抗菌肽的作用机制及在动物生产中的研究

王跨芬，刘玉辉，韩奇鹏

（1.双牌县动物卫生监督所，湖南 永州 425200；2.湖南农业大学动物科学技术学院，长沙 410128）

抗菌肽是具有抗菌活性的小分子多肽（AMPs），其是机体天然免疫防御系统的重要组成部分。与抗生素相比，抗菌肽的抗菌能力更具有广谱性，且对真菌、癌细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，在动物体内不易残留，不易产生耐药性，是抗生素替代物研究的热点之一[1]。

1 抗菌肽的分类

抗菌肽主要从昆虫、两栖动物和哺乳动物体内获得，其中在昆虫体内获得的已经超过200余种。GenBank中检索发现抗菌肽超过1 200种，其中300余种是由昆明动物研究所发现的，已从1 200种中克隆出800条cDNA序列。抗菌肽主要依据来源、化学结构与功能和三级结构等进行分类[2]。

1.1 来源

抗菌肽依据来源分为哺乳动物抗菌肽、细菌抗菌肽、昆虫抗菌肽、植物抗菌肽、两栖动物抗菌肽及软体类、鱼类、甲壳类等来源的抗菌肽。

1.1.1 哺乳动物抗菌肽

最早发现的哺乳动物抗菌肽是猪Cecropin PI。迄今为止，猪Cecropin PI有100余种被分离出来。人体内的防御素已发现30余种，其中人θ-防御素、α-防御素和β-防御素等是比较常见的3类人体抗菌肽。

1.1.2 细菌抗菌肽

细菌抗菌肽是乳酸菌、大肠杆菌等细菌的细菌质粒表达产生的一种代谢产物为细菌抗菌肽，又称细菌素。APD数据库中共收录的细菌抗菌肽有119种。细菌抗菌肽根据相对分子质量、结构不同又分为热敏感的大分子蛋白（LHLP）、热稳定肽（SHSP）、羊毛硫抗生素和复合型大分子复合物4类。

1.1.3 昆虫抗菌肽

庞大的昆虫种群是抗菌肽的主要来源。200余种抗菌肽发现于鞘翅目和双翅目，其中40余种抗菌肽发现于家蚕中。昆虫抗菌肽又被细分为防御素、天蚕素和富含某种氨基酸的抗菌肽等，其中研究较多的是天蚕素。

1.1.4 植物抗菌肽

植物抗菌肽是从植物中分离的最早的植物抗菌肽。其结构和哺乳动物防御素的结构相似，具有真菌、细菌等多种病原[3]。

1.1.5 两栖动物抗菌肽

两栖动物抗菌肽主要分泌于两栖动物皮肤，其具有丰富生物活性。到目前为止，已从40多种两栖动物体中分离出的抗菌肽达数百种，被APD数据库收录的有548种，其中最早发现的是爪蟾素，其是从非洲爪蟾中分离得到的，目前已提取出10多种。

1.1.6 其他来源的抗菌肽

除了上述来源的抗菌肽外，还有从鱼类、甲壳、软体动物中提取的抗菌肽。其中鱼分离出的抗菌肽有49种。来自鲍鳎的Pardaxin是一种含有35个氨基酸，具有两亲性的阳离子α螺旋抗菌肽，是最早分离获得的一种鱼类抗菌肽。Pardxin的螺旋结构和两亲性，使其具有穿过细胞膜、溶血性低和抗菌性强等功能特性。

1.2 化学结构

抗菌肽根据化学结构可分为富含某种氨基酸的抗菌肽、含等量氨基酸的抗菌肽和不含半胱氨酸的线型抗菌肽。

1.2.1 富含某种氨基酸的抗菌肽

富含某种氨基酸的抗菌肽主要是来自果蝇、蜜蜂和牛嗜中性粒细胞。

1.2.2 含等量半胱氨酸的抗菌肽

根据所含的二硫键个数的多少来分类。含1个二硫键的有Brevinins、Bacteneci、Esculentin和Ra⁃nalexin等；还有2个二硫键的有鲎抗菌肽；从脊椎动物中发现的含3个二硫键的防御素；含4个二硫键的植物防御素等。

1.2.3 不含半胱氨酸的线型抗菌肽

三级结构不同，化学结构相似的抗菌肽，根据α-螺旋的有无细分为非α-螺旋型和α-螺旋型抗菌肽，昆虫抗菌肽属于其中之一。含高度螺旋结构，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

抗菌肽主要对细菌的生长、繁殖有抑制及杀伤作用。此外抗菌肽还具有杀灭真菌、病毒、原虫、寄生虫和癌细胞等功能，还可增强免疫功能。

2.1 抑菌作用

抗菌肽具有广谱抑菌活性，其对革兰氏阴性菌、阳性菌及耐药性较强的菌都有抑制作用。如抑制革兰氏阴性菌生长的是含有精氨酸、脯氨酸的AMPs；抑制革兰氏阳性菌生长是含有色氨酸、半胱氨酸的AMPs[4-5]。抗菌肽的结构和功能关系密切，有研究指出抗菌肽可使细菌细胞膜破损，产生穿孔现象，导致细胞内容物流出，进而致使细菌死亡。但不同抗菌肽的抗菌活性、抗菌机理和抗菌谱差异较大。抗菌肽不但可以单独具有抑菌效果，而且可以相互之间作用及与抗生素之间起到协同、辅助效果，并提高治疗效率，拓宽抗生素的抗菌谱。

2.2 抗病毒作用

病毒通过感染生物细胞进行自我复制。研究发现，人的α-防御素和虹鳟鱼鱼皮中的一种抗菌肽对胞内和胞外病毒有抵抗作用。Protegrins抗菌肽可以抵抗HIV病毒，具有广谱杀灭微生物的作用。由于抗菌肽可以抑制病毒繁殖、与病毒粒子结合、模仿病毒侵染过程和干扰病毒组装合成等，进而对病毒起到抵抗的作用[6]。

2.3 抗肿瘤作用

一些阳离子抗菌肽具有广谱杀伤肿瘤细胞的作用。由于抗菌肽具有破坏肿瘤细胞骨架，损伤肿瘤细胞染色体、DNA、细胞核，溶解肿瘤细胞的细胞膜，破坏肿瘤细胞器，促进免疫效应和抑制肿瘤血管生成等重要作用[7]。研究表明，抗菌肽对肝癌细胞、膀胱癌细胞和宫颈癌细胞均有杀灭效果[4]。抗菌肽在不损伤正常细胞的前提下，可特异性抑制肿瘤细胞，为抗癌药物的研发提供了新思路。

2.4 抗真菌作用

研究表明，某些真菌对人类有一定的危害的作用。而线肽素、天蚕素、蝎血素、果蝇抗菌肽、贻贝素等抗菌肽对真菌有抵抗作用[8]。抗菌肽的抗真菌活性受真菌的属、种及孢子状态等影响[9]。抗菌肽可以与细胞内线粒体、核酸等细胞器作用，破坏细胞膜表面，阻止、破坏细胞壁合成等。

2.5 抗虫作用

热带疾病中很多是由寄生虫引起的，对人体和动物体都造成一定的危害。近年来，随着抗生素的大剂量使用，导致细菌耐药性增加，因此迫切需要寻找新的健康、无残留的治疗药物。有研究表明，抗菌肽对抑制寄生虫传播疾病和治疗宿主感染等方面有一定的作用效果。例如，蛔虫体内分离出的抗菌肽能杀死利什曼鞭毛虫及shiva-1能杀死疟原虫[10-11]。

2.6 免疫调节作用

抗菌肽遇到入侵的外界病原体时，易产生非特异性免疫应答产物，因此对免疫功能有一定的调节作用。抗菌肽可提高机体抗感染力、促进免疫细胞增殖、调节免疫因子的和激活特异性免疫反应等作用[12]。抗菌肽消除炎症是在细胞趋化因子、中性粒细胞趋化因子、抑制蛋白激酶C和促使细胞凋亡等各自功能协调发挥的条件下完成的[13]。抗菌肽可以通过刺激上皮细胞移动与增殖及伤口处细胞的分裂增殖，促进伤口愈合[4]。

3 抗菌肽抗菌机制

抗菌活性是抗菌肽生物功能的主要体现。研究表明，抗菌肽可选择性结合细菌外膜，使细胞膜形成空洞，导致营养物质和内离子等胞内容物外流，致使细菌死亡。抗菌肽与细菌的作用过程主要分为吸引和吸附两种方式。

3.1 抗菌肽与细菌的作用方式

3.1.1 吸引

抗菌肽与细胞膜作用，是由抗菌肽疏水性和电荷性质相互吸引。细胞膜上带负电荷的物质有革兰氏阳性菌的磷壁酸、革兰氏阴性菌的脂多糖（LPS）和赖氨酸酰磷脂酰甘油等。

抗菌肽主要通过静电引力与细菌膜相互吸引，是因为抗菌肽表面一般带的是正电荷[14]。研究表明，抗菌肽对LPS的亲和力比Ca2+、Mg2+等二价阳离子高，因此更易结合LPS，竞争性的部分取代细胞膜上二价阳离子，但抗菌肽不能够杀死真核细菌，因为真核细菌细胞膜表面为电中性。同时抗菌肽的疏水氨基对细菌脂膜有一定的吸引作用[15]。

3.1.2 吸附

决定多肽与细菌磷脂膜紧密结合的是分布在抗菌肽两侧的疏水性氨基酸，从而使细胞膜上的蛋白质分子和磷脂分子结构发生紊乱[16]。抗菌肽完成与细胞膜结合后，会形成稳定的三级结构。α螺旋多肽是其中重要的一个代表，由于间断的疏水性氨基酸的存在，促使其余脂膜结合后，形成α螺旋。带正电荷的氨基酸侧链，会与磷酸集团之间发生静电作用，使两者能紧密结合在一起；疏水性氨基酸的侧链中存在大量的π电子云系统，进而促进其与脂膜结合。

3.2 抗菌肽与细菌细胞膜的结合过程

根据吸附过程中多肽的作用方式不同，可以分成“地毯”模型、“木桶”模型和“环形孔洞”模型等[17]。3种模型本质类似，而作用细节和程度有所不同。其都是通过抗菌肽吸附的方式，聚集在细胞膜上，超过阈值后，对细胞膜造成损害。研究表明，“地毯”模型的前一个阶段、极端结果是“环形孔洞”。孔洞在多数情况下是导致内容物等外泄引起死亡，而“地毯”模型是多肽和磷脂基团始终结合在一起，一直到裂解后，最后导致细菌死亡。

此外，还存在一些非膜作用机制，主要是通过与细菌内靶点作用，而致使细菌死亡，不需要经过膜作用。主要有抑制生物大分子合成、酶的活性和代谢功能等[18-19]。

4 抗菌肽在动物生产中的应用

抗菌肽在动物生产中的应用主要体现在提高动物生产性能、改善动物生产品质、防治动物疾病和增加动物免疫能力等方面。

4.1 提高动物生产性能

研究表明，日粮中添加适量的外源性抗菌肽可有效调高饲料利用率，促进动物生长，进而提高动物生产性能。以肉鸡为试验动物，饮水添加（60～120 mg·kg-1）或直接灌服（0.001 mg·mL-1）等方式下，进行日增重和饲料转化率的检测分析。结果表明，添加天蚕素等抗菌肽可有效提高肉鸡的生产性能[20-21]。此外，在哺乳母猪日粮中添加天蚕素 400 mg·kg-1得到上述同样的结论[22]。

4.2 改善动物生产品质

研究表明，在新西兰兔的日粮中添加适量的抗菌肽，可有效提高全净膛率，延迟肌肉pH下降，保持肉质新鲜度，进而提高新西兰兔的屠宰性能和改善肉品质[23]。在蛋鸡日粮中添加不同浓度的抗菌肽，可明显提高鸡蛋蛋黄相对重和产蛋量[24]。此外，抗菌肽还可以提高芦花鸡的胸肌硒含量、肌肉纤维密度和胸肌锰含量等功效[25]。

4.3 防治动物疾病

具有广泛功能特性的抗菌肽，不会使细菌产生抗药性，无毒害作用及无残留，对寄生虫、细菌和病毒等有强烈的抑制作用，在畜禽养殖中得到广泛应用。研究表明，猪小肠抗菌肽可有效抑制鸡白痢沙门氏菌C79-13株、大肠杆菌C83845株和绿脓杆菌ATCC27853等11种细菌[26]。在仔猪日粮中添加适量的抗菌肽，可有效改善断奶应激引起的腹泻，可有效降低大肠杆菌菌群数量和抑制乳酸菌的作用[27]。此外，分离东北林蛙抗菌肽进行研究发现，其对H9N2病毒有一定的抑制效果[28]。

4.4 增加动物免疫能力

抗菌肽对动物免疫系统有一定提高作用。研究表明，家蝇幼虫抗菌肽（2 000～3 000 mg·kg-1）添加到虾的日粮中，可以提高虾血清抗氧化能力，进而说明抗菌肽可以有效增强虾的免疫能力[29]。在雏鸡饮水中适量添加非洲鸵鸟皮肤抗菌肽，可有效提高雏鸡抗病能力[30]。

5 小结

20世纪90年代至今，作为抗生素药物替代品之一的抗菌肽，一直备受关注。但由于抗菌肽的作用机制无法应用物理化学的方法进行系统描述，进而影响了抗菌肽作为新型药物的设计与广泛应用。虽然抗菌肽来源广且具有广谱的抑菌活性，但仍然没有得到广泛应用。因此需要进一步的研究，从而促使抗菌肽能够充分发挥其特性与潜能。

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