甘油葡糖苷——结构与作用机理

很久之前，科学家发现把一个细胞扔到水（低渗溶液）里，它能迅速吸水膨胀，如果只是渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）导致的细胞吸水，不可能有这么快，那应该还有其他的机制，不过遗憾的是科学家一直没弄明白。

1988年，彼得·阿格雷(Peter Agre)在分离红细胞膜上Rh多肽时发现一种含量丰富的小型蛋白质，他们分离并测定了它的氨基酸序列，然后克隆了DNA，将转录的mRNA（mRNA是转录RNA，可以表达相应的蛋白质）注入到非洲爪蟾的卵母细胞中，发现在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于5min内破裂（见图1），而没有注射这个mRNA的卵母细胞基本没有变化。最终他们确定了在细胞膜上存在转运水的特异性通道蛋白，就是我们熟知的水通道蛋白（aquaporin, AQP，也称为水孔蛋白）。这是一个很重大的发现，也让阿格雷获得了2003年的诺贝尔化学奖。

图1. 注入AQP1水通道蛋白mRNA的蛙卵细胞在低渗溶液中迅速膨胀（上），没有注射的细胞基本没有变化

目前在哺乳动物中一共发现了13种水通道蛋白，有些水通道蛋白只能专一性的让水通过，比如AQP1（见图3），它存在于肾脏，用于水分再吸收。有些水通道蛋白可以允许甘油通过，例如AQP7，它是脂肪细胞唯一的水甘油通道蛋白，可以将甘油从脂肪细胞转运至血液。

图2. 水通道蛋白示意图

图3：AQP1的电镜结构，4个AQP1蛋白质构成一个四聚体，分布在磷脂双分子层上，每个水通道蛋白分子单体的中心存在一个只允许水分子通过的通道管。

皮肤上也存在水通道蛋白，编号AQP3，它表达于表皮基底层的角质形成细胞，可以转运水、甘油和尿素到达表皮，促进角质层的水合作用，是维持皮肤水合作用的一个关键因素，一个AQP3分子每秒钟可以允许30亿个水分子通过，使细胞快速调节自身体积和内部渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压），因此AQP3与皮肤保湿功能关系非常密切。紫外线和重金属（例如汞最初用来抑制水通道蛋白）可以导致角质形成细胞膜上的AQP3表达下调，从而导致皮肤干燥，角质层水合作用下降，皮肤弹性下降。另外AQP3与细胞的迁移以及皮肤的创伤愈合也有密切关系。

生命总是如此神奇，细胞膜的磷脂双分子层是一层水-油-水的结构（见图2），以保证细胞的结构稳定，水分子透过这层膜很慢，于是有了专一转运水的通道（其他物质透过细胞膜都是很慢的，所以细胞膜上有各种通道来高效转运物质）。

保湿是护肤的基础，在化妆品中我们一直采用吸水性很强的透明质酸、多元醇、氨基酸等亲水成分来络合水分子，用矿油、动植物油等疏水成分来封闭，防止水分散失。

其实皮肤补水并不是通过外界，而是通过真皮层来补水，图4显示了皮肤表层水分梯度，从基底层到角质层，水分含量逐渐降低。皮肤通过从真皮层吸收水分一级一级传递到角质层，来保持皮肤的水性环境，而化妆品中99%的水分并没有进入皮肤。那我们平时用的保湿剂例如透明质酸、甘油、氨基酸保湿剂是如何起作用的呢？

图4. 皮肤表层水分梯度

有试验已经证明，分子量小于5000的透明质酸可以进入真皮层，由于透明质酸就有极其优秀的保湿能力，所以进入皮肤之后，能牢牢地锁住水分，让细胞浸润在湿润的环境中。天然保湿因子也是这个原理，当然甘油、氨基酸保湿剂可以进入细胞，为细胞提供渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压），便于细胞吸水。高分子量的透明质酸由于只能停留在角质层，能够提供一层湿润的水层保护。所以透明质酸钠大分子和小分子配合使用，能起到更好的保湿作用。曼秀雷敦通过科学的搭配，研制的肌研水通过保湿实现了更好的抗衰功能，也被市场广泛认可。

说了这么多，我们的主题——甘油葡糖苷，这个原料为我们补水带来了一个新的突破，它可以加强表皮细胞中水通道蛋白AQP3的表达，从根本上增强细胞主动吸水的能力。

目前从自然界中已鉴定出6种甘油葡糖苷的构型，见图5.上面 a，b，c 三个构型最初发现于日本清酒以及一些传统食物中（α-GG，后面都称作GG，除非另有说明），下面d、e、f的构型仅出现在一些高等植物中。一些异养细菌和光合蓝细菌可以在盐胁迫条件下立体特异性地合成和积累 2-αGG 作为相容性溶质，这也是目前合成2-αGG的主要途径。

图5. 已发现的天然甘油葡糖苷的构型

2012年拜尔斯道夫的Schrader 及其同事研究了 GG（1-α-GG和2-α-GG，主要成分是2-α-GG） 对人类皮肤水合作用的影响，尤其是对水通道蛋白 (AQP3) 表达的影响，使用3%的GG培养角质形成细胞24h，AQP3 mRNA 表达平均增加 215%，AQP3 蛋白水平增加 156%，而采用甘油做对照的组并没有变化。

图6.通过荧光标记，AQP3蛋白在细胞膜上显黄色，细胞核显蓝色，使用3%的GG作用于细胞之后，AQP3水通道蛋白表达更多，细胞吸水更饱满。

验证过2α-GG提升细胞水通道蛋白的作用，结果显示，相比空白，0.6%浓度的2α-GG使细胞水通道蛋白AQP3的表达提升了1倍。

图7：0.6%的2α-GG（样品1）能显著提升细胞AQP3蛋白的表达（BC：阴性对照，PC：阳性对照0.3mM的CaCl2）

此外，Schrader也证实GG能够穿透角质层，使受试者在干燥压力下皮肤的水分流失显着减少，并改善皮肤的屏障功能，超过广泛使用的保湿剂甘油。

GG除了这个强大的功能，是否还有其他功效呢？当然是有的。

GG也是由蓝藻和酵母在高盐压力下富集的一种相容性溶质，以保护细胞膜和酶在高渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）下的活性。生活在高温干旱环境中的复活草为了抵抗漫长的干旱期，在细胞内积累GG，保护细胞不失水，在有水时，迅速吸收水分而恢复生机（见图8），所以得名“复活草”。因此甘油葡糖苷也类似于依克多因，具有强大的抗逆和保护细胞的能力。

图8. 复活草再生过程

在过去的20多年里，科学家已经评估了GG作为相容性溶质对多种模型酶和膜的保护作用。Borges 等人发现GG对乳酸脱氢酶免受热失活有重要作用，在0.5M GG存在下，乳酸脱氢酶在50℃加热30min，活性保留68%，而不加溶质的无任何活性保留。Sawangwan研究了GG保护不同酶在高温和冷冻干燥中的活性有重要作用，可以替代海藻糖作为蛋白质稳定剂，GG在干燥过程中对脂质体也表现出明显的稳定作用。

在人体试验中，Naoaki HARADA发现GG可以促进IGF-1的产生，增加皮肤弹性。（注：IGF-1，类胰岛素生长因子-1，是机体重要的活性蛋白多肽，具有降血糖、降血脂、舒张血管的作用。还可以促进细胞增殖分化、创伤修复，促进骨的合成代谢，刺激软骨细胞合成特异性胶原蛋白，增加糖胺聚糖的活性）陈思等研究了GG抗氧化性能和对UV质细胞损伤保护修复作用，20mg/mL的甘油葡糖苷对DPPH自由基、羟基自由基、超氧阴离子自由基的清除率分别达到29.8%、80.0%、20.0%，在紫外辐射的损伤模型中，用GG预处理和后处理的细胞存活率分别提升了59.6%和54.5%。结果表明GG不但可以促进细胞增殖，还能对紫外损伤的细胞具有一定的保护和修复作用。

国外某知名原料公司对甘油葡糖苷进行了比较全面的研究，在皮肤的保湿、光滑、弹性、抗氧化、抗炎、抗衰、皮肤厚度、提高新陈代谢、促进伤口愈合等各个方面都做了测试，显示其是十分优秀的活性物。

另外，甘油葡糖苷在口腔用品和食品方面也具有很好的潜力。

Fumihito TAKENAKA 在2000年发的一篇文章中，采用酵母发酵合成了GG，并且发现它的一些物化性质：GG的甜度是蔗糖的0.55倍，热稳定性高，热着色性能低，美拉德反应低，吸湿性低，保水性强，不生龋，消化率低。现在我们通过GG的结构可以看出，葡萄糖的醛基和甘油的羟基生成了糖苷键，由于失去了还原型的醛基，所以GG不易氧化、也不易发生美拉德反应。另外GG不能被唾液淀粉酶、胃液或胰淀粉酶分解，口腔细菌在其存在条件下也不产酸。所以这是一个非常好的口腔产品原料，不仅可以维持口腔细胞的渗透压，还能增强水通道蛋白的表达，改善中老年人口干症。

在Dabhi的文章中，GG具有与代表性抗糖尿病药物伏格列波糖（voglibose）有相似的结构（见图9）和肠道双糖消化抑制作用，所以GG是潜在的糖尿病治疗药物。并且 GG 在益生菌生长刺激、病原抑制和胃肠道耐受性方面都显示出其可以作为益生元的巨大潜力，并且可以引导益生菌产生高含量乳酸，加之GG自身有明显的甜味和良好的口感，将是一种很有前途的人类保健食品。

图9. 伏格列波糖（voglibose，左）和GG（右）的结构示意图

综上，我只简单列述了几篇文献对甘油葡糖苷功效的研究，自从最早从日本清酒中发现GG以来，人们一直在发现它的各种作用，也积累了大量的文献。在应用最为广泛的美妆产品中，GG作为强大的保湿剂，不仅能够像依克多因一样保护细胞和酶在极端条件下的活性，而且可以增强水通道蛋白的表达，使细胞自身吸水的能力增加，从而从根本上提升细胞的活力。GG可以作为基础成分用于几乎所有的护肤品中，能起到良好的辅助加持。

注：GG在初始保湿的效果上，可能会弱于甘油和葡萄糖，但其保湿的能力体现在长期的使用上，增强细胞的水通道蛋白表达，保护细胞活力，进而增强皮肤的抗逆、抗衰、抗光老化等各种能力。

说了这么多，我们知道了即使天然的甘油葡糖苷也有很多种结构（化学合成的产物会更复杂），目前研究最多的是α-GG才具有强大的生理活性（增强AQP3的表达），说明这个产品最重要的指标在于α-GG的纯度。为了获取这个具有生物活性的构型，科学家做了大量的努力，即使在2020-2021年不到两年的时间内，也有十几篇高水平论文研究α-GG的合成（百度学术搜索“Glucosylglycerol”，按时间降序排列），可见这个原料非常具有技术含量，这也是这个原料在这个市场上比较混乱的原因。