抗菌肽的作用機(jī)制及在動物生產(chǎn)中的研究

王跨芬，劉玉輝，韓奇鵬

（1.雙牌縣動物衛(wèi)生監(jiān)督所，湖南 永州 425200；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙 410128）

抗菌肽是具有抗菌活性的小分子多肽（AMPs），其是機(jī)體天然免疫防御系統(tǒng)的重要組成部分。與抗生素相比，抗菌肽的抗菌能力更具有廣譜性，且對真菌、癌細(xì)胞和病毒都有一定的抵抗作用。此外，抗菌肽易被蛋白酶酶解，在動物體內(nèi)不易殘留，不易產(chǎn)生耐藥性，是抗生素替代物研究的熱點之一[1]。

1 抗菌肽的分類

抗菌肽主要從昆蟲、兩棲動物和哺乳動物體內(nèi)獲得，其中在昆蟲體內(nèi)獲得的已經(jīng)超過200余種。GenBank中檢索發(fā)現(xiàn)抗菌肽超過1 200種，其中300余種是由昆明動物研究所發(fā)現(xiàn)的，已從1 200種中克隆出800條cDNA序列?？咕闹饕罁?jù)來源、化學(xué)結(jié)構(gòu)與功能和三級結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分類[2]。

1.1 來源

抗菌肽依據(jù)來源分為哺乳動物抗菌肽、細(xì)菌抗菌肽、昆蟲抗菌肽、植物抗菌肽、兩棲動物抗菌肽及軟體類、魚類、甲殼類等來源的抗菌肽。

1.1.1 哺乳動物抗菌肽

最早發(fā)現(xiàn)的哺乳動物抗菌肽是豬Cecropin PI。迄今為止，豬Cecropin PI有100余種被分離出來。人體內(nèi)的防御素已發(fā)現(xiàn)30余種，其中人θ-防御素、α-防御素和β-防御素等是比較常見的3類人體抗菌肽。

1.1.2 細(xì)菌抗菌肽

細(xì)菌抗菌肽是乳酸菌、大腸桿菌等細(xì)菌的細(xì)菌質(zhì)粒表達(dá)產(chǎn)生的一種代謝產(chǎn)物為細(xì)菌抗菌肽，又稱細(xì)菌素。APD數(shù)據(jù)庫中共收錄的細(xì)菌抗菌肽有119種。細(xì)菌抗菌肽根據(jù)相對分子質(zhì)量、結(jié)構(gòu)不同又分為熱敏感的大分子蛋白（LHLP）、熱穩(wěn)定肽（SHSP）、羊毛硫抗生素和復(fù)合型大分子復(fù)合物4類。

1.1.3 昆蟲抗菌肽

龐大的昆蟲種群是抗菌肽的主要來源。200余種抗菌肽發(fā)現(xiàn)于鞘翅目和雙翅目，其中40余種抗菌肽發(fā)現(xiàn)于家蠶中。昆蟲抗菌肽又被細(xì)分為防御素、天蠶素和富含某種氨基酸的抗菌肽等，其中研究較多的是天蠶素。

1.1.4 植物抗菌肽

植物抗菌肽是從植物中分離的最早的植物抗菌肽。其結(jié)構(gòu)和哺乳動物防御素的結(jié)構(gòu)相似，具有真菌、細(xì)菌等多種病原[3]。

1.1.5 兩棲動物抗菌肽

兩棲動物抗菌肽主要分泌于兩棲動物皮膚，其具有豐富生物活性。到目前為止，已從40多種兩棲動物體中分離出的抗菌肽達(dá)數(shù)百種，被APD數(shù)據(jù)庫收錄的有548種，其中最早發(fā)現(xiàn)的是爪蟾素，其是從非洲爪蟾中分離得到的，目前已提取出10多種。

1.1.6 其他來源的抗菌肽

除了上述來源的抗菌肽外，還有從魚類、甲殼、軟體動物中提取的抗菌肽。其中魚分離出的抗菌肽有49種。來自鮑鰨的Pardaxin是一種含有35個氨基酸，具有兩親性的陽離子α螺旋抗菌肽，是最早分離獲得的一種魚類抗菌肽。Pardxin的螺旋結(jié)構(gòu)和兩親性，使其具有穿過細(xì)胞膜、溶血性低和抗菌性強(qiáng)等功能特性。

1.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)

抗菌肽根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為富含某種氨基酸的抗菌肽、含等量氨基酸的抗菌肽和不含半胱氨酸的線型抗菌肽。

1.2.1 富含某種氨基酸的抗菌肽

富含某種氨基酸的抗菌肽主要是來自果蠅、蜜蜂和牛嗜中性粒細(xì)胞。

1.2.2 含等量半胱氨酸的抗菌肽

根據(jù)所含的二硫鍵個數(shù)的多少來分類。含1個二硫鍵的有Brevinins、Bacteneci、Esculentin和Ra?nalexin等；還有2個二硫鍵的有鱟抗菌肽；從脊椎動物中發(fā)現(xiàn)的含3個二硫鍵的防御素；含4個二硫鍵的植物防御素等。

1.2.3 不含半胱氨酸的線型抗菌肽

三級結(jié)構(gòu)不同，化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的抗菌肽，根據(jù)α-螺旋的有無細(xì)分為非α-螺旋型和α-螺旋型抗菌肽，昆蟲抗菌肽屬于其中之一。含高度螺旋結(jié)構(gòu)，同源型高，分子序列保守的有爪蟾素（Magainin）、蛙皮素（Temporin）和Dermasptin等抗菌肽[4]。

2 抗菌肽的功能特性

抗菌肽主要對細(xì)菌的生長、繁殖有抑制及殺傷作用。此外抗菌肽還具有殺滅真菌、病毒、原蟲、寄生蟲和癌細(xì)胞等功能，還可增強(qiáng)免疫功能。

2.1 抑菌作用

抗菌肽具有廣譜抑菌活性，其對革蘭氏陰性菌、陽性菌及耐藥性較強(qiáng)的菌都有抑制作用。如抑制革蘭氏陰性菌生長的是含有精氨酸、脯氨酸的AMPs；抑制革蘭氏陽性菌生長是含有色氨酸、半胱氨酸的AMPs[4-5]?？咕牡慕Y(jié)構(gòu)和功能關(guān)系密切，有研究指出抗菌肽可使細(xì)菌細(xì)胞膜破損，產(chǎn)生穿孔現(xiàn)象，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物流出，進(jìn)而致使細(xì)菌死亡。但不同抗菌肽的抗菌活性、抗菌機(jī)理和抗菌譜差異較大?？咕牟坏梢詥为毦哂幸志Ч?，而且可以相互之間作用及與抗生素之間起到協(xié)同、輔助效果，并提高治療效率，拓寬抗生素的抗菌譜。

2.2 抗病毒作用

病毒通過感染生物細(xì)胞進(jìn)行自我復(fù)制。研究發(fā)現(xiàn)，人的α-防御素和虹鱒魚魚皮中的一種抗菌肽對胞內(nèi)和胞外病毒有抵抗作用。Protegrins抗菌肽可以抵抗HIV病毒，具有廣譜殺滅微生物的作用。由于抗菌肽可以抑制病毒繁殖、與病毒粒子結(jié)合、模仿病毒侵染過程和干擾病毒組裝合成等，進(jìn)而對病毒起到抵抗的作用[6]。

2.3 抗腫瘤作用

一些陽離子抗菌肽具有廣譜殺傷腫瘤細(xì)胞的作用。由于抗菌肽具有破壞腫瘤細(xì)胞骨架，損傷腫瘤細(xì)胞染色體、DNA、細(xì)胞核，溶解腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞膜，破壞腫瘤細(xì)胞器，促進(jìn)免疫效應(yīng)和抑制腫瘤血管生成等重要作用[7]。研究表明，抗菌肽對肝癌細(xì)胞、膀胱癌細(xì)胞和宮頸癌細(xì)胞均有殺滅效果[4]?？咕脑诓粨p傷正常細(xì)胞的前提下，可特異性抑制腫瘤細(xì)胞，為抗癌藥物的研發(fā)提供了新思路。

2.4 抗真菌作用

研究表明，某些真菌對人類有一定的危害的作用。而線肽素、天蠶素、蝎血素、果蠅抗菌肽、貽貝素等抗菌肽對真菌有抵抗作用[8]。抗菌肽的抗真菌活性受真菌的屬、種及孢子狀態(tài)等影響[9]?？咕目梢耘c細(xì)胞內(nèi)線粒體、核酸等細(xì)胞器作用，破壞細(xì)胞膜表面，阻止、破壞細(xì)胞壁合成等。

2.5 抗蟲作用

熱帶疾病中很多是由寄生蟲引起的，對人體和動物體都造成一定的危害。近年來，隨著抗生素的大劑量使用，導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性增加，因此迫切需要尋找新的健康、無殘留的治療藥物。有研究表明，抗菌肽對抑制寄生蟲傳播疾病和治療宿主感染等方面有一定的作用效果。例如，蛔蟲體內(nèi)分離出的抗菌肽能殺死利什曼鞭毛蟲及shiva-1能殺死瘧原蟲[10-11]。

2.6 免疫調(diào)節(jié)作用

抗菌肽遇到入侵的外界病原體時，易產(chǎn)生非特異性免疫應(yīng)答產(chǎn)物，因此對免疫功能有一定的調(diào)節(jié)作用?？咕目商岣邫C(jī)體抗感染力、促進(jìn)免疫細(xì)胞增殖、調(diào)節(jié)免疫因子的和激活特異性免疫反應(yīng)等作用[12]?？咕南装Y是在細(xì)胞趨化因子、中性粒細(xì)胞趨化因子、抑制蛋白激酶C和促使細(xì)胞凋亡等各自功能協(xié)調(diào)發(fā)揮的條件下完成的[13]?？咕目梢酝ㄟ^刺激上皮細(xì)胞移動與增殖及傷口處細(xì)胞的分裂增殖，促進(jìn)傷口愈合[4]。

3 抗菌肽抗菌機(jī)制

抗菌活性是抗菌肽生物功能的主要體現(xiàn)。研究表明，抗菌肽可選擇性結(jié)合細(xì)菌外膜，使細(xì)胞膜形成空洞，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)和內(nèi)離子等胞內(nèi)容物外流，致使細(xì)菌死亡?？咕呐c細(xì)菌的作用過程主要分為吸引和吸附兩種方式。

3.1 抗菌肽與細(xì)菌的作用方式

3.1.1 吸引

抗菌肽與細(xì)胞膜作用，是由抗菌肽疏水性和電荷性質(zhì)相互吸引。細(xì)胞膜上帶負(fù)電荷的物質(zhì)有革蘭氏陽性菌的磷壁酸、革蘭氏陰性菌的脂多糖（LPS）和賴氨酸酰磷脂酰甘油等。

抗菌肽主要通過靜電引力與細(xì)菌膜相互吸引，是因為抗菌肽表面一般帶的是正電荷[14]。研究表明，抗菌肽對LPS的親和力比Ca2+、Mg2+等二價陽離子高，因此更易結(jié)合LPS，競爭性的部分取代細(xì)胞膜上二價陽離子，但抗菌肽不能夠殺死真核細(xì)菌，因為真核細(xì)菌細(xì)胞膜表面為電中性。同時抗菌肽的疏水氨基對細(xì)菌脂膜有一定的吸引作用[15]。

3.1.2 吸附

決定多肽與細(xì)菌磷脂膜緊密結(jié)合的是分布在抗菌肽兩側(cè)的疏水性氨基酸，從而使細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)分子和磷脂分子結(jié)構(gòu)發(fā)生紊亂[16]?？咕耐瓿膳c細(xì)胞膜結(jié)合后，會形成穩(wěn)定的三級結(jié)構(gòu)。α螺旋多肽是其中重要的一個代表，由于間斷的疏水性氨基酸的存在，促使其余脂膜結(jié)合后，形成α螺旋。帶正電荷的氨基酸側(cè)鏈，會與磷酸集團(tuán)之間發(fā)生靜電作用，使兩者能緊密結(jié)合在一起；疏水性氨基酸的側(cè)鏈中存在大量的π電子云系統(tǒng)，進(jìn)而促進(jìn)其與脂膜結(jié)合。

3.2 抗菌肽與細(xì)菌細(xì)胞膜的結(jié)合過程

根據(jù)吸附過程中多肽的作用方式不同，可以分成“地毯”模型、“木桶”模型和“環(huán)形孔洞”模型等[17]。3種模型本質(zhì)類似，而作用細(xì)節(jié)和程度有所不同。其都是通過抗菌肽吸附的方式，聚集在細(xì)胞膜上，超過閾值后，對細(xì)胞膜造成損害。研究表明，“地毯”模型的前一個階段、極端結(jié)果是“環(huán)形孔洞”?？锥丛诙鄶?shù)情況下是導(dǎo)致內(nèi)容物等外泄引起死亡，而“地毯”模型是多肽和磷脂基團(tuán)始終結(jié)合在一起，一直到裂解后，最后導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

此外，還存在一些非膜作用機(jī)制，主要是通過與細(xì)菌內(nèi)靶點作用，而致使細(xì)菌死亡，不需要經(jīng)過膜作用。主要有抑制生物大分子合成、酶的活性和代謝功能等[18-19]。

4 抗菌肽在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

抗菌肽在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在提高動物生產(chǎn)性能、改善動物生產(chǎn)品質(zhì)、防治動物疾病和增加動物免疫能力等方面。

4.1 提高動物生產(chǎn)性能

研究表明，日糧中添加適量的外源性抗菌肽可有效調(diào)高飼料利用率，促進(jìn)動物生長，進(jìn)而提高動物生產(chǎn)性能。以肉雞為試驗動物，飲水添加（60～120 mg·kg-1）或直接灌服（0.001 mg·mL-1）等方式下，進(jìn)行日增重和飼料轉(zhuǎn)化率的檢測分析。結(jié)果表明，添加天蠶素等抗菌肽可有效提高肉雞的生產(chǎn)性能[20-21]。此外，在哺乳母豬日糧中添加天蠶素 400 mg·kg-1得到上述同樣的結(jié)論[22]。

4.2 改善動物生產(chǎn)品質(zhì)

研究表明，在新西蘭兔的日糧中添加適量的抗菌肽，可有效提高全凈膛率，延遲肌肉pH下降，保持肉質(zhì)新鮮度，進(jìn)而提高新西蘭兔的屠宰性能和改善肉品質(zhì)[23]。在蛋雞日糧中添加不同濃度的抗菌肽，可明顯提高雞蛋蛋黃相對重和產(chǎn)蛋量[24]。此外，抗菌肽還可以提高蘆花雞的胸肌硒含量、肌肉纖維密度和胸肌錳含量等功效[25]。

4.3 防治動物疾病

具有廣泛功能特性的抗菌肽，不會使細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性，無毒害作用及無殘留，對寄生蟲、細(xì)菌和病毒等有強(qiáng)烈的抑制作用，在畜禽養(yǎng)殖中得到廣泛應(yīng)用。研究表明，豬小腸抗菌肽可有效抑制雞白痢沙門氏菌C79-13株、大腸桿菌C83845株和綠膿桿菌ATCC27853等11種細(xì)菌[26]。在仔豬日糧中添加適量的抗菌肽，可有效改善斷奶應(yīng)激引起的腹瀉，可有效降低大腸桿菌菌群數(shù)量和抑制乳酸菌的作用[27]。此外，分離東北林蛙抗菌肽進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其對H9N2病毒有一定的抑制效果[28]。

4.4 增加動物免疫能力

抗菌肽對動物免疫系統(tǒng)有一定提高作用。研究表明，家蠅幼蟲抗菌肽（2 000～3 000 mg·kg-1）添加到蝦的日糧中，可以提高蝦血清抗氧化能力，進(jìn)而說明抗菌肽可以有效增強(qiáng)蝦的免疫能力[29]。在雛雞飲水中適量添加非洲鴕鳥皮膚抗菌肽，可有效提高雛雞抗病能力[30]。

5 小結(jié)

20世紀(jì)90年代至今，作為抗生素藥物替代品之一的抗菌肽，一直備受關(guān)注。但由于抗菌肽的作用機(jī)制無法應(yīng)用物理化學(xué)的方法進(jìn)行系統(tǒng)描述，進(jìn)而影響了抗菌肽作為新型藥物的設(shè)計與廣泛應(yīng)用。雖然抗菌肽來源廣且具有廣譜的抑菌活性，但仍然沒有得到廣泛應(yīng)用。因此需要進(jìn)一步的研究，從而促使抗菌肽能夠充分發(fā)揮其特性與潛能。

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