Qua tham khảo các tài liệu đã công bố về nghiên cứu cấu trúc và hoạt tính sinh học của fucoidan trên thế giới, chúng tôi nhận thấy fucoidan từ rong nâu là một polymer sinh học có cấu trúc rất phức tạp bởi tính đa dạng và sự không đồng nhất về thành phần đƣờng cũng nhƣ vị trí nhóm sulfate trên các gốc đƣờng [26,28,38,68,69]. Vì vậy, dù đã có rất nhiều công trình công bố về cấu trúc của fucoidan, nhƣng chỉ có một số công bố đƣa ra đƣợc cấu trúc một cách rõ ràng mà phần lớn chỉ đƣa ra cấu trúc của một phân đoạn có độ lặp lại cao của chúng. Cho đến nay những công bố về cấu trúc của fucoidan một cách rõ ràng nhất là fucoidan đƣợc phân lập từ các loài rong nâu sinh trƣởng ở vùng ôn đới nhƣ Fucus evnescens C.Ag, Fucus vesiculosus, Fucus distichus,
Ascophyllum nodosum,…
Cấu trúc của fucoidan có thể khác nhau giữa các loài rong nâu khác nhau và có thể thay đổi khác nhau ngay trong cùng một loài.. Về cơ bản chia làm hai nhóm, một nhóm fucoidan từ Laminaria saccharina, L. digitata,
Analipus japonicus, Cladosiphon okamuranus, và Chorda filum có mạch
chính đƣợc tạo thành bởi liên kết lặp lại đều đặn của các gốc (1→3)-α-L- fucopyranose, với một số nhóm sulfate ở vị trí C-2 hoặc vị trí C-4. Nhóm thứ hai bao gồm fucoidan từ các lòai rong Fucus và Ascophyllum nodosum có liên
kết chính lặp lại một cách tuần tự các gốc (1→3)-α-L-fucopyranose và (1→4)-α-L-fucopyranose . Các fucoidan này đƣợc miêu tả ở bảng 1.4.
Bảng 1.4. Cấu trúc hóa học của các fucoidan từ một số loài rong nâu
Loài rong nâu Cấu trúc hóa học của các Fucoidan TLTK
Analipus 3(4Fucp) và 1 (2Fucp) /10 (1→3)-α-L- Bilan et
japonicus Fucp(2/4SO3
-) al.,2007
[70]
Ascophyllum [→3)-α-L-Fucp(2SO3-)-(1→4)-α-L- Chevolot
nodosum Fucp(2,3-điSO3-)-(1→]n etal.,2011[27]
A.nodosum (1→3)-α-L-Fucp và một ít (1→4)-α-L-Fucp Mariais cùng (1→3)-α-L-(2 và hoặc 4 Fucp) etal.,[71] Chorda filum -[→3)-α-L-Fucp-(1-]3→3)-α-L- Chizhov et
Fucp(2Fucp)-(1→ al.,1999[72]
Fucusdistichus →3)-α-L-Fucp-(2,4-diSO3-)-(1→4)-α-L- Bilan et
L Fucp-(2SO3-)-(1→ al.,[28]
F.evanescens →3)-α-L-Fucp(2SO3-)-(1→4)-α-L- Bilan et
Fucp(2SO3-)-(1→ al.,[37]
F.serratus L →3)-α-L-Fucp(2R1,4R2)-(1→4)-α-L- Bilan et
Fucp(2SO3-)-(1→ al.,2006
a. (~50%): R1 = SO3- , R2 = H
b. (~50%): R1 = H, R2 = α-L-Fucp-(1→4) )- α-L-
Fucp(2SO3-)-(1→3)-α-L-Fucp(2SO3-)-(1→
Laminaria →3)-α-L-Fucp(4SO3-)-(1→ và thêm →3) )- Usov et
sacharina α-L-Fucp(4SO3-hoặc 2Fucp)-(1→ al.,1998 [73]
Stoechosperm →3)-α-L-Fucp(2/4SO3-)-(1→ và →4-α-L- Adhikari et
Daniel và cộng sự chiết tách fucoidan từ rong nâu A.nodosum đã sử dụng các enzyme đặc hiệu làm xúc tác sinh học để thủy phân tạo fucoidan oligosaccharide và khẳng định sự có mặt của lƣợng lớn các liên kết glycoside của gốc α -L-fucose(1→3) và α -L-fucose (1→4)[75].
Cấu trúc fucoidan từ loài rong Ecklonia kurome đã đƣợc công bố năm 1991 bởi Nishino và Nagumo. Phổ NMR của polysaccharide là quá phức tạp để cho phép giải thích cấu trúc một cách trực tiếp, có thể do tính dị thể của cấu trúc. Cấu trúc của fucoidan này chủ yếu là α -L-fucose(1→3) với các nhóm sulfate ở C-4, không loại trừ sự có mặt của các nhóm sulfate khác hoặc các nhánh ở vị trí 2 [76]. Fucoidan từ Sargassum binderi là →3)fuc(2- OSO3-)(1→3)fuc(1→ [77].
Fucoidan tách và phân lập từ rong nâu Pelvetia canaliculata bằng phƣơng pháp sử dụng enzyme đặc hiệu để thủy phân về fucoidan oligosaccharide bao gồm tetrasaccharide và hexasaccharide có chứa các đơn vị lặp lại disaccharide →3)-α-L-Fucp (2SO3-)(1→4)-α-L-Fucp-2,3 (đi SO3-) (1→, dùng enzyme đặc hiệu này chỉ thủy phân liên kết (1→4) do đó xác định đƣợc cấu trúc hoàn thiện của fucoidan này là [→4)-α-L-Fucp-2,3(đi SO3-) (1→3)-α-L-Fucp(2SO3-)(1→]n [1].
Fucoidan tách và phân lập từ rong nâu Cladosiphon okamuranus bằng phƣơng pháp sử dụng enzyme đặc hiệu để thủy phân về fucoidan
oligosaccharide có cấu trúc là {→3)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-4(SO3-) (1→3)-α-L-Fucp-4(SO3-)(1→3)-[α-D-GlcpA-(1→2)]-α-L-Fucp-(1→}m-3)-α- L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-4(SO3-)(1→3)-α-L-Fucp-4(SO3-)(1→3)-L-Fuc (m =0, 1, 2, 3) [1].
Fucoidan tách và phân lập từ rong nâu Kjellmaniella crassifolia bằng phƣơng pháp sử dụng enzyme đặc hiệu để thủy phân về fucoidan oligosaccharide có đơn vị cấu trúc cơ bản lặp lại là trisaccharide {→4)-β-D- GlcpA-(1→2)-[α-L-Fucp(3SO3-)(1→3)]-α-D-Manp-(1→}n [1].
Trong thành phần của các fucoidan ngoài fucose và sulfate còn có một lƣợng nhỏ các monosaccharide nhƣ galactose, glucose, mannose, xylose,
uronic axit. Cùng với sự xuất hiện của nhóm O-acetyl và các mạch nhánh trong phân tử fucoidan càng tăng thêm tính dị thể về cấu trúc của chúng. Một số fucoidan mà thành phần chủ yếu là galactose, fucose và sulfate hay còn gọi là galactofucan sulfate đƣợc tách từ một số loài rong nâu nhƣ Laminaria
angustata, Laminaria longissima, Alaria fistulosa, Undaria pinnatifida, Laminaria japonica, Laminaria cichorioides, Laminaria gurjanovae và Sargassum patens. Trong khi đó có rất nhiều fucoidan có cấu trúc rất phức tạp
đƣợc tách chiết và phân lập từ một số loài rong nâu Dictyota menstrualis,
Padina gymnospora, Spatoglossum schroederi, Hizikia fusiforme, Sargassum fusiforme, Kjellmaniella crassifolia. Thành phần hóa học của chúng chứa rất
nhiều các đƣờng đơn nhƣ fucose, galactose, glucose, mannose, xylose, còn có uronic axit và sulfate, ngoài ra có thể có nhóm acetyl hóa. Vì vậy việc xác định cấu trúc của chúng đang là một thách thức đối với các nhà khoa học nghiên cứu cấu trúc của polysaccharide nói chung và fucoidan nói riêng, tuy vậy chúng ta có thể xác định đƣợc đặc điểm cấu trúc đặc trƣng của fucoidan. Trong trƣờng hợp này các nhà khoa học phải sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhƣ phân tích methyl hóa, đề sulfate hóa, tự thủy phân, enzyme thủy phân fucoidan,… kết hợp cùng các phƣơng pháp hóa lý hiện đại nhƣ NMR 2D, 3D, MALDI-TOF/MS/MS, SAXS để giải quyết bài toán cấu trúc phức tạp của fucoidan.
Việc áp dụng các phƣơng pháp phân tích khối phổ hiện đại MALDI- TOF/MS/MS và ESI-MS/MS để phân tích cấu trúc của các polysaccharide nói chung và fucoidan nói riêng đã tạo ra một bƣớc đột phá mới trong phân tích cấu trúc phức tạp của polysaccharide rong biển. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là khả năng phân tích nhanh và chính xác vị trí của nhóm sulfate cũng nhƣ trật tự giữa các gốc đƣờng trong phân tử fucoidan. Việc áp dụng thành công phƣơng pháp này nhóm nghiên cứu của Anastyuk ở Viện Hóa sinh Hữu cơ Thái Bình Dƣơng, Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Chi nhánh Viễn Đông, Liên Bang Nga đã công bố lại cấu trúc fucoidan từ loài rong Fucus
evanescens và thêm 03 loại cấu trúc fucoidan mới từ các loài rong Costaria
costata, Laminaria cichorioides và Coccophora langsdorfii đã đƣợc công bố.
Hàn lâm Khoa học Nga đi tiên phong trong việc sử dụng các phƣơng pháp phổ cộng hƣởng từ hạt nhân một chiều 1D và hai chiều 2D để nghiên cứu cấu trúc của fucoidan. Kết quả đã có 04 loại cấu trúc của fucoidan từ các loài rong nâu Laminaria saccharina, Fucus evanescen, Fucus serratus, Fucus distichus
L. của Nga đƣợc công bố. Do sự đa dạng về cấu trúc và hoạt tính sinh học với
khả năng ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực công nghiệp dƣợc liệu. Vì vậy dù đã đƣợc bắt đầu nghiên cứu từ hơn 100 năm trƣớc, hiện nay fucoidan vẫn luôn thu hút đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới nhằm tìm kiếm các loại thuốc mới. Cho đến nay, phần lớn các công bố về hoạt tính sinh học của fucoidan đƣợc thực hiện trên các sản phẩm fucoidan thƣơng mại hoặc chiết thô nên mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học của fucoidan thực tế vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu một cách rõ ràng. Vì vậy, để có thể sử dụng fucoidan làm thuốc thì yếu tố tiên quyết và quan trọng nhất là phải xác định đƣợc cấu trúc chi tiết của chúng.
Năm 2017, nhóm nghiên cứu do Roza V. Usoltseva đứng đầu cùng với các cộng sự thuộc Viện Hóa Hữu cơ, Viện Hàn lâm Khoa học Nga bằng phƣơng pháp phổ cộng hƣởng từ hạt nhân một chiều 1D, hai chiều 2D và khối phổ đã xác định đƣợc cấu trúc của fucoidan từ rong nâu Sargassum
duplicatum với thành phần chủ yếu là galactose, fucose và sulfate hay còn gọi
là galactofucan sulfate. Trong đó, hàm lƣợng sunfate chiếm 31,7%, tỉ lệ giữa các gốc đƣờng Fuc:Gal ~ 1:1. Cấu trúc mạch chính của fucoidan đƣợc chiết từ rong Sargassum duplicatum đƣợc tạo ra từ các đơn vị lặp lại {→4)-α-L- Fuc-(1→4)-β-D-Gal- 1→}n
Cấu trúc của fucoidan này chủ yếu là liên kết α -L-fucose(1→3) và α- L-fucose(2→4), với các nhóm sunfate chủ yếu ở vị trí C2, C4 và ít hơn ở C3 trên gốc đƣờng fucose, nhóm sunfate chủ yếu tại vị trí C2, C3 và ít hơn ở C4, C6 trên gốc đƣờng glactose [78].
Đến khoảng cuối năm 2017, nhóm nghiên cứu do Roza V. Usoltseva đứng đầu cùng với các cộng sự thuộc Viện Hóa Hữu cơ, Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã có những công bố mới về đặc điểm thành phần và cấu trúc fucoidan thu nhận từ rong nâu Padina boryana. Về thành phần, fucoidan đƣợc
thu nhận từ rong nâu Padina boryana có hàm lƣợng sunfat là 18,6%, trong thành phần có chứa các gốc đƣờng gồm fucose (39,8%mol), galactose (36,7%mol), manose (17,4%mol), glucose (6%mol) [79]. Trƣớc đây, rong nâu Padina boryana cũng đã đƣợc nhóm nghiên cứu do giáo sƣ Shevchenko đứng đầu công bố trong thành phần chứa hàm lƣợng sunfate 18,2%, fucose (61%mol), galactose (31%mol), manose (4%mol), glucose (3%mol), ngoài ra còn có nhóm axetyl. Sự khác nhau về thành phần này đƣợc giải thích là do sự khác nhau về phƣơng pháp chiết. Việc xác định chính xác cấu trúc của fucoidan là vô cùng khó khăn, vì vậy tác giả đã tiến hành một số phản ứng phụ nhằm tách nhóm sunfate và axetyl. Sau khi thực hiện các phản ứng phụ này, fucoidan mới đƣợc phân lập trong thành phần chỉ chứa 2 loại gốc đƣờng galactose và fucose đƣợc gọi là galactofucan. Bằng phƣơng pháp phổ NMR, fucoidan mới đƣợc phân lập trong thành phần mạch chính có liên kết 1,4-α-L- fucopyranose và 1,3-β-D-Galactopyranose. Để làm sáng tỏ cấu trúc, các nhà khoa học đã tiến hành phản ứng tự thủy phân nhằm mục đích thu đƣợc các mảnh oligosaccharide và xác định chúng bằng khối phổ. Kết quả thu nhận đƣợc các mảnh disaccharide gồm fucose và galactose liên kết với nhau bằng liên kết 1,3 hoặc 1,4. Nhóm chức sunfate đính vào các vị trí C2,C3 và C4 trên cả 2 gốc đƣờng fucose và galactose [79].