自然界中各类生物物种都具备一套有效的生存防范机制以适应外界环境。例如近年来在许多生物物种体内都发现了一类具有抗菌作用的短链多肽，通称之为抗菌肽。根据不同的结构特征，众多已被鉴定的抗菌肽大致可分为四类^[1]：（1）cecropin样抗菌肽，大多为分子量约4kDa的碱性多肽，分子内缺少Cys残基，并具有二个双亲α螺旋构成的独特高级结构；（2）富含Pro残基的抗菌肽，分子量为2~4kDa；（3）富含Gly残基的抗菌肽，分子量为8~27kDa。上述三类通常为碱性多肽，大多是通过对昆虫活体标本的物理或化学刺激（如细菌感染或物理损伤等）在昆虫血淋巴液中诱导产生的产物；（4）富含Cys残基的碱性抗菌肽，分子量为4~6kDa左右。与前三类不同的是该类多肽分子中通常含有1~6对二硫键，它们不但是昆虫血淋巴液中的诱导分泌物，且还被发现存在于某些哺乳动物和鸟类的病变表皮组织和器官，甚至植物中。尤其对于那些分子中含有3~4对二硫键的抗菌肽，鉴于其具有独特的稳态结构和广泛的生物活性功能以及实际的应用价值前景，因而倍受人们的关注。在大量积累的研究资料中，涉及有关生物抗菌防御素（defensin）的论述也大多以这一类活性多肽为主。根据分子结构特征和来源的不同，生物抗菌防御素又可分成四种类型防御素：α- 防御素、β- 防御素、昆虫防御素、植物防御素。表1简述了上述四种类型生物防御素的分布、分类、分子特征及其生物活性特征。

1   防御素的分子特征

1.1   α- 防御素和β- 防御素  从表1可以看出，α- 和β- 型防御素主要被发现在哺乳动物的有关组织和细胞中。它们虽均由30~38个氨基酸残基组成，但一级序列结构却存在着明显的差异。它们的分子中除都含有一个与众不同的Cys-Cys双肽特征连接结构外，还都含有三个相应对称的β- 折叠结构域，并都缺少α- 螺旋结构域。两者分子结构的另一个明显差异被发现在其三对二硫键中有两对发生了错位，除共同的二硫键方式Cys-2与Cys-4以外，在α-型分子中二硫键以Cys-1与Cys-6和Cys-3与Cys-5方式连接，而在β- 型分子中却以Cys-1与Cys-5和Cys--3与Cys-6相配对连接。尽管α- 和β- 型防御素分子间存在着上述明显的序列与局部结构差异，但研究资料表明，它们的空间构象却是十分相似的。以α- 型的HNP-3和β- 型的BNBD-12防御素的拓扑晶体结构为例^[2,3]，除了BNBD-12防御素在其N- 端有一相应延伸的片段外，两者间无论是β- 折叠结构域或三对二硫键在空间图谱上几乎处于完全重叠的位置图（图1a,b）。晶体结构的分析还提示，α- 型防御素的基本活性单位应为二聚体形式。两个单体分子聚合在一起形成一个类似“篮状（basket-shaped）”的分子骨架，其分子的顶部呈极性特征，而底部则呈非极性特征。

1.2  昆虫防御素  该类抗菌防御素主要是通过对昆虫脂肪体（adipose body）的病变方式（如细菌感染）被诱导产生并在昆虫血淋巴液中分泌。它们大多由34~43个残基组成。一个明显的分子特征被发现在其分子链中位于Cys-3与Cys-4之间有3个保守的Gly残基。此外，它们分子内的三对二硫键配对也与α- 和β- 型防御素截然不同，分别为Cys-1和Cys-4，Cys-2和Cys-5，Cys-3和Cys-6。三维空间图谱的研究揭示^[4]，该类抗菌肽分子含有1个α螺旋和2~3个β反平行折叠片，且这两个不同的结构域分处于分子的两侧。其中α螺旋通过两对二硫键与羧基端β折叠片连接，另一对二硫键连接分子的非折叠部分和另一β折叠片，进而使得整个分子形成非常紧密的空间实体图（图1c）。

1.3   植物防御素  该类防御素多肽首先是在小麦和大麦谷物中被抽提得到。由于它们的分子大小和二硫键数目均与α- 和β- 硫素（thionins）接近，因而它们最初被称为γ- 硫素（γ- thionins）。但是进一步研究表明，它们与硫素是两组结构无关的活性多肽物质。表1中同样列出了产自12个不同品种植物中的共13个防御素的一级结构。这类多肽大多是由45~54个残基组成，并且有以下几点共性：（1）都带有1个净正电荷；（2）都含有四对二硫键且配对连接方式均为Cys-1和Cys-8，Cys-2和Cys-5，Cys-3和Cys-6，Cys-4和Cys-7；（3）在分子序列中的第13位和第34位上均为保守的Gly残基，第11位上均为保守的芳香族残基，第29位上均为保守的Glu残基。溶液构象的高级空间图谱解析研究表明，植物防御素与昆虫防御素的空间构象图谱很相似，一个明显的差别是在植物防御素的N-端多了一个β折叠片（图1d）。

2   抗菌防御素的生物活性

各类抗菌防御素不但在结构上具有相应的保守序列和相似的紧密空间构型，在功能上也都有相似的共性（如抗菌、抗病毒能力和细胞毒性作用等）。

2.1   抗细菌作用  无论α- 、β- 或昆虫防御素对革兰氏阳性和阴性细菌都具有杀伤作用。相对而言，它们对革兰氏阳性细菌更显强杀伤能力。多种外界因素如溶液的pH值、离子强度、温度以及防御素分子的电荷性质等都会影响其对细菌的杀伤作用。例如当配制的溶液中[Ca²⁺]的浓度达到毫摩尔级或当实验温度降至17°C以下时，这些防御素均不显现出抗菌活性。此外，体外实验表明，α防御素NP-1比HNP-1的抗菌活性强5~10倍，两者间的这一明显差异被归结于它们的分子净电荷性质：在NP-1分子中含有9个净正电荷，而在HNP-1分子中却仅含有3个净正电荷^[1]。遵循这一推断，正如前面曾提及的，由于所有的植物防御素分子仅含有1个净正电荷，因而植物防御素无论对阳性或阴性细菌似乎均无明显的杀伤效应。

2.2   对真菌的作用  植物防御素被认为是真菌生长的有效抑制剂。Terras等曾观察Rs-AFP1和Rs-AFP2对真菌生长的抑制作用^[5]。结果他们发现在仅含拼低剂量浓度的防御素存在条件下即可形成明显的抑菌圈。他们的研究还发现，植物种子在正常生长过程中还能自身分泌微量植物防御素。例如，他们采用高灵敏度的免疫交叉反应法，不但在经真菌（Alteraria brasicola）感染的，而且在未经真菌感染的蔬菜叶子中均检测到了低浓度的Rs-AFP1活性产物。α-防御素也被证实具有强抗真菌作用，如实验观察到NP-1和NP-2均可在几分钟内以相当低的剂量浓度杀灭真菌(C.dican)。

2.3   对病毒的作用  许多α- 防御素如NP1~2，HNP1~3等已被验证了对病毒的杀伤作用。这些防御素对单疱疹病毒（HSV）或感冒病毒A/WSV等有衣壳病毒的侵害具有显著的抵抗作用，但对无衣壳病毒却无效。防御素抗病毒功效同样受时间、pH值、温度等因素的影响。同时，当在实验体系中加入血浆蛋白时也可大大地减弱防御素的抗病毒功效^[1]。

2.4   细胞毒性作用  各类防御素除具有上述抗菌和抗病毒功效外，对自身细胞似乎也有侵害作用，如已有实验表明多形核细胞（PMN  ）可释放某种细胞侵害因子，该因子的产生和作用似乎与PMN胞内防御素的含量成正比关系。此外某些防御素还能杀死肿瘤细胞、淋巴细胞、嗜中性粒细胞和内皮细胞等。其杀伤能力呈现浓度和时间依赖性，通常最适浓度为25~100μg/ml，作用6小时时达到最大效力^[1]。

2.5   其他作用  Higazi等在动脉粥样硬化患者的脑动脉内皮细胞和内层平滑肌细胞中除了检测到脂蛋白[LP(a)]外^[6]，还检测到了相当量的防御素成分。他们进一步研究发现，防御素可增强LP(a)与内皮细胞的结合能力达五倍，与内层平滑肌细胞的结合能力达六倍。由此提示防御素可能参与LP(a)在血管内皮细胞中的定位与维持。此外，NP-3A防御素还被观察到具有抑制肾上腺皮质激素(ACTH)结合其受体的活性，半抑制浓度（IC₆₀）为35~100nM。

3   保护剂在细胞膜上的作用机制

大量的研究资料已表明，防御素与其他类型抗菌肽作用机制相似，它们主要是通过在细胞膜上形成通道，引起细胞离子通透性的失衡和胞内物质的泄漏，进而导致细胞活动的异常。防御素在细胞膜上的通道形成过程与膜的磷脂组成成分和所处的温度环境等因素有关。然而，一旦防御素在膜上形成了通道，上述因素便不会对其通道的活动构成本质的影响。防御素形成膜通道的方式有多种推测，一为先形成寡聚体随即插人膜，二为单体先插入膜，随后在膜上通过单体的侧向运动聚集成寡聚体。另Hill针对HNP-3 的研究结果提出^[2]，防御素应以4~8个二聚体在膜内侧向排列成圆筒状，每一二聚体的疏水侧朝外镶嵌在膜的脂质体中，亲水侧朝向圆筒内形成具有通透性的通道孔洞。

4   结束语

各类生物抗菌防御素的生化与基因研究表明它们属于一个超家族。它们除可经诱导方式在昆虫包括蝎血淋巴液中分泌产生外，还被发现是一类植物或高等动物病变组织细胞内的内源性产物，表明了其分布的广泛性以及普遍的生物学意义。值得一提的是，当比较防御素与那些已知的产自蝎毒中的小分子K⁺ 通道配体多肽分子结构时，发现两者间不但分子构造特征相似，如都是由不足50个残基组成，分子内均含有3~4对二硫键，且共享一个十分相似的空间构象图谱^[7]，但两者间的生物活性功能却截然不同。有趣的是，新近报道的一个从蝎血淋巴液中诱导产生的防御素sapecin B兼有抗菌和阻遏K⁺ 通道的双重活性^[8]，由此提示了对它们结构与功能深入研究的突出学术价值。此外，徐科等曾鉴定了我国新疆产穴居狼蛛毒中含有强抗菌活性小分子多肽物质及其抗肿瘤的效应^[9,11]，那么，对于蜘蛛毒液中的该类抗菌活性物质究竟是否同属于防御素一类多肽，或属有别于防御素的另一类天然多肽抗菌产物，同样是值得进一步探讨的趣味深浓的课题。

生物防御素的抗菌、抗病毒及其杀伤肿瘤细胞的多重功能效应无疑正展示着它们对物种生存、抵御侵害以及提高人的生活质量等实际应用中的显要身价。另一诱人的前景是，这些防御素由于分子小并具有稳定的分子结构等优点，又为当今研制多肽新药提供了理想的分子设计骨架和模板^[7]。

本文已见刊《生命科学》1999,11（3）