抗菌肽原理和作用机理简介

抗菌肽
（一）背景：抗菌肽具有抗菌谱广、热稳定性强、分子量小及免疫原性小等特点，其杀菌机制独特，病原菌不易产生耐药性，有望开发成新一代肽类抗生素。

但部分抗菌肽具有空间结构不稳定、溶血活性等特点，限制了临床应用。

（二）研究目的：设计或改造天然抗菌肽，提高抗菌活性的基础上消除其溶血活性，促进抗菌肽在医药上的应用，有望开发成新型抗菌药物，为解决病原菌对传统抗生素日益增强的耐药性问题提供新的途径。

（三）新产品开发：医疗器械、新型抗菌药物
（四）抗菌肽作用模型：将抗菌肽杀死细菌过程分为以下3个步骤：首先抗菌肽的多聚体与细胞膜相互吸引使其结合到膜上；其次抗菌肽疏水的C末端插入膜中,而形成两亲α-螺旋的N端留在膜界面上；最后两亲性的α-螺旋插入质膜，在质膜上形成较大孔洞，从而使细菌细胞死亡[3]。

（五）抗菌肽结构与功能：目前已经发现的抗菌肽几乎所有都含有大量带正电荷的氨基酸, 在本质上都是阳离子型的; 在抗菌肽高级结构中, 按照肽链结构可分为 4 类: 即A- 螺旋、B- 折叠、环形、伸展性结构[ 2]。

无论抗菌肽是以A- 螺旋、B- 折叠还是环形形式出现, 两亲结构(具有两个表面, 一个亲水、一个疏水) 是其共同特征。

1、抗菌肽一级结构：抗菌肽N端富含亲水性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；C端富含疏水性氨基酸残基，如丙氨酸、甘氨酸，且通
常酰胺化。

这种两亲性是抗菌肽具有抗菌活性的关键原因之一。

2、抗菌肽二级结构：
2.1α-螺旋结构抗菌肽：α- 螺旋抗菌肽分子通过其两性α- 螺旋上的正电荷与细菌细胞质膜磷脂分子上负电荷之间的静电吸引而结合在质膜上, 紧接着抗菌肽分子的疏水段借助于分子中AGP 连接的柔性插入到质膜中, 然后抗菌肽分子两性α- 螺旋也插入到质膜中, 这样就破坏了脂质双分子层原有的有序结构, 由于α- 螺旋的两亲性使抗菌肽分子通过膜内分子间的位移而相互聚集在一起, 从而在膜上形成离子通道, 细菌最终不能保持正常渗透压而致死[5, 6]。

α- 螺旋两性抗菌肽的主要特点是抗菌肽分布广, 数量多, 并具有广谱抗性; 且抗菌肽长度短( < 40 个氨基酸残基), 易于化学合成; 同时抗菌肽线性结构简单, 易于通过圆二色谱分析和多维核磁共振进行结构测定，具有很强的抗菌活性，且对哺乳动物细胞无毒副作用。

因此, 目前将α- 螺旋两性抗菌肽的肽链结构作为主要的研究对象。

2.2β-折叠和环状结构抗菌肽：具有反平行的B折叠结构, 在分子内含有2- 6个二硫键, 二硫键存在于两个构成B折叠的肽段之间, 起到稳定抗菌肽结构的作用, 也有助于抗菌肽穿过细胞膜, 但对抗菌肽的抗菌活性没有影响。

环状结构的抗菌肽抗菌作用机理同α-螺旋型抗菌肽基本相同, 都是破坏肿瘤细胞或细菌质膜结构, 引起胞内水溶性物质大量渗出, 从而最终导致肿瘤细胞和细菌死亡。

不同之处是由于防御素分子太小而不能以单聚体的形式造成膜穿孔, 但其分子结构和电生理研究提示,
防御素分子能以多聚体的形式作用于胞膜。

2.3含伸展片层结构：这类抗菌肽缺少典型的二级结构, 通常呈线型, 富含脯氨酸、甘氨酸, 其抗菌活性结构是通过肽与膜脂间的氢键或范德华力形成的, 不依赖于残基间的氢键。

抗菌肽三、四级结构：抗菌肽的三、四级结构多种多样，且会随着周围环境的变化而有所不同。

（六）影响抗菌肽抑菌活性的主要生化性质包括：螺旋度、疏水性、两亲性、正电荷数。

他们之间相互制约，相互影响；研发具有高活性、高结构稳定性和低溶血性的新型抗菌肽。

1、螺旋度：目前仍未有对抗菌肽螺旋度与抗菌活性相关性的定量描述报道。

主要原因可能是因为抗菌肽的活性受多种因素决定，氨基酸替换除改变螺旋度外，同时也导致其它结构参数的改变。

但是已有一些文献报道[4-5]：螺旋性增加能导致溶血活性极大地升高。

用D-型氨基酸替换其同分异构体L-型氨基酸是目前研究抗菌肽螺旋度与抗菌活性和溶血性关系的有效方法之一。

因为D-型氨基酸替换不利于肽链螺旋形成，能降低螺旋含量，同时并不改变其净电荷数和疏水性。

2、疏水性：在一定条件下，疏水性越大，抗菌肽的抗菌活力也就越强。

然而疏水性比例存在一个最优范围，在此范围内抗菌活性最高，在此之外抗菌活性急剧下降[2]。

疏水性对抗菌肽溶血活性的影响比对抗菌活性影响更大。

高度的疏水性与抗菌肽对真核细胞的毒性密切相关。

因此，可以在保持抗菌肽高抗菌活性的范围内降低其疏水
性以减弱溶血性。

3、两亲性：提高抗菌肽的两亲性，有助于抗菌肽抑菌活性的提高。

因为两亲性结构有利于抗菌肽与细胞膜的结合,当其与细胞膜相互作用时，亲水面与磷脂的头部通过静电相互作用结合，同时疏水面与磷脂的尾部通过疏水作用相互结合。

4、正电荷数：阳离子性决定其作用对象的选择性。

增加抗菌肽的阳离子性有助于提高抗菌肽的杀菌活性。

大多数抗菌肽带正电荷，细菌的外膜带负电荷，抗菌肽通过静电吸引作用结合到细菌表面。

所以，阳离子特性是绝大多数抗菌肽具有抗菌活性所必需的，正电荷有助于低浓度抗菌肽在膜表面富集达到有效杀菌浓度，正电荷的多少则直接影响其抗菌活性的强弱。

但抗菌肽正电荷数和抗菌活性间也无绝对正相关性。

有实验表明[21]，当正电荷增加到一定数目之后，继续增加正电荷数，抗菌活性就不再增加。