卡拉膠是從紅藻如角叉菜、杉藻、麒麟菜等中提取的一種海藻硫酸半乳勻多糖，不同來源的卡拉膠的含量和組成變化很大。在600多年前，愛爾蘭南部的卡拉根郡（County carragheen）的沿海居民首次使用當?shù)厥a(chǎn)的愛爾蘭苔[即皺波角叉菜（Chondrus crispus）]作食用、藥用和肥料。據(jù)有關報道，1837年從該藻分離出多糖，并于1871年提出精制的專利，稱提取物為carrageen 或carrageenin。直到近代，根據(jù)國際多糖命名委員會的建議改名為carrageenan，中文譯為卡拉膠?，F(xiàn)加工的原料主要產(chǎn)自菲律賓和印度尼西亞的麒麟菜及角叉藻、杉藻等。

表4-5　不同類型卡拉膠的結構組成（紀明侯，1997）

根據(jù)已確定的理想卡拉膠重復二糖的結構特征以及1，3-連接的D-半乳糖上的硫酸基位置，可將各類型卡拉膠分類為β族卡拉膠、κ族卡拉膠和λ族卡拉膠等（表4-5）。β族卡拉膠（包括γ-、β-、δ-、α-卡拉膠）在1，3-連接的D-半乳糖單位上不含有硫酸基；κ族卡拉膠（包括μ-、κ-、ν-、ι-卡拉膠）在1，3-連接的D-半乳糖單位C4上帶有一個硫酸基；λ族卡拉膠（包括ξ-、λ-、θ-、π-卡拉膠）則在其C2上有一個硫酸基；θ-卡拉膠在藻體內(nèi)不存在，是λ-卡拉膠經(jīng)堿處理后形成的。

不同類型的卡拉膠的結構見圖4-5。其中κ-卡拉膠的凝固性最好，其次是ι-卡拉膠。我國每年的卡拉膠產(chǎn)量在2000噸以上，廣泛應用于科研、食品工業(yè)、飲料、日用化工、橡膠業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)保等方面。已有研究表明，卡拉膠通過化學或生物手段降解和修飾后獲得的硫酸半乳聚糖及其衍生物具有抗病毒、抗腫瘤、抗?jié)?、抗凝血等多種生物活性，對人體的細胞免疫和體液免疫功能具有顯著的增強作用。

圖4-5　不同類型卡拉膠的結構

早在1943年，Mori就從海洋軟體動物中提取到能夠水解角叉菜卡拉膠的酶。海洋假單胞菌P.carrageenovora是最早研究的能夠產(chǎn)生卡拉膠酶的微生物。牟海津從海藻、海水和底泥中共計篩選到69株具有卡拉膠降解活性的菌株，其中包括弧菌（Vibrio）、假單胞菌（Pseudomonas）和噬纖維菌（Cytophaga），其中噬纖維菌MCA-2（圖4-6）所產(chǎn)卡拉膠降解酶為誘導酶，只有在培養(yǎng)環(huán)境中添加卡拉膠的情況下，菌株才能產(chǎn)生卡拉膠降解酶，并導致培養(yǎng)基黏度迅速下降，還原糖含量增加。采用MALDI-TOF-MS對卡拉膠酶解產(chǎn)物的組成、化學基團的含量及相對分子質(zhì)量進行分析，采用紅外光譜技術分析酶解產(chǎn)物攜帶的化學特征性基團的情況，并通過13C-NMR技術進一步確定該酶的具體作用位點和作用方式。結果表明，該酶為專一性內(nèi)切酶，專門水解3，6-內(nèi)醚 -D-半乳糖和D-半乳糖之間的β-1，4-糖苷鍵，酶解產(chǎn)物均以3-位連接的β-D-吡喃半乳糖 -4-硫酸為還原末端，最后形成以κ-新卡拉四糖（MW：834）和κ-新卡拉六糖（MW：1242）為主的終產(chǎn)物。

圖4-6　海洋噬纖維菌MCA-2的掃描電鏡照片

在海洋軟體動物和棘皮動物體內(nèi)有也卡拉膠酶。海洋環(huán)境中有大量以紅藻為食的動物，海螺就是其中最為重要的一種，從其消化液中往往可以提取到對紅藻多糖具有水解作用的酶類。例如，朝鮮花冠小月螺、單齒螺、疣荔枝螺等海螺的消化液中就可以提取到對卡拉膠有降解作用的酶。但海螺酶的產(chǎn)率低、底物專一性差等缺點，嚴重制約了其的開發(fā)和應用。微生物來源的酶類成為海藻多糖降解酶研究與開發(fā)的重要來源（表4-6）。

表4-6　已報道的部分卡拉膠酶

目前有關卡拉膠酶的基因水平的研究工作較少。Barbeyron等對別單胞菌的κ-卡拉膠酶基因cgkA進行測序，該基因編碼397個氨基酸的多肽和一個25個氨基酸的信號肽。Potin等從Pseudomonas carrageenovora和Cytophaga drobachiensis中分別分離到κ-卡拉膠酶基因cgnK和τ-卡拉膠酶基因cgnI，并將其克隆到E.coli中進行表達。

硫酸半乳聚糖通常具有抗病毒、抗腫瘤、抗?jié)儭⒖鼓榷喾N生物活性，特別是對HIV-1、HIV-2、皰疹病毒、囊膜病毒、棒狀病毒等許多重要病毒具有廣譜抑制活性。1991年，Girond等人報道了κ-、λ-、ι-卡拉膠對多種病毒的體外抗病毒活性。Hamasuna等人（1993，1994）報道了ι-卡拉膠對鼠巨細胞病毒（涎腺病毒Cytomegalovirus）感染小鼠的保護作用。λ-卡拉膠能通過阻斷皰疹病毒對宿主細胞的吸附過程，從而有效地抑制皰疹病毒（HSV-1，HSV-2）的侵染，并且其活性與多糖含硫量有關?？ɡz還能抑制B型流感病毒和流行性腮腺炎病毒的生長。

未來研制的高活性、低毒性且特異性強的抗HIV藥物很可能來源于海洋天然產(chǎn)物。早在1987年，Nakashima等人就發(fā)現(xiàn)卡拉膠作為一種天然的海洋硫酸多糖，能夠表現(xiàn)出顯著的抗HIV活性，特別是一定相對分子質(zhì)量大小的κ-，λ-卡拉膠在阻斷病毒吸附和抑制病毒逆轉錄酶活性方面效果顯著。從此以后，人們又尋找到更多具有抗HIV活性的天然的或人工合成的硫酸化多糖，并且對它們抗病毒作用的構效關系進行了一定的研究?？ɡz對能抑制人免疫缺陷病毒（HIV）的逆轉錄酶活性，進而抑制病毒的復制。

卡拉膠及其低聚糖的抗病毒活性與相對分子質(zhì)量大小及硫酸酯化程度密切相關。一般認為，多糖相對分子質(zhì)量在5000～60000，硫酸根含量在每單位糖殘基1.5～2范圍內(nèi)具有明顯的抗病毒效果。而且，未降解的卡拉膠由于黏度大、擴散困難，難以被機體吸收，而經(jīng)降解后得到的卡拉膠低聚糖則容易吸收。此外，有報道認為，降解后的卡拉膠可以再通過一定方式的化學修飾，如磺化或乙?；?，提高硫酸根含量或改變其空間構型，以增強其抗病毒活性?？ɡz等海藻硫酸多糖抗病毒的作用機理主要表現(xiàn)在以下幾個方面：能干擾和阻斷病毒吸附及滲入組織細胞的過程，阻斷病毒蛋白的合成，抑制病毒的逆轉錄酶的活性，進而抑制病毒的復制。

目前關于卡拉膠抗腫瘤活性的報道尚不多?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，從海洋紅藻中提取的硫酸化多糖能夠對乳腺癌、Meth-A纖維肉瘤、Ehrlich腹水瘤細胞產(chǎn)生潛在的抑制活性。師然新等（2000）利用H2O2降解角叉菜，得到不同相對分子質(zhì)量的角叉菜多糖，利用其進行對小鼠肝癌H-22的抗腫瘤實驗，發(fā)現(xiàn)相對分子質(zhì)量是影響角叉菜多糖抗腫瘤作用的重要因素，適當減小相對分子質(zhì)量可使抑瘤率升高，但相對分子質(zhì)量太小又會使抑瘤率迅速降低。牟海津發(fā)現(xiàn)，平均相對分子質(zhì)量為1726，硫含量為15.1%的卡拉膠低聚糖對小鼠S180具有明顯的抗腫瘤活性，并推測卡拉膠低聚糖的抗腫瘤作用需要借助于機體的免疫系統(tǒng)來發(fā)揮作用，間接地抑制腫瘤細胞的生長，而不是通過細胞毒作用。