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細菌素
細菌素(bacteriocin)
1.細菌產生的一種抗生代謝產物,對同源種或近似種才有拮抗作用;
2.蛋白質是主要成分;
3.有一定的作用機制(殺菌模式);
4.由質粒控制。
由細菌產生的有殺菌或抑菌作用的物質。主要含有具生物活性的蛋白質部分,對同種近緣菌株呈現狹窄的活性抑制譜,附著在敏感細胞特異性受點上。
細菌素的產生和寄主細胞對細菌素的免疫性都由質粒控制。細菌產生細菌素是細胞的致死過程。致死物質按其性質可分為兩類,一類是低分子量的蛋白質或肽,很難在電子顯微鏡下觀察到這類物質的結構,對胰蛋白酶多不穩定;另一類是具有複雜結構的蛋白質顆粒,有噬菌體部分形態結構,易於在電子顯微鏡下觀察,對胰蛋白酶穩定。
1925年,A·格雷希亞首次報道了大腸桿菌V株產生一種對大腸桿菌Φ株有殺菌作用的物質,這類物質被稱作大腸桿菌素。以後又發現許多細菌都能產生大腸桿菌素,而且產大腸桿菌素因子可以從供體細胞轉移到受體細胞。
20世紀70年代以後,對細菌素的研究進入分子生物學水平,開展了對細菌素的化學性質、結構、生物合成、釋放和作用方式等方面的探索。利用細菌素或與噬菌體方法結合,可以有效地進行某些細菌的分型和病原菌的流行檢查。
細菌素的分類
1、細菌素以生產菌而命名  如大腸桿菌產生的細菌素稱大腸菌素,乳酸菌產生的稱為乳酸鏈球菌素(乳鏈菌肽,Nisin),綠膿桿菌產生的稱綠膿菌素。
2、細菌素根據化學結構、穩定性和分子量大小可分為4類。
第一類定義為羊毛硫抗生素(Lantibiotics),是一類小分子的修飾肽,含19—50個以上的氨基酸分子,分子活性部位有羊毛硫氨酸(Lanthionine)、β-甲基羊毛硫氨酸(βmethyllanthionine)、脫氫酪氨酸(Dehydrobutyrine)和脫氫丙氨酸(Dehydroalanine)等非編碼氨基酸。Lantibiotics又可細分為兩個亞類:Ia類是由在靶目標膜上形成孔道的陽離子和疏水基團組成的肽,它與結構穩定的Ib類相比,結構的伸展性更好;Ib類是球狀的肽類,它不帶電或帶負電。
第二類是小分子的熱穩定肽(SHSP),分子量小於10Kda,具有疏水性和膜活性,其結構特徵為:N末端信號肽序列長度為18—21個氨基酸,前導肽鏈由一個蛋氨酸,並常隨一個賴氨酸;有活性的細菌素其N—末端+1的位置上通常是賴氨酸或精氨酸。可以分為3個亞類:Iia類N—末端氨基酸序列為Tyr-Gly-Asn-Gly-Val,並由兩個半胱氨酸所構成的S-S橋,對利斯特氏桿菌有活性;Iib類孔道複合物由兩個具有不同氨基酸序列的肽類寡聚體形成;Iic類能被硫醇激活、活性基團要求有原性半胱氨酸殘基。
第三類是熱敏感的大分子蛋白(LHLP),分子量一般大於10Kda,通常在100℃或更低溫度30s內即失活,它們的抑菌譜較窄。
第四類是複合型的大分子複合物,除蛋白質外含有碳水化合物或類脂基團,目前這類細菌素還未被純化。
第二、三、四類細菌素由於不含羊毛硫氨基酸,所以通常又被稱為非羊毛硫抗生素(Non-lantibioticbacteriocin)
細菌素抑菌範圍
  細菌素通常由革蘭氏陽性菌產生並可以抑制其他的革蘭氏陽性菌,如乳球菌、葡萄桿菌、利斯特氏桿菌等,對大多數的革蘭氏陰性菌、真菌等均沒有抑制作用。細菌素可以抑制許多革蘭氏陽性菌,如Nisin抑制葡萄菌屬、鏈球菌屬、小球菌屬和乳桿菌屬的某些菌種,抑制大部分梭菌屬和芽孢桿菌屬的孢子;嗜酸乳桿菌和發酵乳桿菌產生的細菌素對乳桿菌、片球菌、明串球菌、乳球菌和嗜熱鏈球菌有抑制作用。但有研究發現,Nisin與螯合劑(如EDTA)連接后,改變了細胞的滲透性,可以抑制一些革蘭氏陰性菌,如E.coli和Salmonellasp.;或將Na3PO4與Nisin結合使用,可以提高革蘭氏陰性菌對Nisin的敏感性。部分非羊毛硫抗生素其抑菌範圍卻很窄,如LactococcinA等。
細菌素作用機制
  由於細菌素並不是對每種菌都有抑制作用,在其對特殊菌株的親和力實驗中發現,菌株磷脂組成的pH影響最低抑菌濃度(MIC)。有研究顯示,通道的形成與細菌膜表面的「耦合分子基團」有關,耦合
分子基團使得細菌素與細胞的相互作用更易於進行,從而提高細菌素的抑菌有效性。這一機制已成功地闡述了Nisin和Mersacidin的作用機制。兩者都是使用脂質體Ⅱ、肽聚糖前體作為對接分子與靶細胞作
用。相應的Mersacidin是抑制肽聚糖的合成,從而使細胞壁和磷脂的合成受阻,使細胞質溢出。目前認為,一些細胞壁的生物合成是Nisin作用的靶點。其他的細菌素也是靶細胞膜上的特殊位點相互作用,這
些位點可能是蛋白質。這種作用可以提高細菌素的有效性。
細菌素的應用
  部分細菌素已廣泛地應用於肉類工業、奶製品工業、釀酒和糧食加工等領域。目前,在食品應用中研究得最透徹的細菌素是乳鏈菌素Nisin,美國已將此用於食品添加劑。硝酸鹽被廣泛地應用在肉類食
品中,以防止使食品很容易變質的梭菌存在,對人體產生有害物質,甚至危及生命。使用Nisin或含低量硝酸鹽的Nisin可以抑制梭菌(Clostrididal)的生長,以減少硝酸鹽含量。在西方國家,細菌素已用於奶制食品中,可以抗Clostridial和Listeria。例如,Nisin可以控制乳酪中C.botulinum孢子生長,並已成為巴氏滅菌精製奶和糊狀食品最有效的防腐劑。添加Nisin可防止牛乳及乳製品的腐敗,延長其貨架期。由於Nisin在偏酸性下較穩定且易溶解,所以比較適宜在酸性罐頭食品中添加,同時還可降低罐頭的滅菌強度,提高內在品質。Nisin在酒精飲料中應用也比較廣泛,由於Nisin對酵母菌沒有抑制作用,所以對發酵沒有任何影響,並還可以很好地抑製革蘭氏陽性菌,保證產品質量。目前Nisin在全世界範圍內的各種食品中得到普遍應用。現在許多研究證明,產生細菌素的發酵劑在發酵過程中可以防止或抑制不良菌的污染,因而將產細菌素的乳酸菌加入到食品中比直接加細菌素更好。但細菌素抗菌譜有一定的範圍,為擴大其抑菌範圍,可將幾種細菌素或將其他來自於動植物(如抗菌肽)等天然食品防腐劑配合使用,利用它們的協同作用,增強抑菌範圍及強度,或與部分化學防腐劑絡合使用,既可增加抑菌範圍又可減少化學防腐劑的使用。
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