不同類型抗菌肽的結構及作用機制

宋雪瑩

（黑龍江省農業科學院畜牧獸醫分院，黑龍江齊齊哈爾 160000）

抗菌肽（antimicrobial peptides， AMPs）也稱為宿主防御肽，是生物機體對抗入侵微生物過程中形成的防御系統。 AMPs 大小在40 個氨基酸殘基以內，通常呈陽離子[1]。 AMPs 作為先天免疫系統的一部分，對革蘭陰性和革蘭陽性細菌都表現出廣譜抗菌活性。 迄今為止，已確定AMPs 發揮抗菌活性的主要作用機制包括破壞膜完整性和抑制細胞內活性。 不同類別AMPs都有獨特的結構和微生物細胞內活性抑制機制，滲透到脂質雙分子層[2-3]，通過不同機制殺滅細菌。 例如，影響轉錄和DNA 復制、細胞質分裂、細胞壁生物合成以及抑制酶活性和蛋白質合成[4]。

1 牛乳鐵蛋白肽（LfcinB）

LfcinB 是由乳鐵蛋白N-末端結構域 （17～41 個殘基）酸水解產生的一種陽離子抗菌肽，具有抗細菌、抗真菌和抗病毒活性。 LfcinB 含有25 個殘基的多肽片段，包括α 螺旋結構[5]、反向平行β 結構[6]和由2 個半胱氨酸殘基之間的二硫鍵形成的環狀結構。 LfcinB具有兩親性，因為肽的一個表面呈疏水性；另一表面呈親水性。 LfcinB 破壞細菌質膜的能力被認為是影響抗菌活性的主要因素，膜電位在病菌質膜局部脂質雙分子層破裂和快速滲透中起重要作用[7]。 LfcinB（4～9）（RRWQWR） 殘基被認為是乳鐵素B 的抗菌活性中心，當C 端的羧基被酰胺化時，顯示出與LfcinB 相當的抗菌活性[8]。

LfcinB（21～25）Pal（RWQWRWQWR）的凈電荷為4+，具有兩親性。 肽有一個由精氨酸殘基形成的帶電面；另一側含有谷氨酰胺殘基，這兩側都含有2 個色氨酸殘基。 對大腸桿菌ATCC 25922、 糞腸桿菌ATCC 29212、 腸炎菌ATCC 13076、 銅綠假單胞菌ATCC 27853 和金黃色葡萄球菌ATCC 25923 具有抑菌活性[9]。

2 天蠶素（Cecropin）

Cecropin 是一種帶正電荷的α 螺旋肽，具有廣譜抗菌活性，有一定的抗病毒和抗真菌特性，由節肢動物先天免疫系統產生，可作為理想的天然抗生素替代品。 Cecropin 具有強堿性的N 端和高疏水的C 端，表現出兩親性。 根據氨基酸序列不同，分為天蠶素A、B、C 和D 等。 不同種類天蠶素的氨基酸序列見表1[10]。

表1 同種類天蠶素的氨基酸序列[10]

Cecropin A 是最早發現的天蠶素之一，是從蛾類Hyalophora cecropia 中分離出來的[11]，由37 個氨基酸殘基組成，呈α 螺旋結構[12]。 Cecropin A 通過快速滲透病原體外膜，致使其破裂死亡。

Cecropin B 是一種線性帶正電荷多肽， 由35 個氨基酸組成。 目前研究表明，在天蠶素家族的所有成員中，Cecropin B 對革蘭陰性菌具有較強的抗菌活性，并且對人體細胞具有較低的細胞毒性[13]。

Cecropin C 由37 個氨基酸組成，目前在抗細菌活性方面研究較少。 因其與Cecropin A 相比，缺少C 端阻斷基團，被認為是Cecropin A 的前體或降解產物[14]。

Cecropin D 由19 個氨基酸殘基組成， 末端缺乏大部分賴氨酸殘基， 不帶電荷。 Cecropin D 比Cecropin A、Cecropin B 疏水性更強。Cecropin D 對革蘭陽性和革蘭陰性細菌具有抗菌作用，同時也表現出強大的抗病毒特性[15]。

3 組織蛋白酶抑制素（Cathelicidin）

Cathelicidin 由哺乳動物固有宿主防御系統上皮細胞產生，主要包含一個非活性抗菌結構域和一個信號肽。 Cathelicidin 除具有抗菌作用外，還參與許多重要的生理現象， 如細胞凋亡、 免疫調節和傷口愈合。Cathelicidin 基因CAMP 編碼18 kDa 前體， 人類陽離子抗菌蛋白hCAP18 經蛋白裂解得到成熟的生物活性肽LL-37[16]。LL-37 已在包括角質形成細胞、單核細胞、肥大細胞和中性粒細胞在內的許多細胞中被鑒定出來， 在先天免疫細胞反應中起著多方面的作用，包括誘導白細胞介素8（IL-8），上調趨化因子受體4（CXCR4）、趨化因子受體2（CCR2）和白介素8 受體（IL-8RB），并可作為中性粒細胞和單核細胞的趨化劑[17]。

4 作用機理

目前，抗菌肽的抗菌機制尚無明確結論，普遍認可以下4 種模型：凝集模型、桶壁模型、環面孔隙模型和地毯模型（圖1）。

圖1 肽的作用機理[22]

凝集模型：抗菌肽在靜電作用下，與細菌細胞膜上帶負電的磷脂酰肌醇相互作用， 凝集在細胞膜兩側，使得細胞膜去極化[18]。

桶壁模型：該模型主要假設抗菌肽是在“桿”中形成的，并且可以相互結合。 由于這種結合形成了桶狀孔隙。 這些孔隙的形成是基于抗菌肽的殘基與脂質雙分子層脂肪酸鏈相互作用，并且親水區域排列在形成的孔隙內部[19]。

環面孔隙模型：有些短鏈結構的抗菌肽，不能同α 螺旋結構一樣在脂質雙分子層中積累，因此提出了環面孔隙模型。 其中，環形孔被認為是由多肽和脂質組成的，因此該類抗菌肽分子不需要穿過細胞膜的兩層，與地毯機制類似，聚集的多肽可能會影響膜的厚度，使其變薄并形成孔隙[20]。

地毯模型：該模型顯示抗菌肽對細胞膜完整性的影響。 在細胞外的肽與細胞膜結合并覆蓋其表面，以與脂質雙分子層平行的方向積累，由此產生的抗菌肽聚合體斑塊類似于地毯，因此而得名[21-22]。

5 結語

目前， 對抗菌肽抑菌活性研究較多。 通過測試LfcinB、Cecropin 和Cathelicidin 等對不同抗革蘭陰性菌和革蘭陽性菌的最小抑菌濃度（MIC），證明這些抗菌肽均具有較好的抑菌活性。 在畜禽生產中雖然也開展了一些應用研究，但針對不同畜禽品種、不同生長階段的研究還不夠深入。 因此，將不同來源抗菌肽應用在畜禽生產中應該是未來研究的方向之一。