大蒜素抗菌特性及其作用机理

浙江大学动物科学学院饲料科学研究所 代 腊 袁 超 蒋媛婧 邹晓庭

大蒜素是从压碎的大蒜鳞茎中分离出的具有有抗菌活性的一种硫醚化合物。大蒜素是一种有着特殊气味的挥发性油状物，难溶于水（Cavallito和 Bailey，1994；Koch 和 Lawson 等，1996），其主要有以下几个特性：（1）抗细菌活性，对革兰氏阴性和阳性细菌均有较好的抗菌作用，包括具有多重赖药性的大肠杆菌菌株；（2）抗真菌活性，尤其对白色念珠菌属有较强的抵抗作用；（3）抗寄生虫活性，对溶组织内阿米巴属和兰伯贾第虫属等人类肠道内主要的原虫寄生虫有很强的抑制作用；（4）抗病毒活性，对体内外多种病毒都具有灭活作用。

1 大蒜素的抗细菌活性

大蒜素具有广谱抗菌活性。Cavallito和Bailey（1944）研究证明，大蒜的抗菌活性主要是大蒜素起作用。不同细菌和临床分离群对大蒜素纯制剂的敏感度有着很大的差异（见表1）。研究发现，不同的耐抗生素的细菌菌株，例如，抗甲氧西林金黄色葡萄球菌和许多其他具有多重耐药性的大肠杆菌、肠球菌、痢疾杆菌及福氏和宋内细菌的肠毒素菌株均对大蒜素敏感（蔡芸和裴斐，2006）。当在患有细菌性痢疾的兔子模型上测试时，发现大蒜素对体内福氏Y也有抗菌活性 （Chowdhury等，1991）。另有研究者发现，其他的细菌菌株，如铜绿假单胞菌、β-溶血链球菌、屎肠球菌的类黏蛋白菌株均对大蒜素有耐药性（王去非等，2008）。这可能是亲水荚膜或类黏蛋白层阻止大蒜素穿透到细菌中去，从而导致了这种结果，但还需要进一步研究证明。此外，在发现抗生素作用的同时，大蒜素抑制结核分枝杆菌的协同效应也被发现。与其他抗菌物质不同的是，大蒜素抗菌的作用模式完全不同于其他抗菌物质，大蒜的抗菌效果不仅仅体现在体外抑菌方面，更重要的是其能够调动机体的免疫力，达到抵抗病原微生物的目的 （程桂林等，2009）。

2 大蒜素的抗真菌活性

大蒜油有很强的抗真菌效果，可以限制寄生曲霉和黄曲霉毒素等真菌毒素的形成（Lawson，1996）。浓缩的大蒜油的主要成分为34%的大蒜素，44%的总硫代亚磺酸酯和20%的乙烯二噻烯。大蒜素被认为是阻止真菌生长的主要成分，其可通过体外杀灭和抑制真菌活性来对抗新型隐球菌的3种不同的分离群。研究发现，纯化大蒜素对抗念珠菌活性的最小抑菌浓度为7 μg/mL，而且活性很高（Hughes和 Lawson，1991）。 此外，Yamada 和 Azuma（1997）研究认为，纯化大蒜素在较低浓度水平下就能有效的抵抗体外念珠菌属、隐球菌属、发癣菌、表皮癣菌属和孢子菌属（大蒜素的最小抑菌浓度为1.57～6.25 μg/mL），并能有效抑制孢子的萌芽和菌丝的生长。而临床上重要的酵母菌对大蒜素纯制剂的敏感性有很大区别。

表1 不同细菌对大蒜素的敏感性

3 大蒜素的抗寄生虫活性

30 μg/mL的大蒜素对各种原生动物的抑制效果非常有效，如贾第鞭毛虫、硕大利什曼原虫、细滴虫和法氏短膜虫等。有研究发现，大蒜素浓度高于100 μmol/L时，在组织培养的哺乳动物细胞内可以检测到大蒜素的毒性。但是如果在阿米巴的滋养体存在的情况下完成了孵育，那么即使在如此高的大蒜素浓度下，哺乳动物细胞也不会有损害，这说明大蒜素分子的亲和性靶点是寄生虫（Ankri等，1997）。

4 大蒜素的抗病毒活性

大蒜素在体内、外均表现出一定的抗病毒活性。大蒜素对乙型流感病毒、单纯疱疹病毒1型，单纯疱疹病毒2型、3型副流感病毒、痘苗病毒、水疱性口炎病毒和沙利斯伯里病毒2型等均具有灭活作用。有研究发现，一些类似于大蒜植株病毒X的病毒对大蒜油抗病毒效果有抵抗作用（Song等，1997）。

5 大蒜素的作用机制

现在普遍认为，大蒜素抗菌作用与其特别的化学结构关系紧密，其包含的硫醚基和烯丙基可通过抑制菌体代谢酶的活性、损伤菌体细胞膜系统及影响菌体生长环境来抑制菌体的生长和增殖。

5.1 对菌体巯基酶的竞争性抑制作用 大蒜素分子能透过细菌细胞膜，与酶分子活性中心的巯基结合，竞争性地制酶活性，从而抑制微生物的活性。

大量研究表明，大蒜素的抗菌作用与其含有硫醚基团有很大关系。在阿米巴寄生虫内，在相对较低的浓度（<10 μg/mL）下就能观测到大蒜素能强烈抑制半胱氨酸蛋白酶、醇脱氢酶和硫氧还蛋白还原酶的活性，而这3种酶在维持寄生虫体内正常的氧化还原态起着关键性的作用。此外，大蒜素还能不可逆的抑制木瓜巯基蛋白酶、热厌氧菌中的NADP+依赖的醇脱氢酶和马肝中的NAD+依赖的醇脱氢酶的活性（施金玲等，2005）。这3种酶和含有巯基的化合物同时存在时均可以被重新激活。而至少在高一个数量级的浓度下 （>100 μg/mL），大蒜素对组织培养的哺乳动物细胞才有毒性。这种微生物和哺乳动物细胞之间的敏感性的显著差异可能是由于哺乳动物细胞拥有较微生物浓度高的谷胱甘肽所致。Ghannoum等（1988）研究表明，L-半胱氨酸、谷胱甘肽等含有巯基的物质能够降低大蒜素的抗菌活性。Ross等（2001）研究发现，基质中色氨酸或半胱氨酸的降低，会使大蒜素的抗菌效果会有所提高；由此证明了硫氧基团在大蒜素抗菌效果中的主导地位。

大蒜素还可与脱氢酶、硫氧还蛋白还原酶、RNA聚合酶上的巯基结合，从而影响半胱氨酸蛋白酶的活性。Coppi等（2006）研究表明，大蒜素能够抑制囊胞蛋白酶的活性，可以阻止孢子的侵染和降低老鼠血液中寄生生物的数量。Bakri和Douglas（2005）通过口腔感染细菌试验发现，大蒜素能够抑制胰蛋白酶的活性。宋卫国等（2004）研究表明，L-半胱氨酸溶液能很好地拮抗大蒜提取液的抑菌活性，表明真菌中含巯基位点是大蒜提取液中有效成分的作用靶标点；大蒜提取液中的有效成分竞争性地抑制了蛋白酶、细胞壁酶的催化活性；能抑制病菌蛋白质和RNA的合成。此外，大蒜素还可以通过影响参与呼吸链过程的酶的活性，来阻碍菌体细胞呼吸链过程的正常运转。另外，Yoshid等（1999）从大蒜提取物中分离出来不同的基团，并做了抑菌效果的比较，结果显示，抗菌活性顺序是：烯丙基 >甲基 >丙烯基，从而反映出烯丙基对大蒜素的重要性。

5.2 对菌体膜系统的损伤作用 大蒜素还可通过脂质氧化等作用，改变菌体细胞膜的特性。Ogita等（2009、2006）在大蒜素和两性霉素B控制真菌感染的试验中发现，大蒜素能够抑制麦角固醇从质膜向液泡膜转移，从而提高两性霉素B进攻的效率，显著提高两性霉素B的抗菌效果。Ogita等（2007）用多粘菌素B（一种阳离子抗菌多肽）与大蒜素一起使用，研究其对多种酵母菌与丝状真菌的抑制，结果表明，大蒜素能够提高酵母菌细胞膜的通透性，此外，大蒜素介导的脂质氧化能够加强菌体细胞对多粘菌素B的摄取，提高多粘菌素B的抗菌效果。An等（2009）研究也表明，大蒜素介导的氧化损伤，能够有效破坏不同真菌的细胞膜和液泡膜。Perez-Giraldo等（2003）则通过试验证明，大蒜素能够影响表皮链球菌生物膜的形成。

5.3 对菌体生长大环境的影响 大蒜素能与细菌生长繁殖所必需的半胱氨酸分子的巯基相结合（陈雄等，2002）。 Ross等（2001）的研究也从另一侧面证实了此观点。另有报道称，大蒜素能够影响菌体生长环境中的溶氧量，这也必然对菌体宿主的内环境产生影响（徐小江，2010）。大蒜素对环境中其他因素的影响，还有待进一步的研究。

5.4 大蒜素的作用靶点及多重抑制效应 大蒜素可特定的抑制其他细菌的酶。例如，通过可逆的非共价键结合来抑制由醋酸激酶和磷酸转乙酰辅酶A合成酶组成的乙酰辅酶A成型系统（Focke等，1990）。低于10 mmoL的抑制浓度为50%（I50value）的大蒜素抑制（C14）醋酸掺入质粒的分离脂肪酸。此外，研究发现，在抑菌浓度范围内（0.2～0.5 mmol/L）大蒜素只能抑制部分鼠伤寒沙门菌的DNA和蛋白质合成，但对RNA合成的影响更明显，这说明RNA可能是大蒜素作用的主要目标。大肠杆菌RNA聚合酶的α亚单位中包含了一个单巯基，能和巯基的特定试剂-库里克的单体荧光素衍生物发生反应，由此证明RNA聚合酶可能也是大蒜素作用的目标（Ozolin等，1990）。此外，大蒜素的衍生物阿霍烯，有一个类似的硫醚基团，具有对克鲁斯锥虫增殖的抑制作用，主要原因可能是其对磷脂酰胆碱的生物合成抑制产生作用。

由此可见，大蒜素及其衍生物的广谱抗菌作用是由于其对多种巯基依赖性酶系统存在多重抑制效应。在现阶段，很难去阐明究竟哪个才是大蒜素作用的更致命的目标，原因很可能是大蒜素可能在不同的水平发挥作用。这点很好的解释了大蒜素在不同浓度会产生不同的效应。例如，大蒜素可能在极低浓度下就可抑制一些对宿主组织造成严重伤害的巯基蛋白酶，虽然在这种低浓度下不会杀灭菌体本身，但这足以消灭微生物的毒力。在较高的浓度下，其他一些酶，如脱氢酶或硫氧还蛋白还原酶均可能会受到影响，即使是对这些酶的部分抑制对微生物而言也是致命的。

6 小结

目前，大蒜素在食品保鲜、防腐，医疗保健，动物饲料添加剂等方面得到广泛应用。但值得注意的是，研究发现高剂量的大蒜素具有一定的毒性。为此可通过大蒜素毒性试验，更深入地探讨大蒜素的作用机制，确定适宜的添加量，为大蒜素在动物生产中的合理应用提供更多的科学依据。

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