定 價(jià):68 元
叢書名:現(xiàn)代生物農(nóng)業(yè)
- 作者:胡建和等主編
- 出版時(shí)間:2015/3/1
- ISBN:9787030433671
- 出 版 社:科學(xué)出版社
- 中圖法分類:Q516
- 頁碼:141
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16K
《現(xiàn)代生物農(nóng)業(yè)畜牧獸醫(yī):動(dòng)物源抗菌肽》主要介紹了抗菌肽的基本理論和多種不同動(dòng)物源抗菌肽!冬F(xiàn)代生物農(nóng)業(yè)畜牧獸醫(yī):動(dòng)物源抗菌肽》內(nèi)容主要包括總論和各論兩大部分。總論部分主要包括抗菌肽概述、抗菌肽的作用機(jī)制、抗菌肽的研究方法;各論部分主要包括豬、牛、羊、禽類、蠶、蜂、水產(chǎn)動(dòng)物、兩棲動(dòng)物等動(dòng)物源的抗菌肽。
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《現(xiàn)代生物農(nóng)業(yè)畜牧獸醫(yī):動(dòng)物源抗菌肽》:
第一章 抗菌肽概述
抗菌肽(antimicrobial peptide,AMP),又稱抗微生物肽或宿主防御肽(host defensive peptide,HDP),是自然界生物體內(nèi)廣泛存在的小分子多肽,具有抵抗外源病原體感染的活性,是宿主天然免疫系統(tǒng)的重要組成部分?咕膹V泛分布于動(dòng)物、植物和人的體內(nèi),同時(shí)因其高活性、低毒性、抗菌譜廣和低耐藥性等特點(diǎn)而成為抗生素替代品的后起之秀。
起初分離的抗菌活性多肽對(duì)細(xì)菌具有廣譜、高效的抗菌活性,被人們稱為“antibacterial peptide,ABP”,中文譯為抗細(xì)菌肽,簡稱抗菌肽。但是,隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)抗菌肽還具有抗病毒、抗真菌、抗寄生蟲、抗癌細(xì)胞、免疫調(diào)節(jié)等功能,故將這類活性多肽稱為“peptide antibiotics”,中文譯為多肽抗生素或肽抗生素!半目股亍陛^好地概括了這類活性多肽的功能特征,被多數(shù)學(xué)者所推崇。在國內(nèi),各種期刊文章中關(guān)于這類活性多肽均稱為抗菌肽。同時(shí),在國外的期刊和書籍等文獻(xiàn)中,抗菌肽的英文為“antimicrobial peptide,AMP”。因此,為了與國際接軌,本書將抗菌肽的英文譯為“antimicrobial peptide,AMP”。
第一節(jié) 抗菌肽的研究簡史
一、尋找抗生素替代品的必然性
自20世紀(jì)40年代第一個(gè)抗生素——青霉素被發(fā)現(xiàn)后,人類迎來了治療傳染病的曙光。隨著研究的深入和臨床的需要,人類又相繼開發(fā)了多種抗菌藥物。這些抗菌藥物在治療人類和動(dòng)物疾病方面作出了不可磨滅的歷史貢獻(xiàn)。
但是,由于抗生素的廣泛使用,臨床上不斷出現(xiàn)耐藥菌甚至多重耐藥菌,使得細(xì)菌性疾病的預(yù)防和治療成為一大難題。這已引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。目前,這個(gè)問題越來越嚴(yán)重,已經(jīng)成為治療感染性疾病的最大障礙。據(jù)報(bào)道,耐藥菌引起的醫(yī)院感染人數(shù)已達(dá)到住院感染患者總?cè)藬?shù)的30%左右。近年來,細(xì)菌的耐藥性和耐藥譜仍在以驚人的速度增長和擴(kuò)展。特別是具有多藥物抗性(multidrug resistance,MDR)的超級(jí)細(xì)菌在世界范圍內(nèi)的相繼出現(xiàn),嚴(yán)重威脅著人類和動(dòng)物的生命安全與健康。因此,人類迫切需要開發(fā)新抗生素來解決細(xì)菌的耐藥性問題。人類開始對(duì)傳統(tǒng)抗生素進(jìn)行改造以降低耐藥性,并不斷開發(fā)新型抗生素。然而,新抗生素的研發(fā)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上耐藥菌的出現(xiàn)速度,而且新抗生素的開發(fā)不僅花費(fèi)高,還需要經(jīng)過漫長臨床試驗(yàn)的驗(yàn)證。另外,從2006年1月開始,歐盟全面禁止食品動(dòng)物使用抗生素類促生長飼料添加劑。在這種形勢(shì)下,尋找具有安全、有效及不易產(chǎn)生耐藥性的抗生素替代物成為必然選擇。
在尋找抗生素替代物的過程中,人們逐漸把目光投向抗菌肽,認(rèn)為抗菌肽有望成為傳統(tǒng)抗生素的替代物。因?yàn)椋咕牡淖饔脵C(jī)制完全不同于傳統(tǒng)抗生素,其能殺死耐藥菌及其突變株,而且在使用過程中不易形成具有耐藥性的突變株。再者,抗菌肽在使用過程中無不良作用。因此,對(duì)抗菌肽的研究成為必然趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代以來,對(duì)抗菌肽的研究、開發(fā)和利用一直是國際生物醫(yī)學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
二、抗菌肽研究簡況
1922年,F(xiàn)laming(弗萊明)在急性鼻炎患者的鼻腔分泌物中分離出一種具有殺菌功能的溶菌酶,是首次在人體內(nèi)分離的可溶性抗菌物質(zhì)(朱鈞萍等,2013)。1939年,Dubos從芽胞桿菌的培養(yǎng)上清中發(fā)現(xiàn)了短桿菌肽(gramicidin),對(duì)革蘭陽性菌具有極強(qiáng)的殺傷作用,這個(gè)短桿菌肽后來被證實(shí)是一種由L-型及D-型氨基酸交替組成的N-甲;嚯,是首個(gè)明確一級(jí)結(jié)構(gòu)的抗菌肽(朱鈞萍等,2013)。1962年,國外科學(xué)家在研究蟾蜍的皮膚分泌物時(shí),發(fā)現(xiàn)了一種未知的可以抗菌的物質(zhì),經(jīng)分析是一種肽類物質(zhì)。1963年,首次從釀酒酵母中發(fā)現(xiàn)嗜殺毒素。1972年,瑞典科學(xué)家Boman等在惜古比天蠶(Hyalophora cecropia)中發(fā)現(xiàn)了一類肽類物質(zhì),稱為天蠶素(cecropin),并確定了天蠶素A和天蠶素B的一級(jí)結(jié)構(gòu)順序(Boman,1995)。此后,人們又相繼在細(xì)菌、真菌、兩棲動(dòng)物、哺乳動(dòng)物、植物和人類中發(fā)現(xiàn)并分離得到了相似的抗菌肽類物質(zhì),并稱為抗菌肽(antimicrobial peptide,AMP)。Lee等(1997)從柄海鞘(Styela clava)的血細(xì)胞中分離得到的clavanin是α螺旋抗菌肽的典型代表。clavanin含有1~2個(gè)α螺旋結(jié)構(gòu),不含半胱氨酸殘基,其抗菌活性很高,對(duì)哺乳動(dòng)物無細(xì)胞毒性。杜衛(wèi)等(2000)利用RP-HPLC從櫛孔扇貝中分離得到4個(gè)小分子多肽。
到目前為止,已經(jīng)鑒定出來2000多種抗菌肽,并且每年都以很高的速度增長。這些抗菌肽來自脊椎動(dòng)物、無脊椎動(dòng)物、微生物和人類。據(jù)統(tǒng)計(jì),在所發(fā)現(xiàn)的抗菌肽中,絕大多數(shù)為陽離子型抗菌肽,這些陽離子型抗菌肽具有廣譜的抗微生物活性,包括抗細(xì)菌、抗真菌、抗寄生蟲、抗病毒、抗腫瘤等。
隨著科學(xué)界對(duì)抗菌肽研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)抗菌肽是自然界長期進(jìn)化而來的,存在于很多生物體內(nèi)的一種天然物質(zhì),具有非特異性抗病原微生物作用、天然免疫調(diào)節(jié)作用和其他多種生物活性功能,是生物非特異性免疫防御系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,是一種天然抗病因子。隨著對(duì)抗菌肽作用與功能研究和發(fā)現(xiàn)的增多,也有將抗菌肽重新命名為“抗微生物肽”、“防御素”和“宿主防御肽”的情況。
近幾年來,抗菌肽的研究在理論和應(yīng)用上不斷得到拓展,抗菌肽的高效廣譜抗病原微生物作用和對(duì)提高動(dòng)物免疫力的顯著作用,得到了實(shí)驗(yàn)室及臨床使用的大量驗(yàn)證。目前,Genarea公司的Pexiganan已用于治療糖尿病足部潰瘍,Xoma公司開發(fā)的XMP.629和Neuprex分別用于治療痤瘡、腦膜炎,這幾個(gè)抗菌肽均已通過臨床Ⅲ期試驗(yàn)?咕牡膬(yōu)越性能顯示了其巨大的應(yīng)用前景。
但是,常態(tài)下動(dòng)物體內(nèi)抗菌肽的含量極低,分離提取難度極高,僅適合實(shí)驗(yàn)室研究使用,無法大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),高昂的天然抗菌肽獲得成本制約了抗菌肽的實(shí)際應(yīng)用。而通過基因工程技術(shù)進(jìn)行抗菌肽的大規(guī)模表達(dá),獲得效價(jià)高、性能穩(wěn)定的抗菌肽產(chǎn)品是一條切實(shí)可行的途徑。
第二節(jié) 抗菌肽的分類
一、根據(jù)抗菌肽結(jié)構(gòu)與氨基酸序列分類
1. β折疊抗菌肽
β折疊型抗菌肽具有反平行的β折疊結(jié)構(gòu),在分子內(nèi)含有2~6個(gè)二硫鍵,二硫鍵存在于兩個(gè)構(gòu)成β折疊的肽段之間,起到穩(wěn)定抗菌肽結(jié)構(gòu)的作用,也有助于抗菌肽穿過細(xì)胞膜,但對(duì)抗菌肽的抗菌活性沒有影響[圖1-1(a)]。利用X射線晶體衍射研究人中性粒細(xì)胞中分離到的防御素(HNP-2)的結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn),在晶體狀態(tài)下,防御素是以二聚體形式存在的,每個(gè)單體都有3股反平行的β折疊片以二硫鍵連接,不對(duì)稱的2個(gè)單體分子緊密靠近,并與二次旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱。
圖1-1 抗菌肽的結(jié)構(gòu)示意圖
。╝)β折疊結(jié)構(gòu);(b)α螺旋結(jié)構(gòu);(c)伸展螺旋結(jié)構(gòu);(d)環(huán)狀結(jié)構(gòu)
具代表性的β折疊型抗菌肽是鱟素,它是從日本鱟紅細(xì)胞中提取的,由17~18個(gè)氨基酸殘基組成,在殘基3~8和16~11之間構(gòu)成反平行β折疊結(jié)構(gòu),殘基3和16及7和12之間形成兩個(gè)二硫鍵。
動(dòng)物防御素也是β折疊型抗菌肽。β-防御素廣泛存在于不同的上皮組織中,可能參與上皮和黏膜的抗感染防御。
2. α螺旋抗菌肽
α螺旋抗菌肽含有一個(gè)跨膜的α螺旋結(jié)構(gòu)[圖1-1(b)],這個(gè)跨膜的α螺旋結(jié)構(gòu)自身或者螺旋結(jié)構(gòu)聚合體介導(dǎo)抗菌肽誘發(fā)細(xì)菌內(nèi)容物的泄漏,使細(xì)胞死亡。在螺旋結(jié)構(gòu)中間含有小的彎曲。α螺旋抗菌肽不含半胱氨酸,不形成分子內(nèi)二硫鍵,N端富含親水性堿性氨基酸殘基,如賴氨酸和精氨酸,所帶正電荷有利于與細(xì)菌膜上的酸性磷脂頭負(fù)電荷作用而吸附到細(xì)菌膜上,C端含較多的疏水性氨基酸殘基,疏水性的尾部有利于抗菌肽插入細(xì)菌膜的雙層脂質(zhì)膜中。分子的兩端各形成一個(gè)兩親性α螺旋,2個(gè)α螺旋之間有甘氨酸和脯氨酸形成的鉸鏈區(qū),這種α螺旋是破壞、裂解細(xì)菌的主要結(jié)構(gòu),當(dāng)抗菌肽結(jié)合到細(xì)菌細(xì)胞膜上時(shí),α螺旋相互聚集使細(xì)胞膜形成孔洞,細(xì)胞質(zhì)外溢而致細(xì)菌死亡。
這類抗菌肽的代表是magainin(根據(jù)讀音翻譯為“馬蓋寧”;其他譯名還有爪蟾抗菌肽、蛙皮素,容易使人混淆,故后文均使用英文表示),它是從蟾蜍皮膚中分離得到的,由23個(gè)氨基酸殘基組成,其中在12及13位氨基酸殘基附近出現(xiàn)一個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)。在目前發(fā)現(xiàn)的所有的抗菌肽中,α螺旋抗菌肽的數(shù)量是最多的。
3. 伸展螺旋型抗菌肽
這類抗菌肽的氨基酸序列中不含半胱氨酸,但富含脯氨酸、精氨酸、色氨酸和甘氨酸,一般含有15~34個(gè)氨基酸殘基[圖1-1(c)],在兩性分子內(nèi)部形成分子內(nèi)的α螺旋,不含取代基結(jié)構(gòu),含有糖基化位點(diǎn),這些位點(diǎn)與其生物功能密切相關(guān)。這類抗菌肽主要通過肽與膜脂間的氫鍵或范德華力,而不是殘基間的氫鍵來發(fā)揮抗菌作用。
從牛中性粒細(xì)胞中分離的indolicidin抗菌肽只含有13個(gè)氨基酸殘基,其中包含5個(gè)色氨酸,它們位于多肽結(jié)構(gòu)的中心,對(duì)抗菌活性起著關(guān)鍵的作用。另外,蜂毒肽(melittin)富含甘氨酸。從蜜蜂體內(nèi)分離到的蜜蜂源抗菌肽(apidaecin)中脯氨酸和精氨酸的含量分別高達(dá)33%和17%。昆蟲防御素首先從肉蠅中分離得到,當(dāng)時(shí)認(rèn)為與哺乳動(dòng)物的防御素具有高度同源性而命名為昆蟲防御素(insect defensin)。但后來的研究表明,昆蟲防御素與哺乳動(dòng)物防御素二硫鍵的連接方式,以及三維空間構(gòu)型是截然不同的。
4. 具環(huán)狀結(jié)構(gòu)型抗菌肽
這類抗菌肽在C端有一個(gè)分子內(nèi)二硫鍵,形成一個(gè)環(huán)鏈結(jié)構(gòu),而N端則為線狀結(jié)構(gòu)[圖1-1(d)]。這一類抗菌肽有較強(qiáng)的抗菌活性。
青蛙皮膚細(xì)胞產(chǎn)生的brevinin和牛的抗菌肽bactenecin均屬于此類。但是,牛中性粒細(xì)胞分泌的bactenecin是在分子的中部形成一個(gè)環(huán)鏈,兩端有1或2個(gè)游離的殘基。
5. 無規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗菌肽
這類抗菌肽的結(jié)構(gòu)與規(guī)則的α螺旋或β折疊不同,呈現(xiàn)無規(guī)則卷曲,富含一個(gè)或多個(gè)特殊氨基酸,有的呈伸展螺旋狀。例如,從凡納濱對(duì)蝦血細(xì)胞中分離的penaeidin(一種類型的對(duì)蝦肽)富含脯氨酸,這些脯氨酸無規(guī)則地排列,形成一個(gè)無規(guī)則的卷曲結(jié)構(gòu)。
二、根據(jù)是否為天然來源分
1. 天然來源抗菌肽
從生物體內(nèi)分離到的抗菌肽為天然來源抗菌肽。迄今,科學(xué)家已經(jīng)從細(xì)菌、真菌、高等植物、昆蟲、兩棲動(dòng)物、軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、魚類、鳥類、哺乳動(dòng)物乃至人類中分離出上千種抗菌肽,這些都是天然來源的抗菌肽,產(chǎn)量極低。
2. 合成抗菌肽
通過化學(xué)合成技術(shù)或基因工程技術(shù)獲得的抗菌肽屬于合成抗菌肽。這類抗菌肽比天然抗菌肽的活性高、穩(wěn)定性強(qiáng)和抑菌譜廣。
三、根據(jù)電荷分
按照抗菌肽分子表面的電荷的不同,主要將抗菌肽分為陽離子抗菌肽和陰離子抗菌肽。
1. 陽離子抗菌肽
陽離子抗菌肽在抗菌肽中占絕大多數(shù)。不同多肽的精氨酸和賴氨酸的數(shù)目不同,但至少有一個(gè)凈的二價(jià)正電荷。陽離子多肽在正常pH條件下均帶有正電荷。陽離子抗菌肽如LL-37、cecropin、magainin、凡納濱對(duì)蝦抗菌肽penaeidin-1~ penaeidin-3等。
2. 陰離子抗菌肽
陰離子抗菌肽在抗菌肽中為數(shù)不多,在生理pH條件下帶負(fù)電荷,如從細(xì)角濱對(duì)蝦血漿中分離的PsHct1和PsHct2,以及羊呼吸道組織中的表面活性物質(zhì)相關(guān)陰離子抗菌肽(surfactant-associated anionic peptide,SAAP)。
四、根據(jù)來源物種分
1. 微生物源抗菌肽
這類抗菌肽能殺死或抑制競(jìng)爭菌,對(duì)抗菌肽產(chǎn)生者自身卻無害,主要包括細(xì)菌素、酵母嗜殺毒素和病毒源抗菌肽。
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