抗菌肽的功能及作用机制

抗菌肽的功能及作用机制

近年来，微生物的耐药性一直困扰着水产养殖。长期、广泛、不加选择地使用抗生素药物和抗生素饲料导致一系列耐药微生物的出现,给细菌性疾病的控制和治疗带来了极大的困难,同时也给人类的健康带来潜在的威胁。抗菌肽作为传统抗生素的可能替代物以其无比优越的特性以及重要的理论价值和应用价值而逐渐成为研究热点。抗菌肽(Antimicrobialpeptides,AMPs),是一类具有广谱抗微生物活性的阳离子多肽,广泛存在于细菌、植物、脊椎和无脊椎动物中,是生物先天免疫的重要组成成分。1972年,瑞典科学家Boman等首先在果蝇中发现抗菌肽及其免疫功能。1981年Boman等首次从美国天蚕(fHyalophoracecropin)中成功地分离到两种抗菌肽——蚕素(cecropin)A和B。此后,人们在植物、昆虫、两栖类、水产类以及哺乳类动物甚至一些细菌中都发现了抗菌肽类物质。迄今为止,大约有2000多种抗菌肽被分离出来,各种脊椎动物中已发现100多种。在常见家畜中,猪体内已经发现了12种以上的抗菌肽;绵羊体内至少已发现10种抗菌肽基因;牛体内至少已发现30种抗菌肽,牛奶中也分离出3种抗菌肽。经过近20年的研究,人们对抗菌肽的结构、功能及作用机制有了较深的认识。CecropinA、Magainin、Nisi等已先后在医药、食品和农业上得到了应用。1抗菌酶的特性1.1对微生物的作用植物没有哺乳动物那样的特异的免疫系统.在生长过程中不可避免地会遭到各种细菌、真菌、病毒等的侵袭,但大部分时间里却不会发病。研究发现。植物体内存在大量的抗菌物质(如抗菌蛋白、抗菌肽等)。在长期进化的过程中,昆虫形成了类似高等动物免疫系统的抗菌、杀菌分子(主要是抗菌肽)的快速合成机制,分泌到血液中,对抗入侵的细菌、真菌、病毒等。受到创伤的蛙在不干净的水中仍能安然存活,其原因是它们体内能产生抗菌肽,抵御病菌的侵害。在哺乳动物中多种白细胞都可以生成总称为cathelicidins的一类抗菌肽,不但具有杀灭多种革兰氏阳性和阴性细菌的功能,某些种类还参与机体的多种其它的生理功能。Hiemstra等认为抗菌肽是哺乳动物先天免疫的主要中介物质。1.2抗菌肽的分子量目前发现的抗菌肽分子量都比较小,如植物防卫素分子量为5kDa左右,一般有45～54个氨基酸残基,含8个半胱氨酸。目前,从猪体内发现的l2种以上不同的抗菌肽的分子量均小于10kDa。这就为利用基因工程的方法对抗菌肽进行大规模的生产,以及对其进行局部的结构改造提供较好的条件。抗菌肽在水中煮沸30min仍不变性失活,能耐受饲料制粒时的高温作用。规模化发酵生产抗菌肽时经高温浓缩工序,可充分杀灭酵母菌体而不导致抗菌肽失活,使产品在推广应用后不会出现因工程菌的扩散而导致的环境以及生态问题。1.3抗菌肽的作用机理抗菌肽的抗菌机理与传统的抗生素有较大的不同。研究表明,抗菌肽与革兰氏阴性菌细胞膜的相互作用始于抗菌肽与LPs结合并引起细菌外膜结构改变,进而与内膜结合形成通道,改变膜的通透性并引起呼吸相关的质子运动力的下降和新陈代谢的丧失,最终影响生物大分子的合成。由于抗菌肽对细菌细胞壁的透过能力不同,因而,不同抗菌肽及同一抗菌肽对不同细菌的最小致死浓度也有很大不同。这是通过物理作用造成的细胞膜穿孔,不需要特殊的受体,因而它可以杀灭微生物而不产生抗药性。1.4内源性抗菌肽检测病原菌外源性病原菌的活性高等动物肠道微生物菌群发达,不同动物的肠道内源性抗菌肽能抑制其相应的外源性病原菌。而对动物肠道中共生生态系统中的微生物和动物细胞无杀伤作用,即高等动物肠道抗菌肽具有“种”特异性。2动物细胞的作用抗菌肽在饲料工业中的应用,对畜牧业的发展起了重要的作用。高等动物肠道内的抗菌肽能抑制外源性病原菌,而对动物肠道存在的正常菌群和动物细胞无杀伤作用。虽然肠源抗菌肽有选择性杀伤病原菌的优点,而且高等动物肠道抗菌肽具有“种”特异性,但其在动物体内的表达分泌量却十分有限。加上现代畜禽养殖日益集约化,病原传播和入侵及各种应激作用日益强化,使得畜禽肠道表达量有限的抗菌肽更难以对动物自身的保健起很大作用。应用各种动物的专一性内源性抗菌肽作饲料添加剂,可使饲养动物在受到外源病原菌入侵或应激时能特异性地维持其健康和生长。2.1猪小鼠抗菌肽检测抗菌肽由于其作为饲料添加剂的众多优点正引起人们的关注,有望成为替代抗生素的产品之一。目前,不少研究者做了一些相关的试验,得到了较好的结果。马卫明等检测了猪小肠抗菌肽对鸡大肠杆菌(01)C83845株、鸡白痢沙门氏菌C79-13株、大肠杆菌(O2)、大肠杆菌(078)、猪致病性大肠杆菌自然分离株、鸡致病性大肠杆菌自然分离株、白色葡萄球菌、金黄色葡萄球菌ATCC25923株、猪致病性沙门氏菌自然分离株、绿脓杆菌ATCC27853株、鱼致病性嗜水气单胞菌等11株细菌的作用。结果发现,猪小肠抗菌肽对以上各株细菌均有不同程度的抑制作用,杀菌率59.5%,98.5%不等。2.2经济上的应用应用基因工程手段大量生产动物专一性抗菌肽,并将其用作饲料添加剂,它通过抑制或杀灭病原微生物,减少动物的发病率;抑制肠道中有害微生物,维持动物肠道微生态的平衡;使动物小肠重量变轻、肠壁变薄、肠绒毛变长,通过提高动物对养分的吸收率等方式促进动物的生长,提高了饲料的利用率,取得了明显的经济效益。目前,国内作为添加剂生产应用的主要是蚕抗菌肽AD-酵母制剂。大多数的畜禽试验也是围绕这种抗菌肽进行的。温刘发等通过在断奶仔猪的饲料中用抗菌肽代替抗生素,对仔猪的腹泻、生产性能等作了比较。结果表明,抗菌肽在仔猪断奶应激期间抗腹泻效果不比抗生素差。适量的抗菌肽比抗生素促生长的效果要好,但高剂量的抗菌肽则降低了仔猪的生长。黄永彤等发现,抗菌肽对肉鸡有促进生长和提高免疫力作用。与中草药抗生素相比,在出栏率、平均体重、饲料效率等方面均无显著性差异,且在出栏前3d停喂,抽检无残留。温刘发等通过饮水方式给粤黄鸡添加抗菌肽的饲养试验结果表明,抗菌肽可促进小鸡生长和减少排泄物氮含量。陈晓生等于肉鸭日粮中添加液体的蚕抗茵肽AD–酵母制剂发现血清代谢激素的活动显著增强。IGF-1浓度升高,营养物质合成加强;甲状腺素升高,脂肪、T4降低;尿素氮浓度显著降低,体内氮排出减少。此外,国外有报道称,抗菌肽对饲料防霉也有一定的效果。2.3抗菌肽的作用抗菌肽能耐受饲料制粒时的高温。规模化发酵生产抗菌肽时经高温浓缩工序,可充分杀灭酵母菌体而不导致抗菌肽失活,产品在应用后不会出现工程菌的扩散而导致污染环境问题。抗菌肽产品具广谱抗菌作用,对畜禽具有促生长、保健和治疗疾病的功能,属无毒副作用、无残留、无致细菌耐药性的一类环保型制剂。另外,抗菌肽杀菌机理非常独特,病原菌不易对菌肽产生耐药性,以工程菌工业化发酵生产抗菌肽的优点是:可大规模生产,生产周期短,生产成本低且不受季节和气候变化等外在环境的影响。3抗菌肽的抗菌活性研究值得重视抗菌肽代替抗生素作为饲料添加剂的研究最近几年才发展起来的,目前还处于探索阶段,距形成成熟的技术、大规模的应用到动物生产中还有很多问题需要解决:(1)抗菌肽的种类很多,哪些种类作为饲料添加剂效果较好而且又比较经济,不同种类的抗菌肽之间是否有相互作用等都有待于进一步研究。(2)抗菌肽在动物体内含量少,天然资源缺乏,而且由于其具有广谱的抗菌作用,很难利用微生物进行生产;化学合成的生产成本昂贵,目前还无法投入大规模的生产;与多数抗生素相比,它具有较大的分子量,因而为了保证较低的价格,抗菌肽必须被重组生产,或者通过日粮因素调控抗菌肽基因的表达值得进一步研究。(3)抗菌肽在体内容易被蛋白酶水解,需要用脂质包被或对其进行化学修饰来保护,因此还需对它的释放机制、受体结合、降解活性及其类似物的结构与活性的关系等进行研究。(4)目前,人们关于抗菌肽作为饲料添加剂的可行性只是理论上的推测。真正用在实际生产方面的试验还比较少,其效果以及是否有副作用还需要更多的动物试验来证实。(5)抗菌肽的毒性作用,有些阳离子抗菌肽可对哺