·综 述·抗生素对微生物作用的研究＊孙延忠1,2,曾洪梅1＊＊,李国庆2(1.中国农业科学院植物保护研究所,北京 100094;2.华中农业大学植物保护系,湖北武汉 430070)摘 要 抗生素能干扰微生物细胞新陈代谢的某个或几个环节(包括代谢物或酶系统),使它不能以正常的代谢途径维持和延续生命活动。
分别从抗生素抑制细胞壁合成、影响细胞膜功能、抑制蛋白质合成、影响能量代谢、干扰核酸合成5方面综述了抗生素对微生物的作用。
关键词 抗生素;微生物中图分类号 Q939.92 文献标识码 A 文章编号 1005-7021(2003)03-0044-04 抗生素(antibiotics)是生物,包括微生物、植物和动物在内,在其生命活动过程中所产生的(或由其它方法获得的),能在低微浓度下有选择地抑制或影响它种生物功能的有机物质[1]。
自从青霉素被发现并应用于临床,人们就开始探索抗生素是怎样作用于微生物的。
研究表明,有的抗生素能阻断能量供应系统;有的能干扰微生物代谢中间物的合成或聚合过程,引起微生物形态结构的变化,改变遗传信息,从而产生抑制作用。
根据抗生素干扰代谢过程的不同,可将抗生素对微生物的作用分为5大类型[1,2]:①抑制细胞壁合成;②影响细胞膜功能;③抑制细胞蛋白质合成;④作用于能量代谢系统;⑤干扰核酸合成。
本文主要从以下几方面综述抗生素对微生物的作用。
1 干扰细胞壁的合成 细胞壁的主要作用是保护微生物免受周围环境的机械损伤和渗透压改变的影响。
抗生素能抑制微生物细胞壁的合成,使细胞壁变薄或失去完整性,造成细胞膜暴露,最后由于渗透压差导致原生质渗漏[1]。
这类抗生素主要引起细菌溶菌及真菌菌丝芽管和菌丝尖端出现膨大。
青霉素(Peni-cillin)、多氧霉素(Polyo xin)和尼可霉素(Nikkomycin)等是作用于细胞壁的抗生素,它们都能抑制细胞壁的合成。
青霉素对细胞壁的抑制作用是发生在细胞壁合成后期的转肽过程,主要是抑制肽聚糖复合物的交叉连接,使坚韧的细胞壁无法合成[3](图1)。
Park观察到被青霉素抑制的葡萄球菌累积了尿核苷,并能引起细菌形态结构的变化,提出青霉素是细菌细胞壁合成的特异抑制剂的观点[3]。
细菌细胞膜上存在青霉素结合蛋白(penicillin binding protein,PBP),该蛋白具有转肽酶和羧肽酶活性,能与青霉素特异性结合而使酶失活,使转肽酶不能催化肽聚糖链间的交联,从而抑制细胞壁的合成[4],结果无壁的细胞在膨压作用下破裂死亡,即出现溶菌现象。
青霉素的作用并不限于转肽酶,它对某些细菌的D-丙氨酸羧肽酶以及其它酶也有抑制作用[5]。
与青霉素作用类似的还有头孢菌素C类[4](Cephalosporin C),万古霉素(Van-comycin)[6]等。
图1 青霉素抑制细菌细胞壁的合成 多氧霉素D(Poly oxin D)是作用于真菌细胞壁合成的抗生素(图2)。
多氧霉素是由可可链霉菌(Streptomyces cacaoi)产生的一组嘧啶核苷类抗生素,对病原真菌有很强的抑制作用。
高浓度的多氧霉素D能抑制敏感真菌分生孢子的萌发,低浓度的多氧霉素D虽不能抑制分生孢子萌发,但能引起分生孢子的芽管或菌丝顶端出现膨大,从而抑制菌丝的进一步生长。
实验结果表明,多氧霉素D抑制14C-葡萄糖胺掺入粗糙脉孢菌的几收稿日期:2002-07-18作者简介:孙延忠 男,硕士研究生。
现从事农用抗生素作用机制的研究。
＊国家“九五”科技攻关项目(96-C01-02-02);北京市科技合同项目(H0120100010119)资助 ＊＊通讯作者44微生物学杂志2003年5月第23卷第3期 J O URNAL OF M IC R OBIOLOGY M ay2003Vol.23No.3丁质从而抑制细胞壁的合成[7]。
Hori 报道多氧霉素D 与几丁质合成酶的底物UDP -N -乙酰葡萄糖胺的分子结构相似,是几丁质合成酶的竞争性抑制剂,能竞争性地和几丁质合成酶结合,抑制该酶的活性,从而抑制真菌细胞壁的合成,造成菌丝顶端膨大,不能生长而死亡[7,8]。
图2 多氧霉素D 和尼可霉素抑制几丁质的合成2 干扰细胞膜功能 微生物细胞膜是一种半透性膜,是细胞的选择性屏障,主要生理功能是控制细胞内与外界环境中各种物质的交换;此外,有些酶和酶系统及核糖体也都定位在细胞膜上。
细胞膜受某些抗生素的影响而遭到破坏时,就会丧失半透性的作用,从而使细胞内的重要代谢物质外渗。
作用于细胞膜的抗生素主要有2种[2]:①破坏细胞膜超微结构,造成细胞内成分流失;②作为特异离子运载体(离子通道)。
细胞膜的主要成分是脂类和蛋白质;同时,丝状真菌的细胞膜中还含有麦角甾醇。
多粘菌素B (Polymy xin B )、粘杆菌素(Colistin )等多肽类抗生素分子中的氨基能与细菌细胞膜中脂蛋白的磷酸基相结合,导致细胞膜的脂蛋白结构发生改变而引起细胞内成分外渗[1]。
多烯类抗生素的结构中有许多共轭双键,如匹马霉素(Pimaricin )、制霉菌素(Nystatin )、两性霉素B (Am photericin B )等,它们能选择性地和真菌细胞膜中的麦角甾醇结合,导致细胞膜渗透性的改变,造成细胞内物质的渗漏,从而起到杀菌作用[9]。
缬安霉素(Valinomycin )、短杆菌肽A (Gramicidin A )等能结合并运载特定的阳离子通过双脂膜,充当膜上的离子载体,影响细胞内外离子的正常交换,导致细胞调节渗透能力的丧失,最终引起细胞死亡。
3 抑制蛋白质合成 蛋白质的合成是细胞生长最基本的活动,它的合成受到抑制,势必抑制微生物的生长。
蛋白质的合成分为2个过程:氨基酸结合在tRNA 上;核糖体上的氨基酸聚合反应。
链霉素(Strepto -my cin )、春日霉素(Kasugamy cin )、杀稻瘟菌素S (Blasticidin S )、嘌呤霉素(Puromycin )等都能抑制细胞蛋白质的合成,但它们的作用点和作用阶段各不相同。
链霉素能不可逆地与细菌核糖体30S 亚基上的一个位点结合,导致A 位点的破坏,抑制氨酰-tRNA 正确定位,尤其是抑制甲硫氨酰-tRNA 结合到A 位点,从而抑制了翻译的起始[10];链霉素也能抑制70S 起始复合体的形成和使甲硫氨酰-tRNA 从70S 起始复合体上脱离[2];链霉素还可以作用于蛋白质合成的终止阶段,抑制已合成蛋白质的释放。
因此,链霉素的作用贯穿于蛋白质合成的整个过程。
过去认为链霉素的活性与它和细菌核糖体30S 亚基上的S12蛋白形成复合物有关,但已经证实链霉素是直接结合在16S rRNA 上的特异碱基上,而S12蛋白只是增加链霉素和16S rRNA 碱基间的亲和力[1]。
春日霉素与链霉素不同,它阻碍30S 起始复合物的合成;而杀稻瘟菌素S 作用于蛋白质合成的最后阶段。
嘌呤霉素是由白黑链霉菌(Streptomyces al -boniger )产生的3′-脱氧嘌呤核苷抗生素,在结构上与氨酰-tRNA 末端氨酰-腺苷酸结构相似(图3)。
嘌呤霉素是革兰氏阳性细菌的强抑制剂,它通过与细菌核糖体A 位点结合,特异性抑制氨酰-tRNA 进入,在肽酰转移酶的作用下,嘌呤霉素的氨基与延伸肽链的末端羧基形成肽键,然后从核糖体上脱落,终止蛋白质的合成[11,12]。
杀稻瘟菌素S 抑制稻瘟病菌(Piricularia oryzae )的孢子萌发、菌丝生长及孢子形成。
Huang 等以稻瘟病菌对数生长中期的无细胞提取液进行研究,结果表明杀稻瘟菌素S 显著抑制14C -氨基酸混合液掺入蛋白质,但不影响氨基酸的活化或氨酰-tRNA 的形成过程,杀稻瘟菌素S 以2个氢键与50S 核糖体亚基以1∶1的分子结合。
Tanaka 后来证明了杀稻瘟菌素S 主要抑制肽基453期 孙延忠等:抗生素对微生物作用的研究 转移酶,从而抑制菌体蛋白质的合成[13](图4)。
图3 嘌呤霉素与氨酰-tRNA3′末端结构图4 杀稻瘟菌素S 抑制蛋白质的合成4 作用能量代谢系统图5 抗霉素A 抑制呼吸链的电子传递 作用于能量代谢系统的抗生素有抗霉素A (Antimycin A )、寡霉素(Oligomycin )、有效霉素(Validamycin )等。
抗霉素A 是呼吸链电子传递系统的抑制剂,抑制细胞色素b 与细胞色素c 1之间的电子传递(图5)。
同时,抗霉素A 也能抑制电子传递体系放出的自由能形成的高能中间体向ATP 生成过程[13]。
有效霉素对纹枯菌的主要储存糖—海藻糖的酶活性有强烈的抑制作用(海藻糖酶能分解海藻糖为葡萄糖,使其能在菌丝体内运输),从而阻止纹枯菌从菌丝基部向顶端输送养分(葡萄糖),从而抑制菌丝体的生长和发育[14]。
5 作用于核酸合成 灰黄霉素(Griseofulvin )能够抑制表皮癣菌等真菌,在低浓度下能引起菌丝螺旋生长。
灰黄霉素能抑制14C -尿嘧啶和胸腺嘧啶掺入核酸,但不影响14C -氨基酸掺入蛋白质,最后证明灰黄霉素干扰真菌细胞DNA 合成,从而抑制真菌生长[15]。
博莱霉素(Bleomycin )能引起肿瘤细胞和细菌DNA 的断裂,选择性地抑制DNA 的合成[16]。
6 结 语 抗生素除了对病原微生物有抑制作用外,还可以作用于杂草的光合系统和提高植物的抗病性,例如,双丙氨磷(Bialaphos )与谷氨酰氨合成酶结合,干扰氮的代谢,从而抑制叶绿素的光合作用[17];井冈霉素A (Validamycin A )能诱导水稻体内过氧化物酶和苯丙氨酸解氨酶的活性,提高水稻的抗病性[18]。
抗生素对微生物作用的研究,在离体条件下,过去往往以传统的生化、生理学及形态学方法为基础,选取合适的生物体系,并注意有机体的敏感性、培养的难易性和分子遗传学的适用性等。
随着技术发展,分子生物学技术也逐渐应用到这一领域,结合抗生素引起微生物形态及超微结构变化的分析,有利于更准确详尽地描述抗生素对微生物的作用,同时也可能发现新的作用靶点。
不同种类的抗生素,作用于不同的靶点,以不同方式抑制或杀灭真菌细菌等病原微生物。
研究抗生素对病原微生物的作用,有助于搞清抗生素的生化本质及作用机制,为临床用药或其它用药提供科学依据,提高抗生素的使用效果。
参 考 文 献[1] 顾觉奋.抗生素[M ].上海:上海科学技术出版社,2001,1(Pt2):13～20.[2] Tanaka N .S tudies on the mechanism of action of antibiotics [J ].Nippon Saiki -ngaku Zass hi ,1987,42(5):707～716.[3] Frere J .T he mechanis m of action of penicillin and other beta lactam antibiotics [J ].J Pharm Belg ,1988,43(2):107～115.[4] 张风凯,金少鸿,等.β-内酰胺类抗生素的作用靶位—青霉素结合蛋白[J ].国外医药抗生素分册,2000,21(3):107～110.[5] Yocum R ,Rasmuss en J ,trominger J .The mechanism of ac -tion of penicil lin :Pe -nicillin acyl ates the active site of Bacillusstearothermophilus D -alanine carbox -ypeptidase [J ].J Biol Chem ,1980,255(9):3977～3986.[6] 张欣.万古霉素与替考拉宁[J ].国外医药抗生素分册,1999,20(2):67～68.[7] Hori M ,Equchi J ,Kakik K .Studies on the mode of action ofpolyoxins VI .Eff -ect of pol yoxin on chitin s ynthesis in polyox -in -sensitive and resistant strains of A lter nria kikuchiana [J ].JAntibiot ,1974,27(4):260～266.[8] Cabib E .Differential inhibition of chitin synthetases 1and 2from Saccharomy -ces c erevisiae by polyoxin D and nikkomycins [J ].An timicrob Agents Chemot -her ,1991,35(1):170～173.[9] 徐铮,曹永兵,姜远英,等.麦角甾醇生物合成途径中的抗真菌药物作用靶酶[J ].国外医药抗生素分册,2001,2246 微 生 物 学 杂 志 23卷(5):193～197.[10]Sugiyama M ,M ochizuki H ,Nimi O .M echanism of p rotection of protein synthes is against streptomycin inhibition in a produc -ing strain [J ].J Antibiot ,1981,34(9):1183～1188.[11]Sugiyama M ,Paik S ,Nomi R .M echanism of self -protection in a puromycin -producing micro -organis m [J ].J Gen M icrobiol ,1985,131(Pt8):1999～2005.[12]陈代杰.微生物药物学[M ].上海:华东理工大学出版社,1999,1(Pt10):377～433.[13]Bow yer J ,T rumpower B .Rapid reduction of cytochrome c1inthe presence of antimycin and its impl ication for the mechanismof electron transfer in the cy -toch rome b1segment of the mito -chondrial respiratory chain [J ].J Biol Chem ,1981,256(5):2245～2251.[14]Yamaguchi H .微生物来源农药的最新进展[J ].国外医药抗生素分册,1990,11(2):137～141.[15]Banic S ,Lunder M .Additive effect of the combinatIon of grise -ofulvin and ket -oconazole against Microspor um canis in vitro [J ].M ycoses ,1989,32(9):47～489.[16]张宏印,李电东,等.博莱霉素作用机制研究进展[J ].国外医药抗生素分册,1999,20(6):266～269.[17]Nakashita H ,Watanabe K ,Hara O .Studies on the biosynthesis of Bialaphos :biochemical mechanism of C -P bond formation :discovery of phosphonopyr -uvate decarboxylase w hich catal yzesthe formation of phosphonoacetaldehyde from phospho -nopyruvate [J ].J An tibiot ,1997,50(3):212～219.[18]张穗.井冈霉素A 诱导水稻防御纹枯病反应机理研究[C ].中国农业大学博士学位论文,2001.Effects of Antibiotics on Pathogenic MicrobesSUN Yanzhong 1,2,ZENG Hongmei 1,LI Guoqing 2(1.Inst .of Plant Protection ,Chin .Acad .Ag ric .Sci .,Beijing ,100094;2.Dep .of Plan t Protection ,Huazhong Agric .Univ .,Hubei ,W uhan ,430070)A bstract A ntibiotics disturb one or more key points of the metabo lism of pa thogenic microbes ,including their metaboliteso r enzy mes .The actions of antibiotics to pathog enic microbes ,including chitin sy nthesis ,cell membr ane ,protein sy nthesis ,nu -cleic acid synthesis ,energy me tabolism ,w ere summarized in this paper .Keywords Antibio tics ,M icrobes . (上接43页)[26]Verma V .,Qazi ,P .and Cullum ,J .Genetic heterogeneity a -mong ketoacid producing strains of Gluconobacter oxydans .[J ].J .M icrobio .Biotech .,1997,13:289～294.[27]Fukaya M .,T rutomu L .and Etruzo E .et al .Distribu tion and characterization of plasmids in Acetic acid bacteria .[J ].AgricBiol .Chem .,1985a ,49:2407～11.[28]Verma V .,Felder M .and Cullum ,J .Characterization of plas -mids from diketogluconic acid producing strains of Gluconobac -ter o xydans .[J ].J .Biotech .,1994,36:85～88.[29]林文楚,尹光琳.氧化葡萄糖酸杆菌S CB329基因组的大小与结构的研究[J ].微生物学报,2001,41(5):530～535.[30]Gupta A .,Felder M .and Qazi ,G .N .et al .A mu tant of Glu -conobacter oxydans deficient in gluconic acid dehydrogenase .[J ].FEM S M icrobiol .Lett .,1999,179(2):501～506.[31]赵巍.Vc2980基因操作系统及筛选模型的建立和kgr 基因克隆[D ].中国科学院沈阳应用生态研究所博士论文,1997.[32]Gupta A .,Verma ,V .And Qazi ,G .N .et al .Transpon induced mutation in Gluc onobacter oxydans with special reference to its direct glucose oxidation metabol is m .[J ].FEM S M icrobio .Lett .,1997,149:181～188.[33]Gopal C .Tim D .and Amy H .et al .T he commercial produc -tion of chemicals using pathw ay engineering .[J ].Biochimica etBiophysica Acta ,2000,1543:434～455.Enzyme and Molecular Biology Characteristics of Gluconobacter oxydansLIU Yaoping ,XU Mingkai ,JIN Yulan ,ZHANG Chenggang(Institute of Appl ied Ecology ,Academia ,Sinica ,Shenyang ,110016)A bstract T he newest study on key enzymes and mo lecular biology characteristics of Gluconobacter oxydans are introducedin this paper .T he reconstruction of this strain and the optimization of metabolic pathw ay of 2-KG A by mo lecular technology are also prospected .Keywords Glucono bacter oxydans ,2-K GA .473期 孙延忠等:抗生素对微生物作用的研究 。