抗菌剂及其抗菌机理

摘要: 抗菌剂包括无机、有机和天然生物抗菌剂三大类 型。无机抗 菌剂以 新型光 催化型 和载银的 纳米复 合型抗 菌
材料 为主要发展趋势, 其中光催化型无机抗菌剂依赖光致 激发的强氧化自由基而起杀菌作用; 载银 等金属离子 型
抗菌 剂通过与活性基团如巯基键合或置换金属离子辅 基等方 式使微生 物的生 命活性 物质失 活而起 抗菌作 用。有
中图分类号: 来自百度文库 939. 9
文献标识码 : A
文章编号: 1672- 7207( 2004) 01- 0031- 08
Research on antimicrobial agents and their mechanisms of actions
XIA Jin- lan, WANG Chun, L IU Xin- x ing
金属元素以其离子形式起抗菌作用。在金属离 子浓度相对过高的环境中, 微生物生存受到的影响 是多方面的。
首先, 微生物膜外存在高浓度的金属阳离子, 改 变了正常的生物膜内外的极化状态, 并引起新的离 子浓差, 从而阻碍或破坏细胞维持生理所需的小分 子和大分子物质的运输, 如在 N a+ / K +- 泵的驱动作 用下糖和氨基酸的运送, 一些金属离子也可以进入 微生物胞内。实验结果证明, 重金属能使大多数酶 失活, 但其失活机理还不清楚。有人认为是正价的 重金属离子与蛋白质的 N 和 O 元素络合后, 破坏酶 蛋白分子的空间构象; 也可能是重金属离子与 ) SH 基反应, 替换出质子, 甚至破坏或置换维持酶活力所 必需的金属离子, 如 M g2+ , F e3+ 和 Ca2+ 等。酶是一 切生物的催化剂, 控制着微生物生化反应, 酶一旦失 活, 引起催化效率降低或性能丧失, 从而使其所催化 的生化反应无法正常进行, 并影响相关的生化反应, 导致微生物的能量代谢和物质代谢受阻, 从而达到 抗菌的目的。此外, 进入细胞内的金属离子也可以 与核酸结合, 破坏细胞的分裂繁殖能力。
质, 影响微生物的运动、跨膜物质运输或生化反应等。不同 的抗菌 剂对同 一种病 原菌有 不同的抗 菌作用 机理和 有
效性 , 同一种抗菌剂对于不同的病原菌也有不同的抗菌作 用机制和抑制范围; 得到 既长效又广 谱、既 高效又安全 的
抗菌剂, 对其抗菌机理的研究十分重要。
关键词: 抗菌剂; 杀菌剂; 无机抗菌剂; 有机抗菌剂; 天然生物抗菌 剂; 抗菌机理
收稿日期: 2003- 07- 14 基金项目: 国家教育部优秀青年教师资助计划项目( 2001-1932) 作者简介: 夏金兰( 1964 - ) , 男, 湖南攸县人, 中南大学教授, 博士, 从事生物功能材料与药物的研究 论文联系人: 夏金兰, 男, 教授, 博士; 电话: 0731-8830546( O ) ; E-mail: jlxia@ mail. csu. edu. cn
第 35 卷第 1 期 2004 年 2 月
中南大学学报( 自然科学版) J. CENT. SOUTH UNIV. ( NATURAL SCIENCE)
抗菌剂及其抗菌机理
Vol. 35 No1 1 Feb. 2004
夏金兰, 王 春, 刘新星
( 中南大学 资源加工与生物工程学院, 湖南长沙, 410083)
此类抗菌剂为金属及其化合物, 主要是 Ag, Cu, Z n 等元素, 它们的抗菌性能( 针对广谱抗菌性) 依次 减弱, 其中 Ag 的 抗菌性 约为 Zn 的抗 菌性 的 1000 倍。
将这些金属或其化合物与沸石、玻璃、磷灰石、 磷酸钙、磷酸锆等无机多孔性载体矿物通过离子交 换或吸附作用共同合成抗菌材料, 其中银系抗菌剂 已得到广泛应用。在实际应用中, 无机抗菌材料采 用多种无机金属复合剂。有专利报道了 A B2O4 形式 的复合抗菌剂[ 1] , 其中 A 是二价金属 Mg, Zn, M n, N i, Co 或 Fe 离子, B 是三价金属 Al, Cr, Mn 或 Fe 离子, O 是氧元素, 这些抗菌剂涂布于多孔蜂窝形的 制品( 由粘土、氧化硅等混合物组成) , 使其具有良好
1 无机抗菌剂及其抗菌机理
无机抗菌材料是 20 世纪 80 年代中期发展起来 的一类抗菌材料, 具有耐热性、持久性、连续性和安 全性等优点, 但存在一些缺点, 如银系抗菌剂, 防霉 作用较弱、添加量较 大、成 本较高、易 变色等 缺点。 目前对无机抗菌材料的应用研究主要涉及金属元素 抗菌剂、光催化材料抗菌剂和纳米材料抗菌剂, 主要 应用于纺织、塑料、涂料及陶瓷等方面。 1. 1 金属元素抗菌材料及其抗菌机理 1. 1. 1 金属元素抗菌剂
的抗菌性能。关于聚亚胺酯膜的抗菌性能[ 2] , 添加 的抗菌剂是含 Ag+ 的交换树脂, 应用结果表明其具 有很强的抗菌作用。
银系抗菌剂使用安全。含银系抗菌剂 15% 的尼 龙 612, 可制成抗菌 性较强的 尼龙牙刷 丝[ 3] 。AIM 公司研制的商品名为 Real Earth 的含银鳌合物的胶 体抗菌剂, 在医学上能安全地作为消炎药而无副作 用。又如氨基酸银, 以蛋白质的组成物质氨基酸作 为载体, 具有与有机高分子聚合物质相溶性好、疏水 性好的优点, 对人体安全, 对环境友好。 1. 1. 2 金属元素抗菌机理
随着生活水平的提高, 人们对生存环境的要求 也越来越高。由此, 抗菌材料的生产已成为一个新 兴的产业, 世界各国对抗菌剂的研究更加重视。
抗菌材料是具有杀菌、抑菌性能的新型功能材 料。它是通过加入的抗菌剂而起作用的。抗菌剂可 分无机、有机和天然生物抗菌剂 3 种类型。由于不 同的抗菌剂对同种病原菌的抗菌作用机理和有效性 的不同, 以及同种抗菌剂对于不同的病原菌的抗菌 作用机制和抑制范围也不同, 因此, 要研究出既长效 又广谱、既高效又安全的抗菌剂, 对抗菌机理的研究 十分重要。
( School of Resour ce Processing and Bioengineering, Central South U niversity, Changsha 410083, China)
Abstract: Ant imicrobial ag ent s may be in form of inorganic, organic or nat ural biological. T he inorg anic ones are st ressed on t he light- activat ed cat alysis by t he active ox idat ion of som e f ree groups produced on t he material surface , and Ag- support ed complex nano- mat erials f unction as g ermicides by being bound t o some act ive group. Some org anic agent s t hat funct ion on t he m icrobial cell envelope, biochem ical react ion chain or even genetic syst em due to their highly specificity for some biomolecules are to be stressed on, in order to w ider t he application of t he org anic ant imicrobial agents to fields, such as medical t reat ment and healt h care. T he nat ural biolog ical antimicrobial agent s could come from any living org anism. T hey may include bot h small and large biomolecules, that funct ion on microbial ex tracellular layer or som e bioactive materials, e. g . , enzymes, and affect microbial movement , mass t ransf er t hroug h membrane or some biochem ical react ion. With t he requirements f or environment al prot ect ion and rapid development of biotechnology, development and applicat ion of t he natural biological ant imicrobial agents t hat has been stayed on empirical level w ill become t he most important target s for both fundamental and applied researches pert inent to medical t reat ment, health care, food protect ion and biomedical product ion, indicat ing a huge applicat ion pot ential of this kind of agent s. While different antimicrobial agent s may have diff erent ant imicrobial m echanisms and ant ibacterial spect rum on t he same pathog en, and so does one antimicrobial agent to different pat hogens. Key words: antimicrobial agents; germicides; inorganic antimicrobial agents; organic ant im icrobial agent s; nat ural bio- ant imicrobial agents; ant im icrobial mechanisms
对于 Ag+ 的抗菌机理, 目前主要有 2 种观点, 一 种是认为 Ag+ 直 接与细菌接 触, 抑 制和杀灭 细菌。 有报道认为[ 4, 5] Ag+ 的杀菌作用直接与 Ag+ 从其配 体中溶出有关。张文征等认为 Ag+ 可强烈地结合酶 蛋白的巯基而使酶失活是抗菌的主要原因[ 6] 。肃耀
南等提到金属离子从配位体中缓慢释放出来杀菌效 果[ 7] , 可是缺乏释放动力学实验数据。作者认为, 在 这种情况下, 不能排除其表面络合状金属离子( 未离 开基质) 仍有抗菌活性。由于 Ag+ 未饱和的配位能 力与菌体表面的 N 或 O 作用, 破坏菌体表面活性结 构, 导致 菌体 因生 理变 化或活 动受 阻而 死亡。Y. Onodera 等认为在水铝石载体中不溶态银发挥了优 于沸石银的抗菌效果[ 8] 。另有研究者认为, A g+ 的 抗菌活性是间接地通过在其周围产生活性氧而发挥
机抗菌剂则以开发专效于生物分子( 如微生物代 谢酶、膜 受体等) 的 抗菌剂为 其拓展 方向, 其通过 作用于 细胞壁 和
细胞膜系统、生化反应酶、遗传物 质等达 到抗 抑或杀 菌作 用。天然 生物 抗菌剂 可来 源于所 有生 物体, 主要 包括 多
糖、多肽及糖肽聚合物类物质, 是未来抗菌 材料的主要发展方向; 它们作用于微生物胞外结构层 或酶等生物活性物
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中南大学学报( 自然科学版)
第 35 卷
自然界的有害细菌、真菌和病毒等微生物是使 人类遭受传染、诱发疾病的主要原因。在公元 14 世 纪中期引起欧洲三分之一人口死 亡的黑死病和 20 世纪初致使全世界 2000 多万人死亡的流感; 在日本 全国范围内的病原性大肠杆菌/ O- 1570、英国的/ 疯 牛病0, / 口蹄疫0、美国的/ 炭疽病0和 2003 年春夏出 现的严重急性呼吸道感染综合症( SARS) , 这些传染 病都与病原微生物有直接的关系。