极具有开发潜力的抗菌物质——抗菌肽.ppt
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极具有开发潜力的抗菌物质——抗菌肽
人们在对传统抗生素不断进行改造的同时，也积极的研究和开发新型抗生素，其中ABP(肽抗生素)就是其中之一。
耐药性问题已成为全球公共健康问题
(Gp:) 如何克服细菌的耐药性是当前的研究重点和热点 。
(Gp:) 随着抗生素的广泛应用 ，细菌的耐药性及药残问题日益严重。
一、抗菌肽简介
从微生物代谢产物中分离得到的一些多肽类抗生素很早已经被应用; 但继1980年在美国天蚕体内发现了第一个动物来源的抗生素多肽-杀菌肽(cecropin)以来，在昆虫、两栖类、水产动物、包括人在内的哺乳动物甚至植物及细菌等广泛的生物谱中发现了至少1700余种抗菌肽; 它们构成了宿主抵抗外来病原菌感染的第一道防线。
抗菌肽是一类带正电荷的两亲性小分子肽的总称,通常含有11～50个氨基酸残基 。 按抗菌肽来源分为: 微生物抗菌肽; 动物抗菌肽; 人源性抗菌肽; 植物抗菌肽等。
其中动物抗菌肽又分为: 昆虫抗菌肽; 哺乳动物抗菌肽; 两栖动物抗菌肽3大类。 根据抗菌肽作用对象的不同，又可以分为: 抗细菌肽; 抗真菌肽; 抗肿瘤肽;既抗细菌又抗真菌的抗菌肽; 既抗肿瘤又抗微生物的抗菌肽等类型。
一、抗菌肽简介
如此繁多的抗菌肽有其共同的特性，即微量抗菌谱广(包括革兰阳性菌、革兰阴性菌、真菌、寄生虫)，同时有抗某些带包膜病毒的作用，甚至可杀伤肿瘤细胞，但且大多数抗菌肽对正常真核细胞无毒性或低毒性，且几乎无耐药性。 正因如此，抗菌肽亦被称为"天然的抗生素"，因其有望克服日益严重的抗生素耐药问题而引起了人们极大的兴趣。
一、抗菌肽简介
对动物来源的抗菌肽的研究发现它们中的大多数是生物预防微生物感染的天然防卫系统的重要组成; 在人和其它哺乳类中，这些多肽如防御素(defensins)是中性白细胞构成中的主要蛋白类物质(总共为10～18%)，中性白细胞是对微生物侵袭和急性感染起着直接防卫作用的最重要的细胞; 其它细胞也能产生这些多肽; 在受伤的黏膜表面包括舌、气管、肠等发现有高浓度的多肽，这可能是一种重要的黏膜保护成分。
一、抗菌肽简介
当科学家研究受伤的青蛙和蟾蜍为什么在恶劣的环境下不受感染的原因时，发现了滑瓜蟾素(magainins); 滑瓜蟾素和昆虫多肽如杀菌肽都由受伤后诱导产生，可以假定，这种诱导反应与生物体产生的免疫反应相似。
二、阳离子多肽的基本结构和功能
阳离子多肽有两个显著的特征： 一是根据组成多肽分子的精氨酸和赖氨酸的数量，这些多肽具有至少一个净的二价正电荷，这些氨基酸在自然pH条件下都带有正电荷; 二是这些带有正电荷的多肽能够在与细菌质膜发生作用时折叠成三维空间结构，从而可以形成由一个非极性氨基酸侧链组成的疏水面，和另外一个由极性氨基酸残基和带有正电荷氨基酸残基组成的亲水面; 尽管这些阳离子多肽都具有这两个面，但其在氨基酸组成、多少和与细胞质膜发生作用后所形成的三维结构上差距甚大。
二、阳离子多肽的基本结构和功能
根据已经发现的100多种阳离子多肽在细菌质膜上形成的三维结构可以将其分为4种类别： 第一种为α-螺旋结构:如cecropins(从Hyalophora cecropia 昆虫中分离得到)和magainins(从Xenopus laevis非洲蛙中分离得到); 第二种为由2至3个二硫键桥稳定的β-片层结构:如defensins(可来自于不同的动物和植物)、protegrins(来自于猪)和tachyplesins(来自于蟹)等; 第三种为含有一个或多个二硫键而形成环状结构的多肽:如bactenecin(来自于牛); 第四种为富含某种特殊氨基酸如脯氨酸/精氨酸的伸展螺旋:如牛多肽Bc5和Bac7，以及猪多肽PR-39等。
(a)：β-片层结构的人源defensin-1; (b)：α-螺旋结构的cecropin-melitlin杂合体; (c)：伸展螺旋的indolicidin; (d)：环状结构的bactenecin
三、阳离子多肽的作用机制
目前，国内外学者一致认为细胞膜是抗菌肽的主要作用靶点，多肽通过肽-膜脂作用而在细胞膜上形成孔道: 造成细胞膜结构破坏; 膜内外电压失衡; 内容物泄漏; 最终导致细胞死亡。
抗菌肽抗菌机制
Barrel stave
Toroidal
Carpet
Aggregate channel
? 肽-膜脂作用的具体机制，观点不一，较为经典的有如下几种模式： 桶状孔道模式(barrelstave model); 毯式模式(carpet model); 虫蚀样孔道模式(toroidal (wormhole) pore model)。
1?、桶状孔道模式
???? 抗菌肽抗菌机制的早期研究多认为抗菌肽是通过桶状孔道模式形成细胞膜孔道而实现其杀菌作用的. 以此模式形成细胞膜孔道的抗菌肽需符合如下要求： ①抗菌肽以单体或多聚体的形式吸附于细胞膜; ②吸附于膜的抗菌肽在低浓度下可以彼此识别并形成多聚体;换句话说，如果它们在细胞膜表面仅以小分子的单体或寡聚体存在，则不能破坏细胞膜; ③在与膜作用的疏水环境中可以插入到细胞膜的疏水核心; ④单体或寡聚体的后续募集可以增大孔径。其肽-膜脂作用过程与虫蚀样孔道形成相似。
2、毯式模式
???? 在此过程中：带正电荷的抗菌肽单体分子通过静电作用象毯子一样吸附于带负电荷的细胞膜，α-螺旋纵轴与质膜平行，且其亲水侧与细胞膜脂质头端相接;继之，因疏水作用α-螺旋旋转重排至其疏水侧朝向细胞膜的疏水核心;当抗菌肽分子超过一定浓度时，通过破坏细胞膜脂质排列而致其破碎，就象去污剂破坏细胞一样，故此模式又称去污剂样模式。而在细胞溶解之前，可能有一个膜脂暂时性成孔(虫蚀样孔)的过程。 ???? 与桶状孔道模式相比，毯式模式无需抗菌肽的特殊结构，也无需形成膜孔道，但需要强调的是，抗菌肽的正电荷需要分布于多肽全长，且在脂-膜作用的整个过程中抗菌肽始终与脂质头端作用而无多肽垂直重排过程。
3、虫蚀样孔道模式
Ludtke等在研究滑瓜蟾素的作用机制时提出了此种肽膜脂作用模式，滑瓜蟾素与磷脂膜接触时形成明显的α螺旋结构且其纵轴与质膜平行，其疏水侧埋入膜脂双分子层中间的疏水层，而亲水侧则与质膜的极性头端作用并暴露于溶液; 在肽/脂比例超过一定范围时，为避免抗菌肽亲水性残基暴露于膜的疏水性骨架， 抗菌肽开始自身聚集，并在多肽引起的正向曲面张力的作用下，由与膜平行方向转为透膜的垂直方向，并形成透膜孔道。
透膜孔道除允许离子自由通过而形成离子流外，同时形成一过性脂质流，即：因径向弥散作用，孔道相连的两侧脂质单层的脂质头端向膜脂中间骨架快速跳跃，并参与形成透膜孔道的孔壁。孔壁由多肽α-螺旋的亲水侧和细胞膜脂质的亲水头端组成，而且孔径较桶状孔道模式大; 这是虫蚀样孔道模式与桶状孔道模式的区别所在; 外来多肽的加入、透膜孔道的形成、脂质的移位造成了膜结构的紊乱，最终导致细菌死亡。
4、选择性杀伤机制
???? 抗菌肽的选择性杀伤机制一直是人们感兴趣的热点之一，有人认为原核生物和真核生物细胞膜的脂质特异性可以解释这一点。
原核生物和真核生物细胞膜最主要的区别在于其脂质的组成和排列：哺乳动物细胞膜外层脂质为其所特有的呈电中性的两性磷脂，主要是卵磷脂和鞘磷脂;而细菌细胞膜则含有大量的带有负电荷的磷脂(如磷脂酰甘油和心磷脂)，且有时其含量会超过50%，使其必然暴露于细胞外膜; 此外，革兰阴性菌细胞壁主要由带大量负电荷的脂多糖组成。
抗菌肽可以选择性的结合并渗透带有负电荷的细胞膜，其动力在于2方面： ①膜与抗菌肽疏水端的疏水作用; ②膜脂质所带的负电荷与抗菌肽所带的正电荷间的静电吸引作用。然而，起自身防御作用的抗菌肽的疏水性通常太弱以至不足以与两性磷脂有效结合，从而防止了自身毒性。 ???? 原核生物和真核生物细胞膜另一重要的区别在于后者含有丰富的真核细胞特有的固醇类物质，Matsuzaki等研究表明胆固醇的存在可以使人红细胞免受滑瓜蟾素2的破坏。肿瘤细胞等病变细胞膜脂质成分或排列变化可能是导致抗菌肽对其杀伤的关键。
总之，细胞膜的理化性质决定了抗菌肽可以选择性的广谱杀菌而且可以防止耐药的产生。首先，酶解和向细胞外排药物等耐药机制不存在于抗菌肽的抗菌过程; 另外，抗菌肽的靶分子(阴离子脂质)是广泛存在于微生物界的重要的保守的细胞膜成份，所以，耐药的产生尤其困难甚至几乎不可能; 也就是说，原核细胞和真核细胞膜间最简单的电荷区别是抗菌肽选择性杀伤、抗菌谱广且对正常真核细胞几乎无毒性或低毒性的关键所在。
四 抗菌肽的前景及应用
抗菌肽具有独特的杀菌机理，不同于一般的抗生 素通过阻断大分子的生物合成来发挥作用，极有希望 开发成为一类新型的肽抗生素。 有望成为新一代的抗菌、抗病毒药物 开发抗肿瘤药物 农业生产的综合应用 用于食品的防腐 可生产抗菌肽酵母制剂 愈合剂
五 问题展望
1、天然抗菌肽来源有限， 并且提取工艺复杂， 成本昂贵， 化学合成也存在成本高 ， 批量生产困难等。通过基因工程获得的抗菌肽抗菌活性差，并可以导致宿主细胞的自杀而存在产量低的问题; 3、天然抗菌肽在生物体内已经经过合成后加工修饰， 具有一定的空间结构，而其抗菌活性与肽分子的空问结构密切相关。体外合成的抗菌肽与天然抗菌肽虽然一级结构一致，但空间结构却与天然抗菌肽不尽相同， 因此活性较差。 4、蛋白质类的抗菌肽在保存、 运输、 给药时极易变性失活， 如何保持其活性也是需要进一步研究解决的问题。
作为固有免疫系统的成分，抗性病原生物对人类的危胁更严重，滥用抗菌肽同样是有风险的。
研究领域
发现鉴定天然抗菌肽 抗菌肽理化性质与抗菌活性关系研究 在上述研究基础上，人造或基于天然抗菌肽设计新的抗菌肽，开发药物