抗菌肽的作用机理、生物学活性及其在畜牧中的应用研究

抗菌肽的作用机理、生物学活性及其在畜牧中的应用研究

郑云峰，谷保扬，陆克文

（上海邦成生物科技有限公司，上海徐汇200231）

摘要：目前，抗生素的大量使用已日益成为人们关注的重点，一方面抗生素在食品中的残留，威胁到人类的健康，另一方面随着抗生素的用量越来越大，造成动物的自身免疫力不断下降。因此寻求更可靠的替代抗生素的方法已迫在眉睫。抗菌肽是一种多肽类的抑菌、抗病毒和提高动物免疫力的物质，与抗生素相比具有作用速度快、无残留、不易产生抗药性等优点，是抗生素的理想替代品，本文就抗菌肽的理化特性、作用机理、生理作用及在畜牧上的应用作一综述。

关键词：抗菌肽作用机理生物学活性应用研究

目前，抗生素的滥用和病毒性疾病的肆虐使得养殖面临越来越大的挑战，抗生素的大量使用一方面造成抗生素在食品中的残留，威胁到人类的健康，另一方面造成动物机体内耐药菌越来越多，抗生素的用量越来越大，造成动物的自身免疫力不断下降。目前在发达国家对抗生素在饲料中的添加量和种类已经作了严格规定，欧洲早在2006年开始就全面禁止抗生素在饲料中添加，可以预测在未来几年抗生素在我国饲料行业中的使用也会越来越严格，因此合理降低或取代抗生素的使用已成为畜牧行业研究的热点。

目前，减少饲料中抗生素使用的方法包括添加酸化剂、微生态制剂、酶制剂、植物提取物等，这些主要是通过提高营养物质的消化利用率和维持肠道微生态平衡来减少抗生素的使用，但在我国复杂的养殖环境下，通过这些方法完全取代抗生素还不太可能，因此寻求更可靠的替代抗生素的方法已迫在眉睫。抗菌肽是一种多肽类的抑菌、抗病毒和提高动物免疫力的物质，与抗生素相比抗菌肽具有作用速度快、无残留、不易产生抗药性、生物活性谱多样性等优点，是抗生素的理想替代品，本文就抗菌肽的理化特性、作用机理、生理作用及在畜牧上的应用作一综述。1、抗菌肽的结构和分类

1.1 抗菌肽的研究历程

抗菌肽（Antibacterial peptide）又叫抗微生物肽（Antimicrobial peptide）、抗生素肽（Antibiotics peptide），是在多种生物体内存在的具有广谱杀菌、抑病毒、抑杀肿瘤细胞等多种作用的一类活性多肽。1974年，瑞典科学家Boman等人向眉纹天蚕蛾(Samia cynthia)蛹注射阴沟通杆菌及大肠杆菌时，在血淋巴细胞中发现了一种具有抗菌活性的碱性多肽类物质。随后诱导惜古比天蚕(Hyalophra Cecropia)蛹也发现了类似的抗菌活性物质。1981年，这种具有抗菌活性的物质被命名为cecropin，这是人们第一次真正意义上发现抗菌肽。目前科学家已在昆虫、哺乳动物、两栖动物和细菌的体内或分泌物中发现上千种的抗菌肽。

1.2 抗菌肽理化特性和结构

抗菌肽一般由10～50个AA组成，分子量较小，无（弱）免疫原性。富含疏水和碱性aa[1]，所以多数抗菌肽都带正电荷。由于抗菌肽分子量小，大多数抗菌肽只具有二级结构，这就决定了抗菌肽耐高温能力较强，并且在较大的离子强度和较低或较高的pH值下仍可保持较强的活性。

抗菌肽的二级结构包括[2]（1）α-螺旋结构，如天蚕素（Cecropins），蛙皮素（Magainins）等。（2）β-折叠型，该类抗菌肽是在分子内有2～6个二硫键的抗菌肽类，有代表性的是动物防御素。β-防御素广泛存在于不同的上皮组织中，可能参与上皮和黏膜的抗感染防御。利用射线晶体衍射研究人嗜中性粒细胞中分离到的防御素(HNP-2)的结构时发现，在晶体状态下，防御素是以二聚体形式存在的。每个单体都有3股反平行的折叠片以二硫键连接，不对称的2个单体分子紧密靠近，并对二次旋转轴对称。（3）伸展性螺旋结构，该类抗菌肽不含半胱氨酸，但富含脯氨酸和精氨酸或色氨酸等，由15～34个氨基酸残基组成，在两性分子内部形成分子内α-螺旋，如从蜜蜂体内分离到的apidaecins中脯氨酸和精氨酸的含量分别高达33%和17%。（4）环链结构，该类抗菌肽在C末端有一个分子内二硫键，在C末端形成一个环链结构，而N末端为线状结构。如青蛙皮肤细胞产生的brevinins和bactenecin。

1.3 抗菌肽的分类

目前抗菌肽的分类主要根据其化学组成、二级结构以及功能来划分，Hoffmann1966年将抗菌肽根据空间结构分为线肽和环肽两类，随后Bomalm1998年根据抗菌肽基因研究的成果，将抗菌肽分为四大类[3]，（1）不含半胱氨酸的线肽，包括具有α-螺旋和不具有α-螺旋两类；（2）含等量半胱氨酸的抗菌肽；（3）富含1-2种氨基酸的线肽，最早发现的该类抗菌肽是蜜蜂中的apidaecin，富含脯氨酸和精氨酸；（4）高突变的防御肽。

2、抗菌肽的作用机理

研究表明，抗菌肽的作用机理分为两种，即膜结构破坏型机制和非膜结构破坏型机制。

2.1 膜结构破坏型机制

膜结构破坏型机制被广泛认为是抗菌肽的主要作用机理，该机制认为带阳离子的抗菌肽具有膜结合活性。细胞壁上的镁离子能被抗菌肽取代，然后与负电性的脂多糖紧紧结合或者中和细胞壁上某一区域的电荷，导致细胞壁结构变形，抗菌肽可以穿过细胞壁，然后通过静电作用结合到细胞膜表面，随后抗菌肽疏水尾部插入细胞膜中的疏水区域[4]，穿过细胞外膜，然后通过以下三种方式杀死细菌[5]：（1）形成离子通道。抗菌肽在细胞膜表面聚集到一定程度后，以垂直方式重新定位作用于细胞膜，从而形成有规则结构的离子通道，破坏细胞膜的完整性，导致胞内大量的K+和内容物外流；（2）毯式学说。抗菌肽先是聚集在膜的表面，多个肽分子形成肽聚体，直至触发浓度，肽聚体相互协作，向内部塌陷，毁坏了膜屏障。（3）抗菌肽穿过细胞膜或核膜，定位于细胞内相应的位点，作用于胞内大分子，如DNA、RNA和蛋白质分子，可导致其合成受抑制，阻碍或抑制细胞组分的合成，影响代谢从而引起细胞死亡。

2.2 非膜结构破坏型机制

研究表明，有些抗菌肽能够通过复杂的机制抑制靶细胞壁组分的合成，或是破坏细胞壁结构，从而杀死靶细胞，有些抗菌肽可以通过抑制细胞呼吸、抑制细胞外膜蛋白的合成杀死细菌[6]。如溶菌酶就是一种通过非膜结构破坏机制抑制细菌的抗菌肽，其作用机理主要有两种，一是溶菌酶水解细胞中的β-1，4糖苷键，破坏了细胞壁结构使细胞壁出现部分缺失，失去了对细胞的保护作用，细胞质解体出现空腔；另外一种作用是溶菌酶通过渗透进入细胞内，吸附细胞内带有阴离子的细胞质，并发生絮凝作用，扰乱细胞正常的生理活动，从而杀灭细菌[7]。

3、抗菌肽的生物学作用

3.1 抑菌、杀菌

研究表明，抗菌肽具有广谱抗细菌活性，单一一种抗菌肽可以抑制或杀灭多种细菌。不同的抗菌肽抗菌活性存在较大差异，抗菌谱也明显不同。抗菌肽不仅自身具有良好的抗菌作用，而且与传统抗生素联合使用可提高抗菌肽和抗生素的药物药效，甚至能拓宽抗生素的抗菌谱。

3.2 抗真菌作用

某些抗菌肽对真菌具有很好的杀伤作用，如来源于哺乳动物的防御素对一些人类致病真菌具有杀伤作用。截取天蚕素A和蜂毒索分子的片段，合成杂合肽分子处理真菌孢子原生质体，发现不但真菌细胞壁无法恢复，而且细胞也被破坏，无法保持正常的细胞形态。

3.3 抗病毒作用

抗菌肽能够对具有膜结构的靶目标发挥其抗菌活性，包膜病毒如HIV、孢疹病毒和孢疹性口炎病毒等。研究表明，多种抗菌肽如人α-防御素、牛中性粒细胞indolicidin、昆虫抗菌肽polyphemusin等都具有抗病毒活性[8]。抗菌肽通过多种方式发挥抗病毒作用，有的抗菌肽可以通过与病毒外膜的直接结合发挥作用，有的抗菌肽能