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抗菌肽在饲料工业中的应用
李建鑫 韩克海
摘 要 抗菌肽广泛存在于多种动植物的体内,具有高效、广谱抗菌性,与抗生素具有不同的抗菌机理,对真核细胞几乎没有作用,仅作用于原核细胞;同时不易使病原菌产生抗药性。抗菌肽可通过生物工程技术进行生产,是一种新型的抗菌药物。
关键词 抗菌肽;畜禽;疾病;防治
中图分类号 S816.7  
世界上第一个被发现的抗菌肽是瑞典科学家Boman等人经注射阴沟肠杆菌及大肠肝菌诱导惜古比天蚕蛹产生的。此后,世界上许多实验室又分别从家蚕、柞蚕蛹、麻蝇以及猪等哺乳动物中分离出了抗菌肽。抗菌肽的高效广谱抗菌性已被药物学家、生物学家所重视,在研究了它的一级结构的基础上,采用分子生物学和基因工程技术方法可以生产抗菌的转基因动植物或大批量表达抗菌肽。
1 抗菌肽的结构性质
由于最早的抗菌肽来自于惜古比天蚕(cecropia),故将具有抗菌活性而与之有高度同源性的化合物统称为cecropia。这类肽一般由30多个氨基酸组成;分子量为4 000Da左右;等电点(PI)为8.9~9.5;有较高的稳定性,100℃加热10min仍能保持一定活力;不易被消化酶水解。在天然抗菌肽中,目前已知的cecropin B是活力最强的一种,Jaynes以cecropin为样本,在不改变二级结构的前提下,设计合成了shira-1,其抗菌活力高于cecropin B,并且可以杀伤症原虫。它们的一级结构具有高度的保持性,均有35~37个氨基酸残基构成单肽链。此外,蛙皮肤抗菌肽由21~25个氨基酸残基组成,具有广谱抗菌及双亲特性。对抗菌肽结构的测定,有助于设计和改造新抗菌肽。
2 抗菌肽的抗菌机理
抗菌肽具有广谱杀菌作用,抗菌作用主要是由于在两亲性的α螺旋结构作用下,使原核细胞质膜上形成离子信道(这种信道的直径经推算大约为4nm),离子信道的形成改变了细胞内外的渗透压,使细胞内物质大量外渗,起到杀菌作用。姜明等通过电镜观察了柞蚕抗菌肽对大肠杆菌的作用,发现经一定时间的作用后,在细菌外壁形成了喇叭状缺口。这说明抗菌肽分子是以一端插入细菌细胞膜,通过“打孔”形成一个信道,使细菌细胞膜破裂,原生质“泄漏”而死亡。从这点看,抗菌肽的正电荷与细菌胞膜的磷脂头负电荷间的作用至关重要,在肽分子中N端α螺旋的双亲性是裂解细菌的主要部分,C末端的酰胺化与广谱抗菌有关。从而可看出,抗菌肽的抗菌机理与通过阻断大分子的生物合成来发挥作用的抗菌素的抗菌机理完全不同。同时,病原菌不易对其产生耐药性,因此该物质将很有可能成为新抗菌药的来源。研究表明,抗菌肽不作用于高等动物细胞,这可能是由于高等动物细胞膜中的胆固醇阻碍抗菌肽的疏水面插入磷脂双分子层;也可能是由于微生物与高等动物细胞膜的膜外结构的区别——高等动物细胞膜外表面的唾液酸与膜的距离有80?魡,它可能与抗菌肽的带正电区结合而阻止其接近细胞膜,抑制杀伤作用。
3 抗菌肽的类型
3.1 天蚕素
目前报道的天蚕素约有30种。这类抗菌肽的结构已比较明确,由31~39个氨基酸残基组成,含较少的半胱氨酸,不能形成分子内的二硫键,有强碱性的N端和强疏水性的C端,C末端酰胺化。其分子结构含有两个α-螺旋,两个α-螺旋间由氨基酸组成的铰链区连接。抗菌肽的螺旋-卷曲-螺旋结构特点对保持高抗菌活性具有特殊的重要性,而酰胺化的C端则对其广谱作用极为重要。
3.2 防御素
防御素是美国Leherer实验室首次从兔肺巨噬细胞中分离得到的两个阳离子性极强的小分子抗菌肽。现已在不同种属动物的吞噬细胞中发现了20多种。大多数防御素由38~43个氨基酸残基组成,带有一个净正电荷,含有6个位置保守的半胱氨酸并构成3个分子内二硫键,二硫键与抗菌活性密切相关。由3个结构域组成:1个柔韧的N端环、中部的双亲α-螺旋中心和带有拟β-转角的反向平行的β-片层的C末端。α-螺旋和N端环通过二硫键分别与β-片层的两条链稳定相连,一种Cys-Xaa-Xaa-Xaa-Cys或Cys-Xaa-Cys结构在不同种类防御素的分子结构中普遍存在,使α-螺旋得以稳定。
3.3 蛙皮素
这类肽带正电荷,根据其残基数目又可分为两类:一类是小分子肽类,由15~43个氨基酸残基组成,都含有Arg-Pro或Lys-Pro氨基酸对,有些则是典型的Ag-Pro-Arg结构;另一类是分子量较大的肽,由83个氨基酸残基组成。其分子可分为两个明显的结构域,N端富含脯氨酸的P结构域和由其余富含甘氨酸的肽构成的G结构域。
3.4 蜂毒素
这类抗菌肽的共同特点是富含甘氨酸,有些是全序中富含甘氨酸;有些则是某一结构域富含甘氨酸。不含或含很少的半胱氨酸,不能形成分子内二硫键,氨基酸残基上不具修饰基团。分子量为8~27kD。通常这类抗菌肽均在N端有一个富含脯氨酸的P结构域,C端有一个富含甘氨酸的G结构域。P和G两种结构域的存在可能与其广谱抗菌作用有关。由于蜂毒素具有较强的溶血作用,限制了其作为抗菌物质的使用。
4 抗菌肽作饲料添加剂的研究
抗生素作为抗菌助长剂添加到饲料中由来已久。随着抗生素的大量、广泛地用于饲料中和人们对食品质量的要求越来越高,人们对其使用的副作用认识日益加深,抗生素在饲料业已面临着淘汰或禁用的局面,它必将被那些更有利于人畜健康、环境保护和提高养殖效益的高新技术产品所代替。应用无毒、无公害的新型抗菌剂代替抗生素作饲料添加剂,已成为当前国内外饲料科学的一项重要的内容,面对全球研发环保型高效饲料添加剂的大潮,我国已逐渐减少和控制抗生素用作饲料添加剂。目前,我国饲料工业尚在使用多达20种人畜共用或畜禽专用的抗生素作饲料添加剂。随着我国进入WTO,抗生素作饲料添加剂必将严重影响我国的畜产品在国际市场的竞争力。应用生物技术研究与开发新型抗菌剂是我国饲料科学界一项紧迫的任务,抗菌肽是各种生物防御系统的一个组成部分。抗菌肽的研究成果已为其在兽医学和饲料科学中的应用指明了方向。
5 抗菌肽的基因工程
抗菌肽具有广谱杀菌作用,同时具有相对分子量较小、热稳定、水溶性好等优点;而更为重要的是抗菌肽对真核细胞几乎没有作用,仅仅作用于原核细胞和发生病变的真核细胞。在目前不少病原菌对原有抗生素逐步产生耐药性,尤其是肉用动物长期使用抗生素受到严格检查和批评时,对畜禽体内自然产生的抗菌肽功能的了解,以及设计一种方法来调节动物体内自然抗菌肽的功能便显得极为重要,其中通过抗菌肽基因的克隆与表达而大量生产抗菌肽是一种较为直接而有效的方法。目前,昆虫和植物抗菌肽基因工程在国内外已有不少成功的报道,但就畜禽抗菌肽基因工程国内外报道很少。因此,运用基因工程技术对畜禽抗菌肽的研究,对提高畜禽的抗病能力、减少甚至替代抗生素的使用将起积极的促进作用。目前,在猪体内发现一种分子量为4 719Da的肽,从猪肠中分离,属于富含Pro-Arg的肽家族,不裂解野生型大肠杆菌,但对突变型K12有作用,其作用机制是通过阻断蛋白质和DNA的合成,从而导致这些成分的降解。PR-39在一个单层囊泡中可以诱导钙的降低和电流的线性增加,此诱导与肽浓度和膜上甘油磷酸脂(带负电荷)有关。另外,在猪小肠中还发现另一种抗菌肽cecropin P1,它是以裂解细菌来完成杀菌作用的。Andersson (1995)运用基因工程技术从猪骨髓RNA中克隆到一种新型的cDNA,其编码一个78残基的抗菌肽NK-lysin,有3个分子内二硫键,这种肽对NK-敏感型的肿瘤细胞株YAC-1有裂解活性,但不裂解红血球细胞。
6 小结
综上所述,抗菌肽有着独特的不同于抗生素的抗菌机理,它广泛存在于多种生物体内,是生物体对外界病原物侵染而产生的一系列免疫反应的产物,其分子量小、性能稳定,具有较强的广谱抗菌能力。现在已完全有可能用生物工程的技术方法生产抗病菌的转基因动植物产品,同时可以通过基因工程的技术方法大量地表达抗菌肽,使之成为新一代肽类抗菌药的来源,显示出广阔的应用前景。
(编辑:高 雁,snowyan78@tom.com
李建鑫,滨州职业学院生物工程系,副教授,256624,山东滨州。
韩克海,山东金铸基药业有限公司。
收稿日期:2005-09-19
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