抗菌肽的作用机理、生物学活性及其在畜牧中的应用研究

1、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

2、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

3、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

4、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1050个AA组成，分子量较小，无（弱）免疫原性。富含疏水和碱性aa1，所以多数抗菌肽都带正电荷。由于抗菌

5、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）-螺旋结构，如天蚕素（Cecropins），蛙皮素（Magainins）等。（2）-折叠型，该类抗菌肽是在分子内有26个二硫键的抗菌肽类，有代表性的是动物防御素。-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

6、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1534个氨基酸残基组成，在两性分子内部形成分子内-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

7、为四大类3，（1）不含半胱氨酸的线肽，包括具有-螺旋和不具有-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

8、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

9、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-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

10、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-防御素、牛中性粒细胞indolicidin、昆虫抗菌肽poly

11、phemusin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，有的抗菌肽能够抑制病毒的繁殖，有的抗菌肽通过干扰病毒的组装而对病毒产生作用。3.4 抗原虫作用有些抗菌肽可以有效杀死寄生于人类或动物内的寄生虫，如蛙皮素magainirls可以杀死疟原虫，cecrpin/melittin杂合肽可以杀死莱什曼鞭毛虫。抗菌肽杀灭寄生虫时，作用于寄生虫细胞质膜，其可以迅速降低W/OH的通透性，破坏膜电势，质膜形态也受到损坏。3.5 调节机体免疫力最早的抗菌肽cecropin在天蚕体内发现，其免疫系统中没有抗体、补体的参与，抗菌肽是其中一个重要的部分

12、，迄今已在昆虫中发现超过170种抗菌肽类物质，这些抗菌肽主要由脂肪体合成并释放到血液淋巴中发挥作用，迅速杀灭已侵入的病菌，并阻止病菌的继续侵染。人的抗菌肽如-防御素-3-4、-防御素-1在急性期炎症反应期间能够直接趋化嗜中性粒细胞、单核细胞、肥大细胞和辅助性T细胞并诱导嗜中性粒细胞、单核细胞趋化因子或细胞因子如IL-8和IFN-的基因表达，动员先天性免疫细胞到达感染部位，并刺激肥大细胞脱粒释放组胺，随后引起血管通透性增加，增加粘附分子-整合素的表达，并促进非调节性吞噬作用。人、兔和豚鼠的-防御素与人的-防御素-2一样，可以激活肥大细胞并使其脱颗粒，释放组织胺及前列腺素D2。人-防御素-13可刺

13、激支气管上皮细胞增加IL-8基因转录。由于肥大细胞的颗粒产物能增加中性粒细胞的聚集，IL-8又是强效的中性粒细胞趋化因子，因此，防御素有可能间接促进了中性粒细胞在炎症部位的再循环和聚集，而再循环的中性粒细胞又会释放更多的防御素，接着产生更多的IL-89。抗菌肽除了具有直接的趋化活性外，还能通过受体依赖机制刺激许多先天性免疫细胞释放趋化因子和细胞因子而发挥间接趋化作用。4、抗菌肽在畜牧业中的应用4.1 抗菌肽在肉鸡上的应用研究表明，需氧菌在肉鸡肠道内大量繁殖，不仅会排斥有益菌的定殖生长，还会消耗大量的饲料营养物质而降低饲料转化率。（温刘发等，2009）在肉鸡日粮中添加抗菌肽能发挥其抗菌作用，能降

14、低肉鸡肠道（空肠和盲肠）内容物中总需氧菌含量，提高饲料转化率而促进肉鸡的生长10。（温刘发，2008）研究发现在艾维因肉仔鸡日粮添加抗菌肽能促进肉鸡十二指肠和空肠绒毛的生长发育，促进肉仔鸡的胫脚着色。4.2 抗菌肽在养猪上的应用（皮灿辉等，2008）在哺乳仔猪阶段使用抗菌肽，结果表明，抗菌肽组的死亡率为0.35%，而对照组的死亡率为2.36%，为抗菌肽组的7倍。在保育阶段，抗菌肽组的死亡率为1.32%，而对照组的死亡率为3.76%，其死亡率为实验组的近3倍。同时在妊娠母猪阶段使用抗菌肽结果表明，使用抗菌肽组母猪死胎率为5.77%，而对照组的死胎率12.75%，明显高于实验组。比较死胎中木乃伊死

15、胎所占的比例发现，使用抗菌肽作为添加剂的实验组所产的2563头仔猪中仅有8头为木乃伊胎，木乃伊死胎率仅为0.31%，而使用抗生素作为饲料添加剂的对照组有192头为木乃伊死胎，木乃伊胎死胎发生率达到7.15%，为实验组的23倍11。以上结果表明，抗菌肽通过调节猪体的免疫系统而显著提高了母猪及仔猪健康状况，因而能显著降低母猪死胎率和提高哺乳仔猪或断奶仔猪的成活率。4.3 抗菌肽在水产动物上的应用高密度、集约化的水产养殖在盲目追求产量效益的同时引发了一系列的问题，如养殖水体自净能力逐渐降低，水环境的污染程度加重，各种细菌性和病毒性疾病频发。在防治疾病时往往大量使用抗生素，这破坏了水的微生态环境，导致

16、某些病原体对药物产生了耐药性，危害人体健康等。为实现我国水产养殖的可持续发展，提高水生动物自身的抗病力，加快对主要水生动物品种免疫防御的基础研究，成为解决问题的关键。抗菌肽是水生动物先天防御系的主要成分之一，具有广谱抗细菌、病毒的作用，在未来必将成为解决水产养殖主要病害的新型药物。抗菌肽的研究在我国才刚起步，还有许多的问题有待我们去解决，如来源问题、活性问题和具体使用问题，这些问题都妨碍了抗菌肽在畜牧行业的广泛使用。但随着抗菌肽研究的不断深入，新型、高效、绿色、广谱的抗菌肽在畜牧行业中必将发挥越来越重要的作用。参考文献1 崔艳红，黄现青. 抗菌肽的抗菌机理及其应用J. 中国兽医杂志. 2006

17、, 42（9）：51-52.2 仇妍虹. 家蝇防御素抗菌肽在毕赤酵母中分泌表达及活性研究D. 南京农业大学硕士学位论文. 2008，4.3 唐书明. 福寿螺抗菌肽的分离纯化及其抗菌效果的研究D. 福建农林大学硕士学位论文. 2008,4.4 徐进署，张双全. 昆虫抗菌肽对病原微生物作用的研究进展J. 昆虫学报. 2002，11，45（5）：673-678.5 Robert E W. Cationic peptides：effectors in innate immunity and novel antimicrobialsJ. The Lancet infectious Disease. 20

18、01，（1）：156-164.6 王军，庞广昌. 抗菌肽抗菌机理的研究现状及趋势J. 食品科学，2005，26（8）：526-529.7 Pelligrini，A., Thomas，U., Wild, P. Bactericidal activities of lysozyme and aprotinin against gram-negative and gram-positive bacteria related to their basic characterJ. Applied Bacterilolgy. 1992, 72（3）：180-187.8 Chernysh S, Kim S L, Plesckach V A, et al. Antiviral and antitumor peptides from insectsJ.Proc nat1 Acad Sci USA,2002,99: 12628-12632.9 Van Wetering S, Mannesse-Lazeroms S P, Dijkman J H, e