抗菌肽在畜牧业的应用前景,绿色饲料添加剂抗

2019-08-15 14:28栏目:养殖业中心
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目前一般认为,Cecropin类抗菌肽作用于细胞膜,在膜上形成跨膜的离子通道,破坏了膜的完整性,造成细胞内容物泄漏,从而杀死细胞。

对于抗菌肽破坏膜的完整性,使细胞内外屏障丧失,从而杀死细菌这一观点已得到基本统一的认识,但对其具体作用过程、是否存在特异性的膜受体、有无其它因子协同等问题尚不十分清楚,存在不同看法。不同抗菌肽的作用机制可能不一样,尚有待进一步研究。

抗菌肽是哺乳动物防御体系的一个重要组成部分,具有分子量小,热稳定性好,无免疫原性,抗菌谱广等特点。对畜禽具促生长、保健和治疗疾病的功能,且无毒副作用、无残留、无致细菌耐药性。本文就抗菌肽的分类、抗菌机理、应用效果及作为饲料添加剂的应用优势等方面进行了综述。 关键词:抗菌肽; 饲料添加剂;作用机理;应用效果 随着抗生素的大量广泛用于饲料中和人们对食品和环境质量的要求越来越高,人们对抗生素的副作用认识日益加深,抗生素在饲料业中的应用,已面临着淘汰或禁用的局面。应用无毒无公害的新型抗菌剂代替抗生素作饲料添加剂,已成为当前国内外饲料学科的一项重要内容。随着我国进入WTO,抗生素作饲料添加剂必将严重影响畜产品在国际市场的竞争力,应用生物技术研究与开发新型抗菌剂是我国饲料科学界一项紧迫的任务。 抗菌肽具广谱抗菌作用,对畜禽具促生长、保健和治疗疾病的功能,属无毒副作用、无残留、无致细菌耐药性的一类环保型制剂。可应用生物工程的技术方法生产抗病菌的转基因动植物产品,同时可以通过基因工程的技术方法大量的表达抗菌肽,使之成为新一代肽类抗菌药的来源,具有出广阔的应用前景。 1 抗菌肽的分类 1.1哺乳动物抗菌肽 哺乳动物抗菌肽广泛存在于嗜中性白细胞、粘膜和皮肤等。例如,在猪肠中存在富含pro-arg,相对分子质量为471 9ku的PR-39肽、Cecropin P1、有78个氨基酸残基的NK-lysin、在猪白细胞中分离出 5个小分子抗菌肽,它们仅含16~18个氨基酸残基;在绵羊中至少已发现10种抗菌肽基因;牛中至少已发现30种抗菌肽;另外,牛奶中也分离到3种抗菌肽,它们具有抑制肠毒性大肠杆菌,单核细胞增多性李氏杆菌的生长。 防御素是哺乳动物中研究最多的抗菌肽,包括两大类:α-防御素和β-防御素。主要存在于哺乳动物的白细胞、吞噬细胞或小肠的潘氏细胞中,特别是在嗜中性白细胞中。防御素通常由2 7~54个氨基酸残基组成,通过保守半胱氨酸构成3个稳定的链内二硫键使肽环合形成稳定的反向平行的β片状结构。哺乳动物防御素具有保守的6个半胱氨酸, 能形成3个稳定的链内二硫键,这也是区别其他抗菌肽的主要特征之一。防御素抗微生物谱比较广泛,包括革兰氏阳性菌和阴性菌、分枝杆菌、螺旋体、真菌和一些被膜病毒,此外,对恶性细胞也具有毒杀作用。 1.2昆虫抗菌肽 从天蚕的免疫血淋巴中分离得到的高效抗菌肽Cecropins是最早发现的抗菌肽。此后在许多昆虫中也鉴定出有Cecropins或类似分子。Lee等在猪的肠中也发现了一个Cecropin,这可能暗示Cecropins广泛存在于动物中。 Cecropins 对各种大肠杆菌和其他革兰氏阴性细菌,如沙门氏菌,具有很强活性,且对某些革兰氏阳性菌也具有杀伤活性,但对霉菌和其他真核细菌无细胞毒性作用。 Cecropins为一线性阳离子肽家庭,链长35~40个氨基酸残基,而C-末端最后一个残基的羧基酰胺化。Cecropins的cDNA序列分析显示其前体分子含62~64个氨基酸残基,而C-末端最后一个残基的羧基酰胺化。Cecropins的cDNA序列分析显示其前体分子含62~64个氨基酸残基,具有保守的信号序列和前导序列。该基因在蚕中有3个;果蝇中有4个。损伤和感染时诱导该基因表达。如注射细菌碎片或LPS后几小时内昆虫脂肪细胞中特异性mRNA大量增加,24h内即可在血淋巴液中检测出Cecropins。天然免疫细胞膜受体识别微生物成分后,通过Toll通路而激活NF-KB样子。 蜂毒溶血肽是蜜蜂毒液中的一种多肽,由26个氨基酸残基组成,其分子量为2480D。蜂毒溶血肽可直接与红细胞的膜脂作用具有较强的溶血作用。Apila是从蜜蜂体液中提取的一种短肽,由18个氨基酸组成,具有高效广谱的抗菌作用而对真核细胞无毒性。 1.3 蛙类抗菌肽 Zaslff在非洲爪蟾皮肤中发现了小分子抗菌肽,称为Magainins。此后相继发现了多种蛙类抗菌肽,如在非洲爪蟾中就有十多种抗菌肽,不仅在皮肤颗粒腺表达,也有存在于胃粘膜和小肠道细胞。蛙类抗菌肽具有协同效应,但不同的蛙类抗菌肽很少具有同源性。 1.4植物抗菌肽 Thionins是最早从植物中分离的抗菌肽。它们对革兰氏阳性菌、阴性菌、真菌、酵母及哺乳动物细胞均有毒性。其他一些结构上与昆虫、哺乳动物防御素结构相似的植物抗菌肽,称为植物防御素。 1.5细菌抗菌肽 细菌抗菌肽包括阳离子肽和中性肽,革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有分泌。例如乳酸链球菌肽是由乳球菌产生的含3~4个氨基酸残基的短肽,它是一种耐酸性物质,即使在胃这样低pH环境中稳定性也很高,能抑制革兰氏阳性菌如梭状芽孢杆菌和李氏杆菌。 2 抗菌肽的抗菌机理抗菌肽具有广谱杀菌作用,抗菌作用主要是由于在两亲性的α螺旋结构作用下,使原核细胞质膜上形成离子通道,这种通道的直径经推算大约为 4nm,离子通道的形成改变了细胞内外的渗透压,使细胞内物质大量外渗,起到杀菌作用.姜明等通过电镜观察了柞蚕抗菌肽对大肠杆菌的作用,发现经一定时间的作用后,在细菌外壁形成了喇叭状缺口,这说明抗菌肽分子是以一端插入细菌细胞膜,通过“打孔”形成一个通道,使细菌细胞膜破裂,原生质“泄漏”而死亡。从这点看,抗菌肽的正电荷与细菌胞膜的磷脂头负电荷间的作用至关重要,在肽分子中N端α螺旋的双亲性是裂解细菌的主要部分,C末端的酰胺化与广谱抗菌有关。从而可看出抗菌肽的抗菌机理与通过阻断大分子的生物合成来发挥作用的抗菌素的抗菌机理完全不同,且病原菌不易对其产生耐药性,因此该物质将成为新抗菌药的来源.。 3 抗菌肽的应用研究 3.1在畜牧业上的应用仔猪腹泻、奶牛乳房炎及各种病毒性疾病如猪瘟、鸡新城疫等一直是棘手的疾病,不利于畜牧业的发展。借鉴已成功的昆虫抗菌肽转基因工程,如转基因蚊子、转基因马铃薯、转基因水稻等,把特异的抗菌肽基因转入畜禽特定细胞让其表达,从而产生抗病新品种。据美国学者报道,抗菌肽可以作为饲料防霉剂。另有报道,柞蚕抗菌肽应用于预防及治疗鸡的白痢效果明显。应用含抗菌肽的柞蚕免疫血淋巴粉添加于断奶仔猪料,饲喂试验结果表明,蚕抗菌肽可减轻断奶仔猪的腹泻。 温刘发等报道,通过50 L发酵罐培养中间试验,在优化发酵条件后,用甲醇诱导启动醇氧化酶启动子而成功表达抗菌肽基因并分泌抗菌肽到菌体外,培养液中抗菌肽的杀菌活力达5000 单位/ml。进一步改进培养基配方,掌握较适宜的培养条件,包括PH、温度、供气量及搅拌速度等,发酵生产周期可缩短到24h,杀菌活力达5600单位/ml。以这些工程酵母发酵液作试验,通过饮水摄入剂量为60u/只?d的粤黄鸡饲养试验结果表明,抗菌肽可促进小鸡生长和减少排泄物氮含量,对粤黄鸡具有促生长、保健和治疗疾病的功能。蚕抗菌肽酵母制剂作饲料添加剂的应用效果显着。 3.2药用随着传统抗生素的广泛及长期的应用,许多病源菌对它们产生了耐药性,而具有广谱抗菌且有独特的抗菌机制的抗菌肽显然在这方面的应用研究中具明显优势。随着对抗菌肽结构与活性的关系、抗菌肽作用机制及其基因表达调控机制认识的不断深化,一种高效的、有利于人类健康的抗菌肽作抗生素替代品成为现实。蚕抗菌肽在医学上已被开发利用,如已用于治疗肾炎的“肾肝宁”及批准作西药Ⅱ类进行临床观察的乙型肝炎新药,而以抗菌肽作为消洗剂、治疗胃十二指肠溃疡及消化道炎症的新药正在进行。蛙皮肤上有许多腺体,能产生许多种类的生物活性肽,其中Magainin抗菌肽已经基因工程的方法合成Magainin 新药。 3.3蚕抗菌肽的基因工程研究抗菌肽具广谱抗菌活性,但在正常动物体中含量少,给其应用带来了困难。至今研制和应用的抗菌肽,均是从免疫蚕蛹中提取的,而柞蚕蛹免疫血清中抗菌肽的含量很低,提取价格昂贵.为能降低抗菌肽的生产成本,进行大规模工业化生产,已人工设计合成抗菌肽D、BD及AD基因,并成功将其导入酿酒酵母及毕赤酵母中进行表达。 4抗菌肽作饲料添加剂应用的优势 抗菌肽能耐受饲料制粒时的高温。规模化发酵生产抗菌肽时经高温浓缩工序,可充分杀灭酵母菌体而不导致抗菌肽失活,产品在推广应用后不会出现工程菌的扩散而导致环境生态问题。抗菌肽杀菌机理独特,病原菌不易对抗菌肽产生耐药性,以工程菌工业化发酵生产抗菌肽,可大规模生产,生产周期短,生产成本低且不受季节和气候变化等外在环境的影响。再者,抗菌肽产品具广谱抗菌作用,对畜禽具促生长、保健和治疗疾病的功能,属无毒副作用、无残留、无致细菌耐药性的一类环保型制剂。 总之,抗菌肽有着独特的不同于抗生素的抗菌机理,它广泛存在于多种生物体内,是生物体对外界病原物侵染而产生的一系列免疫反应的产物,具有较强的广谱抗菌能力。寻找各种动物内源性抗菌物质,以现代生物技术方法工业化生产这些在抗病原菌上具有动物“种”专一性或特异性的系列产品,必将成为替代抗生素的新型饲料添加剂。

很多研究表明,某些类型的抗菌肽有抗DNA、RNA病毒的作用。Melittins和Cecropins在亚毒性浓度下通过阻遏基因表达来抑制HIV-1病毒的增殖。Magainin-2及合成肽Modelin-1 和Moderln-5对疱疹病毒HSV-1和HSV-2有一定的抑制效果。Wachinger M等报道天蚕素能抑制艾滋病病毒。华南农业大学研制的蚕抗菌肽AD对鸭乙型肝炎DNA增殖有抑制作用。

除此之外,人们还发现,某些抗菌肽对部分病毒、真菌、原虫和癌细胞等有杀灭作用,甚至能提高免疫力、加速伤口愈合过程。

3.抗菌肽的作用机制

3.5 对环境有较强的抗性,适合做添加剂

根据抗菌肽的结构,可将其分为5类:单链无半胱氨酸残基的α-螺旋,或由无规卷曲连接的两段α-螺旋组成的肽;富含某些氨基酸残基但不含半胱氨酸残基的抗菌肽;含1个二硫键的抗菌多肽;有2个或2个以上二硫键、具有β-折叠结构的抗菌肽;由其它已知功能的较大的多肽衍生而来的具有抗菌活性的肽。其中最早分离到的Cecropins和从非洲爪蟾中分离到的Magainins等属于第一类抗菌肽,通常也将其称为Cecropin类抗菌肽,目前对此类抗菌肽的研究也较深入。

  1. 抗菌肽的生物学效应

抗菌肽又称抗微生物肽(antimicrobial peptide)或肽抗生素(peptide antibiotics),在动植物体内分布广泛,是天然免疫防御系统的一部分。抗菌肽不仅有广谱抗细菌能力,而且对真菌、 病毒及癌细胞也有作用。

抗菌肽具有广谱抗菌活性,对细菌有很强的杀伤作用,尤其是其对某些耐药性病原菌的杀灭作用更引起了人们的重视。

抗菌肽原指昆虫体内经诱导而产生的一类分子量在4KD左右,具有抗菌活性的碱性多肽物质。后来,从其他昆虫以及两栖类动物、哺乳动物中,也分离到结构相似的抗菌多肽。迄今为止,在不同动物组织中已发现了很多具有抗菌作用的蛋白质和多肽,已有70多种抗菌多肽的结构被测定,抗菌肽的概念得到了极大的扩展。

作用对象的选择性

3.抗菌肽的作用机制

抗菌肽的广泛的生物学活性显示了其在医学上良好的应用前景。

当前畜禽疾病多为混合感染,传统的抗生素抗菌谱一般都较窄,且只对细菌有效。而大多数抗菌肽对革兰氏阴阳性菌均有效,有些还对真菌、病毒、寄生虫、原生动物有抑制或杀灭作用。实验证明抗菌肽可以杀死草履虫、变形虫、四膜虫。柞蚕抗菌肽D对阴道毛滴虫有杀伤作用。

抗菌肽原指昆虫体内经诱导而产生的一类分子量在4KD左右,具有抗菌活性的碱性多肽物质。最初,人们在研究北美天蚕的免疫机制时,发现其滞育蛹经外界刺激诱导后,其血淋巴中产生了具有抑菌作用的多肽物质,这类抗菌多肽被命名为天蚕素(Cecropins)。后来,从其他昆虫以及两栖类动物、哺乳动物中,也分离到结构相似的抗菌多肽。迄今为止,在不同动物组织中已发现了很多具有抗菌作用的蛋白质和多肽,已有70多种抗菌多肽的结构被测定,抗菌肽的概念得到了极大的扩展。

核心提示:最初,人们在研究北美天蚕的免疫机制时,发现其滞育蛹经外界刺激诱导后,其血淋巴中产生了具有抑菌作用的多肽物质,这类抗菌多肽被命名为天蚕素 (Cecropins)。

由于分子较小,在机体受到侵犯时,几分钟内就能产生,且扩展扩散速度比体内免疫细胞更快更灵活。抗菌肽独特的抗菌机理更形成了不耐药的特性,这就超越了抗生素的局限,是新一代的高效抗菌剂。动物食品安全有赖于生产过程的各个环节,使用无污染、在动物体内无残留、无毒副作用的添加剂是解决问题的一个关键。抗菌肽是动物体成分之一,参与生命过程,是小分子短肽,具有安全无毒副作用的生物学特性。

对于抗菌肽破坏膜的完整性,使细胞内外屏障丧失,从而杀死细菌这一观点已得到基本统一的认识,但对其具体作用过程、是否存在特异性的膜受体、有无其它因子协同等问题尚不十分清楚,存在不同看法。不同抗菌肽的作用机制可能不一样,尚有待进一步研究。

目前一般认为,Cecropin类抗菌肽作用于细胞膜,在膜上形成跨膜的离子通道,破坏了膜的完整性,造成细胞内容物泄漏,从而杀死细胞。

图片 1

1. 抗菌肽的概念和分类

图片 2

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抗菌肽α-螺旋和β-折叠结构模式图

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自从发现抗菌肽以来,已对抗菌肽的作用机理进行了大量研究。目前已知的是,抗菌肽是通过作用于细菌细胞膜而起作用的,在此基础上,提出了多种抗菌肽与细胞膜作用的模型。但严格地说,抗菌肽以何种机制杀死细菌至今还没有完全弄清楚。

3.2 作用快速、安全、无残留

自从发现抗菌肽以来,已对抗菌肽的作用机理进行了大量研究。目前已知的是,抗菌肽是通过作用于细菌细胞膜而起作用的,在此基础上,提出了多种抗菌肽与细胞膜作用的模型。但严格地说,抗菌肽以何种机制杀死细菌至今还没有完全弄清楚。

  1. 抗菌肽的概念和分类

研究表明,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,使膜蛋白凝集,使细菌因不能保持正常的渗透压而死亡。也有人提出是通过影响细胞膜上的能量转运和代谢,从而损伤细胞呼吸链的功能而杀死细菌。抗菌肽还可以断裂癌细胞的核DNA,通过抑制DNA的合成而杀死癌细胞。总而言之,抗菌肽作用机理的关键在于通过物理方式和细胞膜发生作用,不同类别的抗菌肽其作用机理可能不同。

抗菌肽的广泛的生物学活性显示了其在医学上良好的应用前景。

除此之外,人们还发现,某些抗菌肽对部分病毒、真菌、原虫和癌细胞等有杀灭作用,甚至能提高免疫力、加速伤口愈合过程。

近年来,由于药物的滥用,药物残留和细菌耐药性等问题日渐严重,从而引发了人们对食品和环境的关注,越来越多的国家开始呼吁禁用抗生素,而抗菌肽因其独特的生物活性以及不同于传统抗生素的特殊作用机理,已引起人们极大的研究兴趣,成为分子生物学和生物化学研究领域的热点之一。

2. 抗菌肽的生物学效应

抗菌肽具有广谱抗菌活性,对细菌有很强的杀伤作用,尤其是其对某些耐药性病原菌的杀灭作用更引起了人们的重视。

抗菌肽可参与宿主天然免疫的其它反应,比如刺激单核细胞和嗜中性白细胞的趋化作用、促进肥大细胞组织胺的释放、抑制组织蛋白酶以及促进创伤愈合。

根据抗菌肽的结构,可将其分为5类:单链无半胱氨酸残基的α-螺旋,或由无规卷曲连接的两段 α-螺旋组成的肽;富含某些氨基酸残基但不含半胱氨酸残基的抗菌肽;含1个二硫键的抗菌多肽;有2个或2个以上二硫键、具有β-折叠结构的抗菌肽;由其它已知功能的较大的多肽衍生而来的具有抗菌活性的肽。其中最早分离到的Cecropins和从非洲爪蟾中分离到的 Magainins等属于第一类抗菌肽,通常也将其称为Cecropin类抗菌肽,目前对此类抗菌肽的研究也较深入。

3.4 与其它抗菌物质的联合作用

2.1 抗菌肽的作用机理

传统抗生素作用是通过消除微生物生长或生存必需的功能实现的,如阻挠细菌蛋白质的合成或者改变酶的活性来达到杀菌目的,而细菌通过改变一种基因就足以对付抗生素的这种进攻。抗菌肽则作用于细菌细胞膜,导致膜的通透性增大,以此穿透、杀灭细菌。细菌必须改变膜的结构,即改变相当部分的基因才能防御抗菌肽的进攻,而这几乎是不可能的。因此,抗菌肽极大地减少了产生耐药性的可能。

天然抗菌肽通常是由30多个氨基酸残基组成的碱性小分子多肽,水溶性好,分子量大约为4kDa。大部分抗菌肽具有热稳定性,在100℃下加热10~15min仍能保持其活性。多数抗菌肽的等电点大于7,表现出较强的阳离子特征。氨基酸N端富含赖氨酸和精氨酸等阳离子型氨基酸, 其C端富含丙氨酸、缬氨酸、甘氨酸等非极性氨基酸。在许多特定位置都有一些较保守的氨基酸残基,这些高度保守的氨基酸残基是一些抗菌肽分子具有抗菌活性所不可缺少的,另外一些天然抗菌肽的C端往往是酰胺化的,这与抗菌肽的广谱抗菌活性有关。抗菌肽在一定条件下形成α-螺旋和β-折叠结构。

1 抗菌肽的结构和特性

3.1 广谱抗微生物

抗菌肽在100℃加热10min条件下仍能保持活力,对pH值有较强适应性、水溶性好。部分抗菌肽尚具备抵抗胰蛋白酶或胃蛋白酶水解的能力,进入动物消化道,能很好地发挥抗菌功效。这弥补了其它添加剂如酶制剂、微生态制剂等易受影响的缺陷,更便于在生产中应用。

作用部位的有效性

2 抗菌肽的抗菌机理和特点

3 抗菌肽的生物学特性

研究发现,抗菌肽与传统抗生素联用,可提高药效并拓宽传统抗生素的抗菌谱。与溶菌酶也有协同作用。至今未见有关抗菌肽与其它药物相拮抗的报道,这就显示出抗菌肽比微生态制剂等绿色添加剂更有优势。

2.2 抗菌肽作用机理的特点

3.3 刺激免疫反应

抗菌肽只对原核生物细胞和真核生物病变细胞有抗菌作用,对正常的真核生物细胞不起作用。原因在于原核生物和正常真核生物的细胞膜结构不同,正常真核细胞膜中含有大量的胆固醇,而胆固醇的存在使膜结构趋于稳定。此外高等动物存在高度发达的细胞骨架系统,其存在也抵抗了抗菌肽的作用。癌细胞的细胞骨架系统与正常细胞相比不发达,这是抗菌肽对其产生抑制作用的原因之一。

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