抗菌肽的抗菌机理及其应用

而关于髓源性防御素(一种内源性的光谱抗菌肽)的杀菌机制研究较为清楚，其杀菌过程大致可分为三个阶段：首先，防御素被细胞膜附近某些位点的静电吸附；然后，在电动势的影响下，防御素在膜上形成多聚体共同构成膜活性物质，在膜结构中形成通道，很多的通道联合而将膜结构破坏；最后，如果上述损伤未被修复或除去，则细胞膜发生不可逆的损坏，致使靶细胞胞质渗漏，最终导致微生物细胞被杀死（Lehrer等，1989）。

几乎所有抗菌肽都是阳离子型,大多具有两亲α螺旋和/或两亲β折迭结构。Boman，等(1993)研究了猪cecropin P1和PR 39对大肠杆菌的作用机理,与cecropin P1不同的是,PR 39杀死正在生长的细菌比处于非生长状态的细菌要快得多,cecropin P1与昆虫抗菌肽一样也通过改变细菌细胞膜通透性而杀菌;而PR39则通过阻断细菌蛋白质和DNA的合成而杀灭细菌。cecropin P1在结构上与昆虫抗菌肽相似,它在细胞膜上也形成了电势依赖通道；这与Christensen等(1988)的报道一致,其杀菌过程为:首先抗菌肽分子两亲α  螺旋上的正电荷与细菌质膜磷脂分子上的负电荷通过静电相吸而靠近;接着借助于分子中Ｎ端与Ｃ端间的连续结构的柔性,抗菌肽分子中的疏水端插入质膜中;然后两亲性α螺旋也插入质膜中,这样就破坏了脂质双层原有的有序结构,由于α螺旋的两亲性使抗菌肽分子通过膜内分子间的位移而相互聚集在一起,从而在膜上形成离子通道,细菌最终不能保持正常渗透压而致死。哺乳动物防御素的二级结构是两亲β折迭,其杀菌机理类似于抗菌肽在膜上形成离子通道。从人防御素的二聚体晶体结构；Hill等(1991)认为防御素分子可能有三种方式与脂质双层相互作用并渗透质膜,提出了渗透脂质双层的楔形模型和孔道模型假说。在楔形模型中,二聚体的疏水表面埋入脂质双层中,破坏脂质双层间的相互作用从而渗透质膜;在孔道模型中,两个二聚体在质膜中装配成极性的头对极性的头,两个非极性的尾对磷脂膜的模式,两个二聚体的尾部四个疏水性侧链形成两个微型通道(minichannel),且完全横跨双层膜;或者,上述二聚体旋转90度,然后几个二聚体首尾相连从而横跨质膜,形成孔道。而与PR39结构相似的Bac 5和Bac 7,由于Pro残基的存在也不能形成α螺旋,它们通过影响膜上的能量转运和代谢、损害呼吸链的功能而杀死细菌。

目前关于抗菌肽的作用机理还不能够达成共识，不同的学者提出了不同的看法。有的学者认为抗菌肽是通过与细胞膜作用,引起膜蛋白凝聚、失活,形成离子通道,引起膜通透性改变最后导致细菌死亡。有的学者提出抗菌肽是通过与细胞膜上存在的特异性受体及其他因子协同作用而导致细菌死亡。但从目前研究成果来看,认为抗菌肽的杀菌机理主要是通过作用于细菌的细胞膜,破坏其完整性并产生穿孔现象,造成细胞内容物溢出胞外而死亡这一作用机理的理由或者试验结果较多。Christensen等用双层脂质膜的脂质体研究抗菌肽杀菌机理,认为首先抗菌肽带正电荷氨基酸与细菌胞浆膜磷脂分子形成的负电荷发生静电吸引而使抗菌肽附于细菌膜表面,接着疏水性的Ｃ端插入膜内疏水区并改变膜的构象。由于多个抗菌肽分子在膜上形成离子通道,而导致胞内的离子流失,尤其是K+的大量逸出,细菌不能维持其正常渗透压而死亡。不同类别的抗菌肽由于其结构不同,其作用机理可能不一样,因此其作用机理仍在研究中。

3 开发与应用

抗菌肽有可能成为新一代的抗菌药物。但是,天然的抗菌肽来源十分困难,虽然化学合成和基因工程成为获取抗菌肽的主要手段,但在基因工程中通过微生物直接表达抗菌肽基因的方法可能造成宿主微生物自杀而不能获得表达产物(俞瑜,2002)。

抗菌肽应用最广、最具开发价值的可能还是其药用价值。而抗菌肽要成为药物还需要解决一些问题：(1)抗菌肽的提取纯化技术,这直接决定了抗菌肽的生产成本及其市场竞争力。(2)构建基因工程菌提高表达量。(3)抗菌肽的稳定性和免疫反应问题,即需要对抗菌肽进行分子改造,使其既降低对蛋白酶的敏感性又降低机体抗原性。

20世纪20年代以来发现的抗生素,对人类的健康做出巨大的贡献。但随着抗生素的大量使用,微生物耐药性增强的问题日渐突出,寻找新的抗菌资源已成为备受关注的焦点。抗菌肽抗菌机制独特,不易使微生物产生耐药性,能直接杀灭多种微生物(甚至病毒、肿瘤和AIDS病毒),是一类大有开发前景的抗菌药物。10多年前,来自微生物的抗菌肽(Nisin)和两栖动物的抗菌肽(magainin)先后应用于医药、食品和农业等方面。magainin已用于某些疾病的临床治疗, Nisin已被美国ＦＤＡ批准为血液防腐添加成分。随着对分离纯化、抗菌特性、表达调控及毒力学性质等问题的进一步研究,抗菌肽在不远的将来将大大造福于人类。

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