抗菌肽作用机制

卢亚丽

（河南工业大学，河南，郑州， 450001） 摘 要 : 抗菌肽

是一类来源于多种生物的多肽 , 这类活性多肽多数具 有分子量小、强碱性、热稳定性及广谱抗菌的特点，还可以抗真菌、 抗肿瘤、抗病毒、抗寄生虫，且不易产生抗药性。是先天免疫的重要 防御物质，良好的应用前景。该文分别对抗菌肽的抗细菌、抗真菌、 抗病毒、抗肿瘤、 抗寄生虫的生物活性和作用机理进行了综述，并指 出了在开发研究抗菌肽中存在的问题，对其发展作了展望。 关键词：抗菌肽，生物活性，作用机制

Research Progress on Mechanism of Antimicrobial Peptides

LU Ya-li

（Henan University of Technology, Henan, Zhengzhou, 4500）01 Abstract Antimicrobial peptides are a class of peptides derived from a variety of organisms. They have many advantages, such as small molecular weight, strong alkali, broad-spectrum antimicrobial, good thermal stability. Moreover, antimicrobial peptides also have the characteristics with anti-fungal, anti-tumor, anti-virus, anti-parasitic, and less drug resistance generated. They are important innate immune defense material, and have a good application prospect. In this paper, the biological activity and mechanism of action of antibacterial, antifungal, antitumor, antiviral, antiparasitic were reviewed, and the the problems existed in the research of antibacterial peptides were pointed out, as well as the prospects of development of antibacterial peptides.

Key words：antimicrobial peptides, biological activity, mechanism

抗菌肽（antibacterial peptides也称抗微生物肽、肽类抗生素或天 然抗生素 , 是自然界中普遍存在的一类阳离子活性多肽 ,在细菌、植 物、昆虫、鱼类、两栖类和哺乳动物中均有分布，是在诱导条件下由 动物免疫防卫系统产生的一类对抗外源性病原体致病作用的防御性 阳离子肽类活性物质 , 抗菌肽具有抵御外界微生物侵害 ,清除体内突 变细胞 ,是生物天然的、 非特异性防御系统的重要组成部分 [1]。这类活

性多肽多数具有强碱性、热稳定性及广谱抗菌，还可以抗真菌、抗肿 瘤、抗病毒 ,且不易产生抗药性 [2] 等特点。

近年来， 抗生素的广泛使用造成了多药耐药菌感染在临床的蔓 延，因而抗菌肽低耐药性在预防与治疗耐药菌感染方面具有广阔的应 用前景，随着分子生物学技术的发展 ,抗菌肽已成为近年来分子免疫 学和分子生物学的研究热点。 文中就近年来抗菌肽作用机制的研究进 展进行阐述。

1 抗菌肽的概述

1.1 抗菌肽的生物活性 抗菌肽之所以被冠上“抗菌”这两个字 ,主要是因为其抗菌谱广 , 对革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌及真菌、 霉菌均有明显的抑杀作 用,对一些农作物和经济作物病原菌亦有作用。高度耐药的伤寒杆菌、 金黄色葡萄球菌等对抗菌肽同样敏感。此外 ,抗菌肽可以有效杀灭寄 生虫,如痢疾、疟疾、 chagas 氏病、利什曼病的原虫等。另外 ,有研究 表明抗菌肽对流感病毒、疱疹病毒和乙型肝炎病毒等也有抑制作用。 值得一提的是,有报道抗菌肽在亚毒性浓度下可抑制艾滋病毒 -1(HIV-1) 的基因表达 ,表明抗菌肽对于艾滋病病毒也有抑制作用 , 这一 发现的医学价值是不言而喻的。在肿瘤治疗方面 ,大部分化疗药物往

往同时抑杀癌细胞和正常细胞 ,具有较大的副作用。而抗菌肽能特异 性地抑制某些肿瘤细胞的生长 ,对人体正常细胞毒性极低 ,故极有可能 成为无毒或低毒副作用的抗肿瘤新药 [3] 。 1.2 抗菌肽的分类

自 20 世纪 70 年代末从昆虫体内发现抗菌肽以来 , 已发现 300 多 种这 样的内源性抗菌 肽 ,大 致可分为 4 类 ,即富含 Cys 残 基的 defen si n防御素)、富含Pro残基的magai nin(蛙皮素)、富含Gly残基 的melittin(蜂毒素)和cecropin(杀菌肽)类。 按照结构特点可以将其分为 4 大类[4-5]

(1) 由两到三个二硫键来稳定的B片层结构，分子内含有二硫键 ， 可以稳定抗菌肽的结构 ,有助于抗菌肽穿过细胞膜。

(2) 包含一个两性a-螺旋结构，分子内具有a-螺旋结构，通常含有小 的弯曲 ,如 cecropin,magainin[6]；

(3) 片层结构的抗菌肽：缺少典型的二级结构，富含Pro、Gly,其抗菌 单位结构是通过肽与膜脂间的氢键或范德华力形成的 ,而不是通过残 基间的氢键 ,如 indolicidin [7]；

(4) 由单一的二硫键形成的环形结构。 1.3 抗菌肽的理化性质 [16]

大小：抗菌肽分子量较小，通常是由6〜5 0个氨基酸残基组成， 目前还发现了具有抗菌活性的二肽和三肽。

序列： 肽序列中常常包含碱性氨基酸残基—赖氨酸或精氨酸， 以 及疏水性残基——丙氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸或者色氨酸，有的抗菌 肽还包含

某些氨基酸的重复序列。

电荷： 阴离子抗菌肽富含带负电的天冬氨酸和谷氨酸， 阳离子抗 菌肽则富含带正电的精氨酸和赖氨酸。 在抗菌活性上， 带电荷较多的 阳离子肽和含有锌的阴离子肽要明显高于中性的及带电荷较少的抗 菌肽。

两亲性：抗菌肽具有明显的两亲性，其 N 端分子富含亲水性氨 基酸残基， 特别是赖氨酸和精氨酸； 而 c 端则含较多的疏水性氨基酸 残基， 且大部分被酰胺化。 2 抗菌肽作用机制

抗菌肽对G+菌和G-菌都具有杀火或抑制作用，其广谱抗菌特性 是传统抗生素所无法比拟的 , 传统抗生素通过消除微生物生长或生存 必不可少的条件，如使酶失活变性，来达到杀菌的目的，细菌只要改 变一种基因就足以抵抗此类抗生素的攻击。 而抗菌肽则通过中和电荷 的方法与细菌细胞膜相互作用， 以此穿透杀死细菌， 极大地减少了细 菌产生耐药性的可能 [8]。 2.1 膜透化作用

几乎所有的抗菌肽都是阳离子型的或两亲性的 ,这一特征决定了 它们的抗菌作用模式 ,抗菌肽分子可以在细菌细胞质膜上穿孔而形成 离子孔道 ,造成细菌细胞膜结构破坏引起胞内水溶性物质大量渗出

,而

最终导致细菌死亡。抗菌肽分子首先结合在质膜上 ,抗菌肽分子中的 疏水端和两亲性a -螺旋插入质膜中，多个肽分子共同作用形成离子性 通道 , 肽的阳离子部分与微生物膜的阴离子结构相互作用

,并最终导

致微生物膜的透化， 使细菌失去了膜势而死亡。 这一过程得到了大多 数学者的公认。关于膜透化作用已经提出了许多机制 , 以下讨论的 4 种机制是目前根据大量的研究得出的理论。

（ 1）“桶板”模型：数量相对较少的阳离子抗菌肽在电荷的作用 下, 结合在细胞膜表面并相互聚合 ,肽分子中的疏水面向外朝向细胞 膜的酰基链 , 而亲水面形成孔或槽 , 形成横跨细胞膜的离子通道。离 子通道一旦形成 , 外界的水分即可渗入细胞内部 ,细胞质也可渗透到

外部。由于失去能量 , 严重时细胞膜即会崩解而导致细胞死亡 [9]

(2) “环形孔” (虫孔 )模型：其与“桶板”模型最主要的不同在 于脂类与抗菌肽一起形成跨膜通道。

(3) “毡毯”模型：阳离子抗菌肽平行排列在细胞壁表面形成类 似“毡子”的结构 , 与其他模型一样 ,阳离子抗菌肽通过静电作用结合 到细胞膜上 , 覆盖在磷脂双层上 , 当抗菌肽密度达到一定临界值时 , 细胞膜能量恶化 , 完整性丧失 , 细胞膜出现显著的弯曲从而破裂。此 模型中阳离子抗菌肽

的疏水部分并不插入细胞膜 , 细胞膜也并无槽

的形成

[10]

, 由肽

( 4)“凝聚”模型：凝聚模型认为抗菌肽插入到细胞膜后 透过这种机制也可以进入胞内。与虫孔模型不同 抗菌肽没有特定的取向。

2.2 抗菌肽与细菌胞质内靶目标的作用

仅仅是膜通透性的改变不能完全解释抗菌肽的强杀菌作用

和脂质组成胶束复合物 , 以凝聚物形式横跨细胞膜 , 形成动态的孔 , 抗菌肽

,在此模型中

,在细

胞死亡的过程中 , 细胞膜的透化作用与细胞内功能的破坏相比 , 对细 胞死亡的影响相对较小。 有些研究表明细胞膜的去极化并不是抗菌肽 杀死靶细胞的充分条件 ,即抗菌肽与细胞膜作用 ,在其表面形成短暂性 的通道只是进入细胞的中间步骤 [11]

例如，线性a螺旋的Buforin H具有1个脯氨酸铰链区，它不改变 膜的通透性 ,但可以穿过质膜在胞浆内积累。 Magainin-2 没有穿膜功 能，将Buforin H脯氨酸铰链与 magainin-2的螺旋区融合形成的杂合 肽能有效地穿过质膜在胞浆内积累 [12]。抗菌肽一旦穿过质膜 , 它可能 通过结合 DNA 阻断 DNA 复制、抑制 RNA 合成、影响或阻止蛋白质 翻译 ,抑制正常蛋白质折叠或促使蛋白质错误折叠

,抑制与隔膜形成相

关的膜蛋白合成而抑制细菌隔膜形成 , 干扰转糖基作用 ,抑制肽聚糖 生物合成 , 阻断细胞壁形成 ,阻断细菌吸收胸腺嘧啶、 尿嘧啶、亮氨酸 等方式影响细胞正常生理活动 , 最终导致胞内损伤或死亡。

许多抗菌肽穿过细胞膜在细胞内积累并干扰胞内正常功能 , 引 起细菌死亡 , 因此研究者们认为抗菌肽存在着胞内作用靶点。胞内杀 菌机制主要有

[1316]

以下几种胞内杀菌机制主要有以下几种 ：(1)引起

，

胞内物质的絮凝反应 ,(2)抑制细胞壁生成 , (3)与核酸物质相结合 ,(4)抑 制核酸或蛋白质合成 ,(5)抑制酶的活性 ,(6)改变细胞膜：抑制隔膜形 成。 2.2.1 抑制细胞呼吸作用

线粒体是细胞能量代谢最重要的细胞器。 Fehlbaum P 等发现,当 用40goL/L的thanatin处理细菌1 h后,可监测到细菌的呼吸作用变 弱,6 h后细菌的呼吸作用就会完全停止。超微结构发现线粒体出现肿 胀、空泡化、嵴脱落和排列不规则 ,核膜界限不清 ,有的核破裂 ,内容物 溢出。提示 thanatin 是通过抑制细胞的呼吸作用来杀菌。 2.2.2抑制蛋白质及细胞壁合成

Pharmacia等的实验表明,对革兰氏阳性菌有强烈抑菌活性的抗菌 肽Oxazdidinones通过紧密结合到原核细胞核糖体 50S亚基,抑制蛋白 合成起始复合物的形成,引起细胞死亡[14]研究发现,麻蝇素II (SarcotoxinI)能够抑制细

菌细胞壁的形成，使细菌不能维持正常的细 胞形态而生长受阻 ,并使细胞壁穿孔 ,但对已形成的细胞壁不起作用。 2.2.3抑制胞外或胞内膜蛋白的形成

研究表明 [15] Attacins 能够干扰大肠杆菌细胞外膜蛋白

OmpC、

OmpF、OmpA 以及 LamB 基因的转录 ,使这些蛋白的含量减少 , 从 而导致细胞膜的通透性增加 , 细菌的生长受到抑制 , Apidaecin 的抗 菌机制假说认为 , 抗菌肽与大肠杆菌外膜成分结合 , 而后肽进入细胞 外周胞质 , 通过与结合在细胞内膜的受体分子发生特异性结合 , 进入 细胞内 , 最后在胞内肽与一种或几种与蛋白合成相关成分结合并发 挥作用起到杀菌效果。 抗菌肽的作用可能与中止蛋白或 DNA 的合成, 导致这些成分的降解有关。 2.2.4 作用于核苷酸 ：

(1 )通过结合核苷酸抑制其功能：：抗菌肽buforin I能够跨过 胞膜磷脂双分子层杀灭细菌而不改变磷脂层的状态和胞膜的完整性， 这说明buforin I的抗菌作用可能存在细胞内部的靶点。

( 2 ) 直接抑制核苷酸的合成： Indolicidin 可以干涉人 DNA 拓扑 异构酶-1,使人DNA拓扑异构酶-I不能正常地松弛DNA超螺旋结 构，导致 DNA 双螺旋不能解旋，从而无法进行 DNA 的复制。 2.3 抗菌肽对真菌的作用机制

许多抗菌肽除了具有抗细菌的活性外, 还具有抗真菌的功能。 戴 祝英等进行了抗菌肽抗小麦赤霉病的实验, 结果表明, 适当浓度的抗 菌肽对赤霉病菌的抑制率达 30%左右。 Lijima 等从麻蝇幼虫血淋巴中 分离出一小肽,能抑制白色假丝酵母生长,命名为

AFP。 AFP 中组

氨酸含量高, 在抗真菌中起关键作用。 随着被发现的抗菌肽的数目不 断增多，人们对抗菌肽的抗真菌机理进行了大量的研究，结果表明， 抗菌肽的抗真菌机理主要有 [17]：第一，阻止、破坏真菌细胞壁的合成。 如Echi nocan di ns是（1,3）-怜葡聚糖合成酶的非竞争性抑制物，通过 抑制葡聚糖的合成抑制真菌细胞生长；第二，与膜作用，在脂膜上形 成孔洞，使重要的内容物外泄。线性、a螺旋肽与膜作用主要有两种 机制：孔洞模型和毯式模型。第三，与真菌细胞内线粒体、核酸大分 子等重要细胞器相互作用， 最终导致细菌死亡。 Histatin5 是人类唾液 中分泌的一种阳离子肽，富含组氨酸，具有很强的抗真菌活性，对 C.albicans有很强的杀伤作用，Histatin5通过真菌细胞膜上的受体或跨 膜电势进入细胞内，与线粒体作用抑制线粒体的呼吸。

2.4 抗菌肽对病毒的作用机制

目前研究证明 ,抗菌肽可用 3 种不同的机制起到抗病毒的作用。

第一种是通过直接与病毒粒子相结合而起作用 ，如a-防御素等对疱疹 病毒的作用和Polyphemus ins对人免疫缺陷病毒HIV的作用。第二种 是抑制病毒的繁殖，如蜂毒素和杀菌肽A（即天蚕素A）对人免疫缺陷病 毒的作用。第三种通过模仿病毒的侵染过程而对其作用。如 Mellitin 及其类似物 K71 的结构与烟草花叶病毒核衣壳 mRNA 相互作用的 区域具有相似性 , 这样蜂毒蛋白分子就可以伪装成病毒包被蛋白 , 参 与蛋白合成 , 被病毒 RNA 结合, 导致 RNA 的构象改变 , 不能与正 常蛋白结合 , 病毒颗粒无法正常组装。 2.5 抗菌肽对肿瘤细胞的作用机制

由于原核细胞和真核细胞的膜结构不同 ,故抗菌肽只对原核生物 细胞和真核生物病变细胞有特异活性 ,对正常的真核细胞无作用。研 究发现抗菌肽对体外培养的癌细胞的作用主要是与胞膜结合 ,形成离 子通道,出现孔洞 ,导致胞内容物外泄 ,细胞 DNA 断裂。抗菌肽对细胞 DNA 的损伤是产生细胞毒作用的一个重要原因。 Chen H M 等通过对 天蚕素 B、 B1 和 B3 的研究,发现这 3 种抗菌肽都可以使体外培养的 肿瘤细胞的双分子层发生溶解 ,微管崩解 ,肿瘤细胞皱缩、死亡。由此 证实抗菌肽不仅可以使细胞膜发生穿孔 ,而且还可以通过破坏微管的 正常功能 ,影响细胞骨架的完整性 ,阻止纺锤丝形成和有丝分裂 ,破坏 细胞器 ,杀伤肿瘤细胞。

2.5 抗寄生虫活性及作用机理 抗菌肽可以有效地杀灭产生人类及动物寄生虫病的寄生虫 , 如疟 疾、莱什曼病等， Diaz- Achilrica 等 1998 年发现的一种合成的天蚕 素 -蜂毒素杂合体对莱什曼原鞭毛虫有损伤作用 ,起作用的靶目标是细 胞质膜，它可以快速降低H-POH+的通透性，破坏膜电势，质膜形态也受 到损坏 [18] ，其作用模式与杀菌模式相似 , 抗菌肽能快速降低 H+/OH- 的通透性使细胞的 ATP 合成下降 , 呼吸减弱 , 外膜坍塌 , 原生质膜形 态遇破坏 , 从而杀死原虫。 3 结束语

随着抗生素残留 ,耐药菌株的不断出现 ,人们意识到有必要开发一 类新的抗生素。而抗菌肽有着许多抗生素无法比拟的优点 ,它们具有 广谱的生物学活性 ,杀菌迅速 ,不受传统抗生素耐药菌株影响 ,与典型 的抗生素具有协同作用 ,中和内毒素等。

抗菌肽的应用潜力很大， 但是仍有若干问题：首先是安全性问题， 目前机理的研究可能比较多一些，如果作为药物应用或食品防腐剂 等，还必须加强药理、药代动力学、药效、毒理性等研究，要充分了 解其分子模式和抗菌机理，采取适当措施尽可能减小副作用的影响， 以及解决毒性、稳定性、用量等问题；其次是来源问题，天然抗菌肽 资源有限 , 且提取工艺复杂 , 成

本昂贵 ; 化学合成法成本太高 , 产业 化困难 , 同时难以保证合成肽类的生物活性 ;基因工程方法虽然使获 得大量、廉价抗菌肽成为可能 , 但实际操作中发现抗菌、抗病毒能力 弱导致受体细胞“自杀”而难以用常用的细菌、病毒作表达体系 , 抗 菌肽分子量较小且容易被蛋白酶水解 , 分离纯化工艺复杂 , 基因表达 产量还不高。

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，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， 使其降低对蛋白酶的敏感性和机体抗原性。 找 到合适的生产体系以期得到商业化生产 , 抗菌肽药物的临床研究等 等。随着对抗菌肽结构与作用机理的不断深入研究 ,上述问题必将得 到解决。新型、高效、低毒、广谱的抗菌肽将会在农业、医药、食品 等领域发挥重要的作用 ,为人类创造巨大的价值。

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