端粒酶活性发生改变。因此，D-半乳糖促进端粒缩短及抑制端粒酶活性是否可作为致衰老的机制还有待进一步证明。

5. 代谢障碍

ATP 是机体细胞能量的主要来源，当能量代谢紊乱时，ATP 合成下降，细胞正常功能受到抑制，促进细胞衰老。皮下注射150 mg /( kg·d) D-半乳糖诱导的小鼠衰老模型研究发现，模型组能量代谢相关酶的活性发生明显变化，其中乳酸脱氢酶活性增加，谷胱甘肽转移酶、谷氨酰胺合成酶、肌酸激酶活性显著下降，提示D-半乳糖可能通过影响代谢，促进衰老的发生发展。

制备^[4]

一种黑荆胶中D半乳糖的提取方法，其包括以下步骤：

(1)、使用0.5wt％～10wt％的稀硫酸对黑荆胶进行水解，水解温度为80℃～120℃，水解 时间为1～24小时，所得水解液中含有D半乳糖和L阿拉伯糖单糖；

(2)、向上述水解液中加入碳酸钙或氧化钙或二者的混合物，以使水解液中的硫酸根离子 以硫酸钙沉淀形式析出，过滤除去沉淀，保留滤液；

(3)、将步骤(2)所得滤液依次通过阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和色谱分离树脂，获得D半乳糖的溶液，所述色谱分离树脂为选自Ca2+、Pb2+、K+或H+型分离树脂中的一种；

(4)、步骤(3)所得D半乳糖的溶液经浓缩，结晶，干燥获得D半乳糖。每100kg黑荆胶中可取提8~15kg的D-半乳糖，所提取的D-半乳糖为纯天然物质，可广泛使用于保健品、医药、食品中。

主要参考资料

[1] 海洋化学辞典

[2] 科学技术社会辞典·化学

[3] 刘建亚, 冯文静, 王仁萍, 等. D-半乳糖致衰老动物模型及其机制研究进展[J]. 中华老年多器官疾病杂志, 2018, 17(3): 224-227.

[4] CN201010531239.3. 一种黑荆胶中D-半乳糖的提取方法.