脂肽抗生素的研究概况#知识资料

1、6多肽抗生素的研究概况多肽(Lipopeptide )又称脂联素肽(Acylpeptide )，是重要的抗菌肽，主要来源于细菌、酵母菌、真菌分泌的代谢产物，种类多，结构复杂，是由脂肪链和多肽链组成的具有父母结构的微生物次代谢产物(脂肽一般来源于植物、动物和微生物，而大多数脂肽来源于微生物，其中多来自细菌的脂肽。 在细菌中，多肽一般是克阳性芽孢杆菌产生的代谢产物。 1968年，Arima等首次在枯草芽胞杆菌株中发现脂肽系表面活性剂，呈晶状，商品名为表面活性素(surfbactin ) (ARIMA，1968 )。 目前发现的抗菌多肽主要是表面活性素(surfactin )、芬西汀(Fengyci

2、n )、博霉素(iturin )、芽孢霉素(Bacillomycin )、抗霉素枯草菌(mycosubtilin )、磷脂抗生素(plip 脂质肽分子由亲水性肽键和亲油的脂肪族烃链两部分组成，脂质肽分子中由多个氨基酸组成的肽链形成亲水基，脂肪族烃链形成亲油性。 由于其特殊的化学组成和双亲型分子结构，多肽除了具有抗菌活性外，还具有生物表面活性剂的特性(Stein，2005 )。 脂肽在环境管理、医药、微生物采油等领域有重要的应用前景(Jitemdra，1997 )。 Banat，2003 )。6.1多肽抗生素的种类和结构特性芽胞杆菌产生的抗菌脂肽的分子结构由脂肪酸链和肽链两部分组成，分子中多种氨

3、基酸构成的肽链形成亲水基，-羟基或氨基脂肪酸的烃链形成亲油性基，是一种具有两亲性的生物表面活性剂。 其中亲水性氨基酸通过肽键相互连接，并与脂肪族烃链上的羧基和-羟基或氨基结合形成环状，因此抗菌脂肽一般为内脂或酰胺键的环脂肽(刘向阳，2005； 吕应年，2005年王，2004 )。 芽孢杆菌多肽抗生素主要包括三种类型：表面活性素(Surfactin )、类毒素(Iturin )、芬太尼(Fengycin )。6.1.1表面活性素(Surfactin )surftactin类群的脂肪酸的碳链长为1316个，具有LLDLLDL的手性七肽通过内酯键与脂肪酸链的碳原子的-羟基结合，在水溶液中“鞍状”地分

4、为分子。 该家族包括枯草芽胞杆菌产生的表面活性素、芽胞杆菌产生的芽胞杆菌素在内的芽孢杆菌表面活性剂(Pumilacidin )、浓缩剂(Esperin )中，Liehenyishin、Pumilacidin、Esperin主要是工业和环境管理(Meiji et al ) Yakimo et al .1995； Naruse et al .1990 )。 表面活性剂由-羟基脂肪酸和7个氨基酸残基的肽组成，是肽链的第7位氨基酸上的羧基与脂肪酸的-羟基缩合形成环状结构的脂质肽系抗菌物质(图1-1 )。 Surfactin中，主要有7位氨基酸有Leu和Val两种。 肽链中典型的氨基酸组成顺序是(l-)

5、 Glu-(l-) leu-(d-) leu-(l-) val-(l-) ASP-(d-) leu-(l-) leu (kowalletal .1998； 杨世忠等，2004 )。 但是，其2位(Leu/Ile/Val )、4位(Val/Leu/Ile/Ala )、7位(Leu/Val/Ile )氨基酸的差异和脂肪酸链的长度(C13C15 )的差异等也很多(刘日方向等，2005 )。 1991年，Baumgart提出了从Bacillus subtilis ATCC21332和Bacillus subtilis OKB105的培养液中提取的Surfactin为三种结构相似物(Baumgart e

6、t al . 用二维H-NMR证明了具有1991 )的分别命名为Surfactin A、surfbactinb、surfbactinic，其中survitina为主要成分，其环状肽链上的第7个氨基酸为Leu、surfbactinb的第7个1992年Oka等采用优化的高效液相色谱(HPLC )，首次成功分离了枯草芽孢杆菌产生的6种表面活性素，发现了两种具有不同脂肪酸取代物的新表面活性素。 1995年俄罗斯科学家研究了发酵液得到的5个Surfactin的结构相似物，通过质谱分析技术、化学修饰和二维核磁共振技术确定了其结构。 之后的研究如表1-1 (Vater et al .2002 )所示，更正确

7、地测量了十几种Surfactin的同族体(Kowall et al .1998 )。 Surfactin表现出抗病毒、抗肿瘤和支原体性及一定的抗细菌活性，其本身不具有抗真菌活性，但能增强其他多肽，特别是类毒素的抗真菌活性(Kim et al .2004 )。图1-1 Surfactin的结构图Fig.1-1 Structure of surfactin结构表l-1 surfactin同系物的种类table1-1stratsofsurfbactiniisoforms6.1.2发动机Fengycins类群中，引擎(Fengycin )和磷脂(plipastatinAl，A2、B1、B2 )脂肪酸链

8、的碳链长度一般为1418个，8个氨基酸为环，线状部分为2个氨基酸和脂肪酸链(non 肽链中氨基酸组成顺序是(l-) Glu-(d-) orn-(l-) Tyr-(d-) thr-(l-) Glu-(d-) ala (val )-(l-) pro-(l-) Gln-(d-) Tyr-(l-) ile，是肽链第十位ile上的羧基Ongena，2005 Sehneider，1999 )，图1-2。 Fengycin抑制丝状菌的生长，对酵母和细菌不起作用(Vanittanakom et al .1986 )。 和Surfactin一样有很多同系物，多与发酵液共存。 这些分为Fengycin A和Fen

9、gycin B两种，当多肽链的第6位有Ala时，属于fengyein A的多肽链的第6位是Val时，FengyeinB(Wang J，2004； Steller S，1999； Deleu，2005 )。 2008年Das还发现了芽孢杆菌cMB26(B.thuringiensis CMB26 )具有与Fentorycin相似结构的多肽抗生素(Kim et al .2004 )。 常见的fengycin同系物为表1-2(Stinson，2003； 高学文，2003 )。图1-2 Fengycin A的结构图fig.1-2风雪结构表l-2 Fengycin同系物的种类表1-2 sortsoffen

10、gycinisoforms6.1.3伊枯草菌(Iturin )Iturin家族包括伊戈辛a、b、芽孢杆菌抗生素d、f、l、毒蕈碱和芽孢杆菌胃蛋白a、b、c (陈Franeoise et al .1984； Aicha et al .1982； Yoshio et al .1995 )，脂肪酸链的碳链长一般为1417个，具有LDDLLDL手性的7个强极性氨基酸短肽的n末端氨基通过形成肽键的脂肪酸链的羧基连接(图13 )。 其中最有代表性的Iturin A由含有C14C17的-氨基脂肪酸和7个氨基酸残基的环状结构构成，7位的Ser的羧基和-氨基脂肪酸的氨基缩合而形成环状结构(Hiradate et

11、 al .2002； Besson et al .1978 )。 伊枯草菌具有强的抗真菌活性(Besson et al .1978 )，也有抑制细菌的作用。 Iturin的种类及其分子量如表l-3所示。 Iturin能很强地抑制植物病原真菌和细菌的一部分，还能抑制杀虫作用。图1-3 Iturin的结构图fig.1-3 it urin的结构表l-3 Iturin同系物的种类表1-3 sorts of it urin iso forms6.2多肽抗生素的合成机制Lipmann于20世纪70年代首次展开了多肽生物合成的非核糖体机制分析，随后克隆和分析了抗菌多肽合成的相关基因，结合全基因组测序的展开，

12、获得了大量多肽抗生素合成和调控的遗传信息(chen et al 。 总而言之，芽孢杆菌多肽类抗生素的合成受由合成基因、控制基因构成的大基因簇控制，这些基因簇包含一个或多个转录单元，它们的表达受到协调控制，类似主链结构的多肽抗生素产物类似酶的活性存在于大功能蛋白质的不同区域，或组织成酶的复合体，脂肽抗生素的合成相关基因如表1-4所示。 与核糖体合成的蛋白质不同，非核糖体合成的多肽抗生素生物合成不需要以mRNA为模板，不需要携带工具tRNA，就能由多个多肽合成酶组成的巨大复合体nrps (non-ribosoomalpeptidesynthettase ) 是以称为“多载流子硫铸模机构(Moham

13、ed，1997 )”的方式合成的； Saseha et al .2001 )。 NRPS是目前已知的分子量最大的酶，其作用是独立于核酸模板的非核糖体机制，在模板的指导下，可以识别特定氨基酸，并将其直接结合形成多肽链。 各肽合成酶有一个或几个模块，各模块是独立的功能单元，由约1000个氨基酸残基组成，负责在肽链中配合特定的氨基酸。 多肽合成酶的模块序列决定了产物中氨基酸的序列顺序，因此多肽合成酶既是多肽链合成的催化剂，也是多肽链合成的模板。 各模板负责反应循环，主要识别选择性基质，将其活化为对应的腺苷酸化合物，固定共享中间体，形成多肽键。 各模板在结构上分为腺苷氧化域a、疏水化域t和缩合域c三个

14、域。 腺苷氧化结构a域识别特定的基质，负责用ATP激活基质的疏水化域t，也称为肽酰基载体蛋白质(PCP )的缩合结构域c，负责固定反应中间物的硫酯，第一模块的氨基酸从其载体脱离， 进而催化与第二模块的氨基酸形成多肽键，新合成的多肽链将一个模块向前移动，直到脂肪多肽化合物形成为止。 芽孢杆菌以不同的模块为模板，结构域有机结合起作用，形成多种多样的非核糖体肽。表1-4多肽抗生素合成相关基因tablel-5 lipopeptidessynthesase-related genes6.3多肽抗生素的应用抗菌肽的应用研究主要集中在农业生物防治、食品工业、畜牧业、医药行业、环境保护等领域。农业生物防治主要

15、是指脂质肽应用于植物病原菌的生物防治(高芬等2003； Vollenbroich，1997 )。 这是因为多肽的抗生素虽然具有广谱的抗霉菌作用和一定的抗细菌作用，但其抗菌机制与一般的抗生素不同，在微生物的细胞膜上形成孔，使细胞内容流通而死亡，或用二价阳离子抑制多种酶活性，不易产生耐药性Deleu，2005 )。 多肽类是一种在自然界中容易分解、环保的制剂，在医药、植物病原菌的控制等方面有着广泛的应用前景。 有些学者将抗菌脂肽的研究应用于抑制植物病原真菌。 研究了枯草芽孢杆菌fmbJ产生的脂质肽对点青霉AS3.4356的抑制活性，测定了抗菌光谱，进行了桃的防腐试验。 在桃子防腐试验中，其防腐效率

16、达到76.5%，有良好的桃子防腐应用前景。 Yu等人将Bacillus amyloliquefaciens产生的iturinA用于番茄丝状菌的防治(Yu et al .2002 )。在食品行业的应用主要以脂质肽为食品防腐剂，进行了大量的应用研究。 食品安全和动物食品安全取决于生产过程的各个环节，解决问题的一个关键是使用无污染、无残留、无毒性副作用的食品添加剂。 抗菌多肽是一种小分子多肽，参与了生命过程，具有安全无毒性副作用的生物学特性(Zasloff，2002 )。多肽也可以用于环境保护. 多肽作为表面活性剂，他们带负电荷，能结合带正电荷的金属阳离子，能选择性地去除土壤中的Pb、Zn、Cu等金

17、属离子，其中Cu最容易去除。 文献报道了芽孢杆菌产生的脂联素，是比表面活性素更稳定的阳离子性螯合剂(Catherine et al .2001 )。多肽抗生素也可以用于医药行业。 医药行业多肽的研究主要集中在动物疾病的预防和人抗真菌药、抗病毒药、抗肿瘤药、抗原虫药的研究(Hino et al .2001 )。 Rowley et al .2004； Boulanger et al .2004； 汪以真等，2004 )。脂肽类表面活性剂也可用于微生物采油方向。 由农杆菌NK-X3产生的多肽类生物表面活性剂，在pH为412、钙离子质量浓度为4000 mg/L的条件下，有时在120 的高温下会失去活性，这些特征有利于原油的采集和输送(范立梅，2000； 梅建凤，2001 )。 Bacillus subtilis ZW-3是大庆油田分离成大庆威等枯草芽孢杆菌的，代谢产生的肽表面活性剂具有优异的乳化和降低油水界面张力的能力，能提高采