生物因素的作用范文第1篇

关键词 非智力因素；高中；生物教学

所谓“非智力因素”，燕国材教授把它划分为三个层次：第一个层次为广义的非智力因素，是指智力因素（观察力、记忆力、想象力、思维力和注意力）以外的一切心理因素；第二个层次为狭义的非智力因素，它主要由动机、兴趣、情感、意志和性格等五种心理因素组成；第三个层次为具体的非智力因素，它的组成因素主要有12种：成就动机、求知欲望、学习热情；自尊心、自信心、进取心；责任感、义务感、荣誉感；自制性、坚持性、独立性。[1] 2001年颁布了《基础课程改革纲要（试行）》，在课程的具体目标中指出“改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力”。要求老师要注重培养学生的独立性和自主性，关注他们的个体差异，尊重学生身心发展特点和教育规律，满足不同学生的情感需要，创设教学环境，激发他们的学习兴趣。使学生生动活泼、积极主动，通过运用非智力因素来推动他们的学习，使学生的能力得到很快的提高，培养他们乐观、向上、坚强的意志品质和健全的人格，促进学生全面发展。

一、非智力因素在高中生物教学中的作用

生物是研究生命现象和生命活动规律的科学，高中生物课程是普通高中科学课程中的一个，是一门实验性很强的学科。高中生物课程是在义务教育基础上，进一步提高学生的生物科学素养。高中生物课程标准中提出了三个目标，其中一个就是“情感态度与价值观”目标。这个目标要求学生热爱大自然、珍爱生命，要有生物多样性与共同性相统一的观点，生物进化的观点和生态平衡的观点，树立辩证唯物主义自然观和科学的世界观；关心生物资源分布状况，增强振兴中华民族的使命感与责任感；自觉维护生态平衡，保持积极的生活态度和健康的生活方式。这些非智力因素的要求要得以实现，光靠智力是不行的，必须借助非智力因素来完成。

有效的学习是需要兴趣作为支撑，而学习兴趣源于学生内心的学生动机，强烈的学习动机推动着学生去关注他学习的对象，激起他的学习兴趣，从而主动去完成学习过程。某些智能的发挥与培养和人的情感因素息息相关。高中生物学习是一个手脑并用的复杂的学习过程，学好它需要有坚强的意志品质去克服学习中遇到的各种困难，排除干扰。学习情感与学生的生物学习效果密不可分，它是学好生物的动力。

非智力因素中的兴趣是积极性中最现实、最活跃的心理因素。一个人对他所学习的感兴趣，会发挥出全部才能的80%，但在不感兴趣的情况下顶多发挥出才能的20%～30%。非智力因素中的动机推动学生积极做好各种学习准备，良好的学习动机贯穿了整个学习过程，促进学生坚持学习。非智力因素中的良好的学习习惯和态度帮助学生保持一种稳定的学习状态。非智力因素中的意志品质则是帮助学生克服学习上遇到的种种困难，克服一切障碍，勇往直前，有了这种坚韧不拔的精神，还有什么知识不能学会。

二、在高中生物教学中注意培养学生的非智力因素

高中阶段，对学生的学习有着更高的要求：学生必须具有一定的学习能力，具有较强的学习自主性。但是由于高中扩招，生愿质量下降，学生的学习能力不强，自信心不足，学习缺乏主动性，少部分学生对学习存在逆反心理和行为。在这种情况下，要让学生学好高中生物，光靠一张嘴，一支粉笔，一块黑板地进行填鸭式的教学是不行的，还必须把握学生的情感需求，发挥非智力因素的作用，培养他们的非智力因素。学生非智力因素只有在不断地被运用中，才会起到作用和才能得到更好的发展。要想提高教学水平，取得很好的教学效果，培养创造型生物人才，那么，在生物学教学及学习中就必须高度重视非智力因素的培养。[2]

怎样在高中生物教学中培养学生的非智力因素？以下是几点措施：

一是培养学生学习兴趣。教师可以通过利用人才生活中的故事、常识等来创设教学情境、设置教学悬念，引起学生的认知冲突，激发认识兴趣。利用演示实验合作网络、多媒体技术等手段来激发学生的学习兴趣，生物是一门实验性很强的学科，通过实验或多媒体把所要学的知识直观、形象地展现在学生面前，调动学生的观察积极性，边观察边提问，通过不断追问来引发学生的思考，使感性认识和理性思维有机地结合起来。

二是培养学生的学习动机。美国教育罗恩・哈伯德认为：“教育必须从学生产生学习愿望着手，这是进行教育不可逾越的第一步。”动机是学生内心深处的学习愿望，教师在教学中要让学生明确学习目的，采用正确的多元评价方式不断给予学生激励，保护好他们的自尊。以合理的学习竞争方式来激励他们努力学习。不去主动寻求、探索好的学习方法，比如主动进行课前预习、上课记笔记，课后复习，整理笔记等。

三是学习习惯、学习态度和意志力的培养。“勤奋比聪明更重要。只有真正投入进去，抛开名利得失，到达一种忘我、甚至狂热的境界，才能有所作为。” [2]学习态度是由认知因素、情感因素和意志因素共同组成的统一体，明确学习的重要性，对困难不抱怨、不逃避，在认真的学习中不断去体验成功的喜悦，养成良好的学习习惯，勤奋钻研，最终形成一种坚韧不拔的毅力，这是学习的最高境界。教师要建立良好的集体学习规范，形成你追我赶，大胆发表个人见解，努力向上，崇尚科学，尊重知识的良好学习风气。严格实验要求，在实验中磨炼学生的意志力，养成严谨的科学态度和科学精神。

总之，要让学生轻松、愉快、持久地保持良好的状态学习，达到素质教育的要求，高中生物教师们一定不能忽视了非智力因素在学习中起的作用，要在平时的教学中注意培养学生的非智力因素。

参考文献

生物因素的作用范文第2篇

关键词：土壤微生物；生防因子；生物防治

【分类号】S476

引言

植物病害的生物防治在农业生态系统中调节植物的微生态环境，从而减少病原菌所致病害的发生，达到防治病害的目的。微生物防治主要是利用有益的微生物，通过生物间的竞争作用、抗菌作用、重寄生作用、交叉保护作用及诱发抗病性等来抑制某些病原菌的存活和活动。

1、土传病害生防因子的种类及应用

1.1、真菌

许多真菌资源对土传病害具有很好的生防作用。可利用的土传真菌病害的主要生防因子包括：木霉、毛壳菌、寡雄腐霉、非病原性菌尖胞镰刀霉Fo47菌株、非病原性双核丝核菌等真菌因子。

1.2、 细菌

常见的对土传病害具有生物防治作用的细菌主要有： 假单胞菌和芽抱杆菌。

1.3、 放线菌

放线菌广泛存在于土壤和植物根际等环境中，作为生防菌已在生产上被成功的应用。

2、土传病害的生防机制

土传病害的生防机理主要有：抗菌物质的产生，营养物质（如碳素化合物、氮素、三价铁等）和定殖位置的竞争以及诱导抗性等几个方面。以上几种作用不相互排斥，而且可以同时起作用。因此，利用一种拮抗微生物防治病害可以包括多种作用方式。

3、土壤有益微生物的作用机制

3.1抗生作用

拮抗微生物产生的抗菌物质主要有两类：一是小分子的多糖物质，即抗生素；二是大分子的抗菌蛋白或细胞壁降解酶类。目前报道的有假单胞菌产生的抗生素类型是吩嗪类、硝吡咯菌素、藤黄绿脓菌素、2，4-二乙酰藤黄酚等能有效地抑制各种植物病原菌，木霉菌在侵入或穿透寄主菌丝细胞时，产生了几丁质酶、葡聚糖酶以及蛋白酶、酯酶等一系列水解酶类来消解病原菌的细胞壁，而生防放线菌主要是通过产生抗生素抑制微生物的代谢途径。

3.2竞争作用

竞争作用是利用微生物快速生长与繁殖病原菌争夺空间、水分和铁、碳、氮、氧等其他营养源，从而排除某些病原菌。报道中枯草芽孢杆菌、放线菌、木霉、酵母菌通过空间竞争和营养竞争达到抑制病原菌的目的。

3.3重寄生作用

拮抗微生物侵入到病原菌体内获得营养籍以生存和发展，常以吸附生长、缠绕、侵入、消解等多种形式抑制病原菌。木霉对不同的植物病原真菌重寄生作用方式不同，可观察到木霉菌缠绕病原菌的菌丝，或沿着病原菌的菌丝平行或波浪式生长，或产生钩状分枝、吸器或附着胞吸附于病原菌的菌丝上，或穿透病原菌的菌丝，最终导致病原菌的菌丝细胞原生质浓缩、菌丝断裂等现象。

4.抗菌物质的产生

4.1 细菌素

细菌素是由细菌的某些菌系所产生的对该种细菌的另外一些菌株或关系较近的细菌有杀伤作用、非复制性的含蛋白的抗菌物质。利用细菌素防治土传病害的例子很多。细菌素的作用范围有限，一般是对相应细菌起作用，不会对农业生态系统其他有益微生物产生不利的影响。

4.2 抗生素

抗生素是微生物所产生的具有生物活性的物质，它在低浓度下就能抑制或影响其他生物的机能，从而对敏感微生物产生抑制或致死作用。通过产生抗生素在植物病害生物防治中发挥作用的细菌（不包括放线菌）多集中在以下几个属：假单胞杆菌属、芽孢杆菌属、土壤杆菌属、欧文氏杆菌属、布克氏杆菌属。在这些抗生素产生菌中，假单胞杆菌属在人工培养条件下产抗生素的能力最强，相关研究也最多，布克氏杆菌和芽孢杆菌也有一定的产抗生素的能力。由于抗生素是微生物代谢产物，为自然界中存在的物质，具有专一性，内吸渗透力强，防病效果稳定，因此，常以抗生素的产量作为生防菌筛选的重要指标。

5、制约土传病害生防微生物发挥作用的因素

生防菌在土壤中定殖过程中受诸多因素影响，使其适应能力、定殖能力、拮抗物质的产生能力以及与拮抗作用相关基因表达功能下降等。

5.1 环境因素

土传病害生防菌生存的环境一植物根际是每时都发生着剧烈变化的微环境。某些因素，如下雨或日照引起盐浓度、土壤pH、渗透性、水分及土壤粒子结构的变化以及植株根的增长、季节变化、化肥和农药的施人等均能改变根际微环境，从而也将导致根际微生物种类组成结构的改变。这样势必引起释放在土壤中生防菌的数量发生波动，最终导致其生防能力的改变。对不同理化性质土壤的适应性，将导致菌株生防作用的区域局限性。

5.2 生物因素

植物的活动也会影响生防菌株的生防作用，某些植物根系分泌物可能支持或诱导生防菌来抑制病原菌，而其它一些植物则可能表现出排斥反应。

5.3 营养因素

生长在含不同的碳源或氮源的环境中，生防菌株的生防能力也会有所变化。由于不同地区土壤营养物质成分不同，生防菌株的应用范围可能受到限制。

6、存在的问题及改进方法

尽管公众对应用微生物生防因子防治土传病害的兴趣越来越浓厚，但是由于微生物生防因子的根部定植能力或拮抗活性不强，抗菌谱较狭窄，容易受温度、湿度、化学农药和周围其他环境因素的影响，导致了生物防治的效果不稳定，从而影响了微生物制剂的商品化及其应用，目前只有少数商品化的生防真菌和细菌制剂，而其市场份额较低。改进的方法有以下几个方面。

6.1、不同的生防因子要组合使用。通过具有不同的抗菌谱、不同的生防机制及不同定植方式的各种生防菌株的组合实现防效的提高。前提是在不同的拮抗菌之间没有交互作用。

6.2、作为病虫害综合防治（IPM）的一个组分，与其他措施协调应用。生防因子与地剂量的化学农药组合使用被认为是成功防治作物病害的IPM措施。

6.3、遗传改良已有的生防菌株，并开发新的超级工程生防菌。应用现代遗传工程原理，例如通过原生质体融合和基因工程技术，研究开发遗传修饰的工程微生物（GMM）菌株是一条有效途径。另外通过分子操纵细胞壁降解酶基因改良木霉菌株，可使生防能力明显增强。

参考文献：

[1] 郝晓娟，刘波，谢关林.植物枯萎病生物防治研究进展.中回琅学通报 .2005，21（7）：319-322

[2] 郑俊强，高增贵，庄敬华，陈捷.玉米土传病害生物防治的研究进展.玉米科学.2005，13（1） ：111-114，118

[3] 李立平，段德芳.木霉生物学特性及拮抗作用研究进展.植物医生.2006，19（4）；4-6

生物因素的作用范文第3篇

[关键词] 抗生素； 合理选择； 合理应用； 安全有效； 耐药性

[中图分类号] R978.1[文献标识码] B[文章编号] 1005-0515（2011）-07-098-02

所谓抗生素一般是指由细菌、霉菌或其它微生物在繁殖过程中产生的，能够杀灭或抵制其它微生物的一类物质及其衍生物，用于治疗敏感微生物(常为细菌或真菌)所致的感染。目前应用于临床的抗生素主要有以下几类：青霉素类；头孢菌素类；氨基糖苷类；大环内酯类；四环素类；氯霉素类；林可酰胺类；多肽类及其它抗生素。另外，临床上还有一些广泛应用的合成抗菌药物，主要有磺胺类(磺胺嘧啶、复方甲基异唑等)；喹诺酮类(氟哌酸、氧氟沙星、环丙沙星等)及其它合成抗菌药物(如痢特灵、甲硝唑、黄连素等)。不同类别的抗生素，其作用特点各有不同，如青霉素类为最早用于临床的抗生素，自从1928年被弗莱明发现以来，因其疗效高毒性低长时间广泛用于临床；而氨基糖苷类抗生素以其性质稳定、抗菌谱广也得到广泛应用；大环内酯类抗生素均含有一个12-16碳的大内酯环，为抑菌剂，仅适用于中度感染，但是为目前最安全的抗生素之一；氯霉素类抗生素的特点是脂溶性高，易进入脑脊液和脑组织，并对很多病原体有效，但可诱发再生障碍性贫血；四环素类抗生素可沉积于发育中的骨骼和牙齿中，反复使用可导致骨发育不良，牙齿黄染，牙釉质发育不良等，因而孕妇、哺乳期妇女及8岁以下小儿禁用，现在已在临床上淘汰应用。

随着医学科学技术的不断发展，抗生素的品种越来越多，广谱抗生素应用越来越广泛，它给广大患者带来了福音，挽救了无数的生命，使得细菌性疾病可以比较容易得到控制，这对临床医学是十分有益的。但是目前在临床上不合理使用抗生素的现象普遍存在，不仅达不到良好的治疗效果，还能引起药源性疾病及诱发耐药菌的产生，长此以往给临床治疗带来困难，同时也造成医学资源的浪费，增加了患者的治疗成本，更为严重的是由于耐药微生物的不断翻新与变异，给人类的生存造成了潜在的威胁，近年来世界范围内爆发的诸如非典、禽流感、甲流等，给人类合理使用技术成果及其它活动敲响了警钟，也迫切需要引起广大医务人员的高度重视，尤其是卫生行政业务主管人员的高度重视。因此，探讨在临床工作中正确、合理、有效地选择及应用抗生素，虽是老生常谈，但对于纠正仍司空见惯地滥用抗生素的临床现状，指导临床合理用药仍具有重要的现实意义。

合理使用抗生素的临床药理概念为安全、有效使用抗生素，即在安全的前提下确保有效，这就是合理选用抗生素的基本原则。

正常情况下，大多数新启用的抗生素在若干年内都会因病原菌产生抗药性而失去原有效力，而不合理的使用，更加剧了耐药细菌的急剧增长，对细菌耐药性的产生起到了推波助澜的作用，直至最后对顽固狡猾的细菌感染束手无策，无药可用。一般来说，临床医师对抗生素在临床应用中可能产生的不良反应都有了解，诸如β-内 酰 胺类的致敏性；氨基糖苷类的耳毒性；大环内酯抗生素在临床上应用量大、面广、品种多、更新快。各类药品之间相互作用关系复杂，联合用药日趋增多，预防用药日趋广泛。因此临床上抗菌药物不良应用发生率及耐药生逐年增加，这些问题的产生，除抗生素本身的因素外，与药物的有效选择、合理应用都有重要关系。而合理使用抗生素需具体病人具体分析，制定个体化治疗方案，绝没有一个固定方案供不同情况下的诸多患者广泛套用。选择针对性强的抗生素是及时取得抗感染疗效的关键。因此合理选择与合理用药是合理使用抗生素的两个关键性问题。

1 抗生素的选择

1.1 要掌握不同抗生素的抗菌谱，各种抗生素都有不同的作用特点，因此所选药物的抗菌谱务必使其与所感染的微生物相适应。如青霉素的抗菌谱，主要包括一些球菌和革兰氏阳性杆菌。链球菌是引起上呼吸道感染的重要病原菌，它对青霉素保持敏感，此类感染临床上宜首选青霉素，不能用青霉素的宜选择红霉素或第一代头孢菌素，而不宜用庆大霉素等氨基糖苷类抗生素，因为链球菌对氨基糖苷类抗生素常不敏感，因而无效。头孢菌素为广谱抗生素，但一、二、三代头孢菌素的抗菌作用各有特点。对金黄色葡萄球菌，一代头孢菌素作用最强、二代头孢菌素次之、三代头孢菌素较弱。但对阳性杆菌的作用则三代头孢菌素明显超过二代与一代头孢菌素。因此金葡萄球菌感染不能首选三代头孢菌素，应选用一代的头孢氨基或头孢拉定。不确定的复杂性细菌感染还是考虑首推头孢克胶囊。

1.2 根据致病菌的敏感度选择抗生素 致病菌对抗生素的敏感度不是固定不变的，一些易产生耐药的细菌如金葡萄球菌、绿脓杆菌、肠杆菌属等近年多报道对不少常用抗生素耐药增高。有报道说有些地区金葡萄菌对红霉素的耐药率达60%-70%，因而红霉素不能作为金葡萄感染的有效药；羧苄青霉素、磺苄青霉素等抗绿脓杆菌作用，也因细菌的敏感度下降而被酰脲类青霉素(如苯唑青霉素、氧哌嗪青霉素等)所取代。各种致病菌对不同抗菌药的敏感性不同，相同菌种不同菌株对同一种抗生素的敏感度也有差异，因此借助于正确的药敏结果，帮助临床医师正确选用抗菌药物，增加临床感染治疗效果及成功率。

1.3 根据感染疾病的规律及其严重程度选择抗生素 重症深部感染选择抗菌作用强、血药浓度较高的抗生素。如早期金葡菌败血症，头孢噻吩与头孢唑啉都有效，但病程较长者并已引起深部感染的金葡菌败血症，头孢唑啉的抗感染疗效明显优于头孢噻吩。因为头孢唑啉血浓度与组织浓度均比头孢噻吩高，其半衰期也较长，因此感染部位可达到较高浓度，所以深部感染时应选用头孢唑啉。酰脲类青霉素不仅具有强大抗链球菌与绿脓杆菌的作用，还具在血浓度、组织浓度较高，膜穿透力较强等临床药理特点，因此对链球菌属、绿脓杆菌引起的肺部感染、肾盂肾炎、恶急性细菌性心内膜类等有效好的疗效。

1.4 根据各种药物的吸收、分布、排泄等特点选择抗生素 抗菌药物在体内存在着吸收、分布及排泄过程，某些药物尚可在体内代谢。

1.4.1 吸收过程 不同抗菌药物的吸收程度和速率各不相同，一般口服1-2小时，肌注后0.5-1小时药物吸收入血，血药浓度达到峰值。口服吸收较完全的抗生素有氯霉素、氯洁霉素、林可霉素、头孢立新、阿莫西林、利福平、强力霉素等，口服后一般均可吸引给药量的80%-90%；青霉素类易被胃酸破坏，口服氨基青霉素、苯唑青霉素类可被胃酸破坏，口服后只吸收给药量的30%-40%；氨基糖苷类，头孢菌素类的大多数品种、多粘菌素类、万古霉素、两性霉素B，口服后均吸引甚少，约为给药量的0.5%-3%。由于各类药物的吸收过程的差异，在治疗轻、中度感染时，可选用病原菌对其敏感、口服易吸收的抗生素，而对较重的感染宜采用静脉给药方式，避免口服或肌注时多种因素对其吸收的影响。

1.4.2 分布 进入血液循环的抗菌药物，呈游离状态者，其分子小，可迅速分布至各组织和体液中，到达感染部位。不同的抗菌药物其分布特点亦不同。氯洁霉素、洁霉素、林可霉素、磷霉素、氟喹诺酮类中的某些品种在骨组织中可达较高浓度。在治疗骨感染时可选用上述骨浓度高的抗菌药物。前列腺组织中抗菌药物浓度大多较低，但红霉素、磺胺甲基异唑、甲氧苄胺嘧啶、四环素、氟喹诺酮类在前列腺液和前列腺组织中可达有效浓度。脑脊液药物浓度可达血药浓度较低，但有些药物对血脑屏障的穿透性好，在脑膜炎症时脑脊液药物浓度可达血液浓度的50%-100%，如氯霉素、磺胺嘧啶、青霉素、氨苄青霉素、异烟肼、5-氟脲嘧啶、甲硝唑等均属此类；苯唑青霉素、头孢立新、红霉素、多粘菌素、马万古霉素、两性霉素B等对血脑屏障穿透性则较差。两性霉素B用于治疗真菌性脑膜炎时可辅以该药鞘内注射。抗菌药全身用药后分布至浆膜腔和关节腔中，局部药物浓度可达血浓度的50%―100%，除个别情况外，一般不需要局部腔内注药。抗菌药物可穿透血―胎盘屏障进入胎儿体内，透过胎盘较多的抗菌药物有氨苄青霉素、羧苄青霉素、氯霉素、呋喃妥因、青霉素G、磺胺类、四环素类，此类药物致胎儿血清浓度与母体血清浓度之比率达50%―100%；庆大霉素、卡那霉素、链霉素的上述比率达58%左右，头孢菌素、氯洁霉素、多粘菌素E、苯唑青霉素等为10%―15%；红霉素在10%以下。妊娠期应用氨基糖苷类抗生素时，可损及胎儿第八对颅神经，发生先天性耳聋，四环素类可致乳齿及骨骼发育受损，因此妊娠期要避免应用有损胎儿的抗菌药物。

1.4.3 排泄 大多数抗菌药物从肾脏排泄，尿药浓度可达血药浓度的十至数百倍，甚至更高，下尿路感染时多种抗菌药物均可应用，虽可选择毒性小、使用方便、价格便宜的磺胺类、呋喃类、喹诺酮类等，但我们应考虑肾功能不全时禁用或慎用，最好建议患者使用阿奇霉素，克拉霉素或罗红霉素等。

林可霉素、利福平、头孢唑酮、头孢三嗪等主要或部分由肝胆系统排出体外，因此胆汁浓度高，可达血浓度的数倍或数十倍；氨基糖苷类和广谱青霉素类如氨苄青霉素、氧哌嗪青霉素等在胆汁中亦可达一定浓度；但氯霉素、多粘菌素的胆汁浓度低，故该类药物不宜作胆系感染的首选药物，必要时氯霉素可作为联合用药。病情较重的胆系感染，可选择广谱青霉素类与氨基糖苷类联合应用，也可选择头孢菌素类。除口服不吸收的抗菌药物外，大多数抗菌药的粪浓度较尿浓度低。某些由肝胆系统排泄，经肝肠循环的药物如红霉素、四环素、利福平等在粪中排泄浓度较高，约达50-600μg/g。我们就考虑肝功能不全时禁用或慎用，最好建议患者使用头孢克之类的。

1.4.4 代谢 部分抗菌药物可在体内代谢，如氯霉素在肝内与葡萄糖醛酸结合失去抗菌活性；头孢噻吩在体内代谢生成去乙酰头孢噻与药物原型共同存在于体内，去乙酰头孢噻亦具抗菌活性，但较原药低。

2 抗生素的合理应用 在临床上需要使用抗生素治疗疾病、控制感染时要掌握以下几个原则。

2.1 严格掌握用药指征和适应症，绝不能滥用抗生素 单纯病毒感染性疾病及非细菌性发热应视为抗生素使用的禁忌征。如能检出细菌最好做药敏试验，选用最敏感的抗生素。

2.2 严格控制新品种和昂贵抗生素的应用 滥用昂贵新品种抗生素，会加速耐药菌的产生，同时也增加了患者的经济负担。在临床工作中能用一线抗生素可以解决的问题，就不要使用二线、三线抗生素，更不能因患者或家属的要求而放弃用药原则，迁就患者，只有根据临床实际需要，其它抗生素无法控制感染时才考虑使用新品种或昂贵抗生素。

2.3 应用抗生素不能盲目频繁更换 临床工作中，如使用经过选择的抗生素疗效不好时，要全面分析考虑是否药物剂量不足，用药时间短、给药途径不当，抗生素选择不合理、全身免疫功能等因素。

2.4 预防性用药必须严格控制 抗生素不等同于消炎药，它不直接对炎症发挥作用，而是针对引起炎症的微生物起到杀灭的作用，它仅适用于由细菌和部分其它微生物引起的炎症，对病毒性感冒、麻疹、腮腺炎、伤风流感等患者给予抗生素预防或治疗有害无益，它没有预防感染的作用，相反，长期预防性应用此类药物会引起细菌耐药，不论病情需要与否都使用抗生素来提高保险系数、作为“万能药”使用的做法是不可取的。

2.5 合理停用或换用抗生素 在临床上一般而言抗生素以用到体温正常、血象正常、临床症状消退后72-96h为宜，重症感染可以适当延长，若抗生素疗效不佳，急性感染可以于48-72h后考虑换用抗生素。

2.6 注意联合用药的合理性 联合用药要有可靠的依据。它的指征是：病情特别严重，如败血症，数种细菌合并感染，单用一种抗生素不能控制或者单用一种抗生素使血药浓度太大，患者不能耐受其不良反应，加用另一种抗生素可减少该药的剂量，以达到同样的疗效，还可减少耐药菌株产生，防止或推迟耐药性的发生。

2.7 防止二重感染及耐药菌的产生 在临床上应用抗生素剂量较大，疗程较长时容易发生二重感染。为了减少该现象的发生，在使用广谱抗生素时，应密切观察口腔粘膜的变化，定期检测大小便，痰的性状，若有可疑真菌感染者，应该立即停用抗生素并予以相应的治疗。因此，为了防止耐药性的产生，应该严格掌握适应证，而在治疗开始应该给予足量，投满疗程，以防止耐药菌的产生。

2.8 尽量避免皮肤粘膜等局部应用抗生素 经临床实践证明，抗生素局部应用容易发生过敏反应，也易引起耐药菌株产生，而且易诱发这些抗菌药物日后发生全身反应。

2.9 抗菌药物流通环节必须严格处方药管理制度，必须凭医师处方购买，凭医嘱或驻店药师指导下使用，不能同非处方药一样随意购买使用。

生物因素的作用范文第4篇

摘要： 带有烯二炔结构发色团的抗肿瘤抗生素力达霉素对肿瘤细胞有极强的杀伤力，是近年来发现的抗肿瘤活性较强的化合物之一，在肿瘤的化学治疗方面有良好的应用前景。本文介绍力达霉素的分子结构与生物合成、化学合成、分子作用机制与抗肿瘤活性、单克隆抗体高效偶联物、组合生物合成等方面研究的最新进展。

关键词： 力达霉素； 烯二炔类抗生素； 抗肿瘤

Advances in the research of lidamycin, an enediyne antitumor antibiotic

Ma Di and Hong Bin

(Institute of Medicinal Biotechnology, Chinese Academy of Medical Sciences,Peking Union Medical College, Beijing 100050)

ABSTRACT Lidamycin is an enediyne antitumor antibiotic with potent cytotoxicity against varieties of cancer cell lines. It is considered as one of the most effective natural products with antitumor biological activity found in recent years and is expected to have great potential on the chemotherapy of cancers. This article reviews the recent research progress of lidamycin, focusing on its molecular structure, biosynthesis, molecular mechanism of action, antitumor effects, conjugation with monoclonal antibody, as well as the prospective of combinatorial biosynthesis of this class of antibiotics.

KEY WORDS Lidamycin; Enediyne antibiotics; Antitumor

力达霉素(lidamycin，LDM)是从我国湖北省潜江县土壤分离出的一株放线菌Streptomyces globisporus C1027代谢产物中筛选出的1个新的大分子蛋白类抗肿瘤抗生素。力达霉素的化学结构中含有烯二炔结构的发色团，是烯二炔类抗生素中重要的成员之一。近两年来，由于烯二炔类的抗生素化合物分子构成新颖并有极强的抗肿瘤活性，已成为化学、药理学、分子生物学的研究热点。目前针对力达霉素的多方面的研究工作已取得的长足进展。现就力达霉素的分子结构与生物合成、化学合成、分子作用机制与抗肿瘤活性、单克隆抗体高效偶联物、组合生物合成等方面的研究工作成果作一综述。

1 力达霉素的分子结构与生物合成

力达霉素为新型烯二炔类抗肿瘤抗生素，它由1个辅基蛋白和1个发色团构成。蛋白部分由110个氨基酸组成，含有2个分子内二硫键，计算相对分子质量为10500u，蛋白质部分没有抗肿瘤活性，但对发色团有稳定和保护作用，并携带发色团到达肿瘤部位。发色团在抗肿瘤活性中发挥主要作用［1～3］，发色团由1个9元环1，5二炔3烯核心结构与氮氧杂萘甲酸、氨基吡啶核糖和β酪氨酸结合而成(Fig.1中1)。这些结构单元不但参与化合物分子的组成，而且与化合物的生物活性密切相关。借助核磁共振对辅基蛋白及其与发色团的复合物进行结构分析并确定各个结构单位的相对位置，发现芳构化的发色团结合在辅基蛋白结构中的“疏水口袋”处，它们之间的亲和性可能来自辅基蛋白“疏水口袋”区氨基酸侧链与发色团之间形成的静电和疏水作用［4］。发色团核心的烯二炔结构的生物合成途径一直是人们关注的焦点。烯二炔结构中首尾相接的乙酸结构单元曾被推测是由不饱和脂肪酸的前体被切割和环化后形成或是通过聚酮合成途径，由烯二炔聚酮合成酶催化聚线性不饱和聚酮中间产物的生物合成，接着采用一种新颖的环化机制而形成烯二炔核心结构。刘文等［5］运用PCR方法成功地克隆了力达霉素脱氧氨基糖代谢途径中的dNTP葡萄糖4，6脱水酶基因(sgcA)，并以此为探针，通过基因文库筛选和染色体步移克隆了完整的生物合成基因簇，发现力达霉素的生物合成起源于聚酮代谢途径，并确定了基因簇编码1个烯二炔聚酮合成酶SgcE，排除了由脂肪酸合成然后降解的可能性。除了聚酮合成酶SgcE，刘文等［5］还提出了一系列途径特异的结构基因分别控制各个结构单元的合成。sgcEsgcE11、sgcI、sgcJ、sgcL和sgcF等16个基因负责烯二炔核心的合成；sgcAsgcA6等7个基因sgcA1sgcA6参与脱氧氨基糖的合成；sgcCsgcC5等6个基因参与β氨基酸的合成sgcDsgcD6等7个基因负责杂萘苯环的合成。通过各自途径生物合成的这三个结构单元分别在糖基转移酶(SgcA6)、缩合酶(SgcC5)和酰基转移酶(SgcD6)的催化作用下，与烯二炔核心结合，构成完整的力达霉素发色团分子。对力达霉素生物合成基因簇中结构基因的研究正在进行中，通过生物信息学的分析、在链霉菌中的基因中断实验以及利用基因工程手段将结构基因的片段克隆至大肠埃希菌表达载体中并对表达产物进行酶学分析可以确定这些结构基因在力达霉素生物合成中的相关功能，并获取更多生物合成途径中有关中间产物和反应步骤的信息。目前已陆续报道了sgcD、sgcA1、sgcC1等结构基因的研究分析结果［6～10］。

Fig.1 The chromophore structure of lidamycin and it′s MasamuneBergman rearragement(polyketide synthase，PKS)（略）

2 力达霉素化学合成的研究

在力达霉素的化学结构得到解析后，很多实验室都进行着有关力达霉素化学合成方面的工作，希望通过化学手段可以合成出活性相当乃至更强的化合物。根据逆合成分析，朱锦桃等［11，12］合成了烯二炔发色团中五元环状中间体，并在此基础上合成了发色团中烯二炔单元的开链衍生物，但并未得到闭环的烯二炔结构。Inoue等［13，14］在对发色团的结构进行了充分研究之后对发色团的骨架结构和烯二炔的双环［7.3.0］结构进行了合成。由于辅基蛋白Gly96的H原子参与发色团芳构化后的自身降解，该实验室还利用同位素氘(D)取代辅基蛋白Gly96的H原子，改造后的辅基蛋白类似物由于动力学同位素的效应减小了发色团结构降解的速率，增加其稳定性［15］。Semmelhack等［16］报道了由甘露糖出发经12步反应合成力达霉素发色团氨基糖结构单元的路线，认为合成反应的关键步骤在于C4位的内部N取代从而引入顺式氨基以及C5位上烯醇化物的甲基化。

3 力达霉素的分子作用机制与抗肿瘤活性

3.1 分子作用机制力达霉素的发色团与DNA小沟相互作用，造成DNA损伤，且有序列特异性，为富含AT的区域。如CTTTT/AAAAG，ATAAT/ATTAT，CTTTA/TAAAG，CTCTT/AAGAG，特别是在GTTAT/ATAAC处［17］，力达霉素与双螺旋DNA小沟结合后插入DNA中，此时药物并未引起DNA的断裂，发色团(Fig.1中1)经MasamuneBergman重排后芳构化转变成有活性的双游离基中间体(Fig.1中2)，然后夺取DNA脱氧核糖上的氢原子(Fig.1中3)，在有氧条件下使核糖基团氧化，引起DNA单链、双链断裂或形成无碱基位点；在厌氧条件下DNA互补双链的脱氧核糖自由基与药物分子共价作用形成DNA的链内交联［18］。在力达霉素切割DNA的过程中自由基中间体的存在可以通过电子自旋共振(electronspin resonance，ESR)技术获得直接有力的证明［19］。

3.2 力达霉素对细胞DNA复制的影响力达霉素不但可以造成DNA断裂，同时还抑制DNA复制。用力达霉素处理SV40、EB病毒感染的细胞，然后通过研究SV40、EB病毒的DNA观察力达霉素对细胞DNA可能造成的影响。实验结果发现力达霉素抑制SV40、EB病毒DNA的复制，低浓度力达霉素抑制DNA复制可能与复制蛋白A(RPA)功能的丧失有关，而在高浓度的力达霉素作用下DNA断裂产生的片段可以诱导DNA依赖的蛋白激酶(DNAPK)活性增高，使其作为反式作用抑制因子影响DNA的复制［20～22］。

3.3 力达霉素引发细胞凋亡、细胞周期阻滞和细胞裂亡宋旭等［23］利用nucleic acid arrays的方法将细胞总cDNA进行膜杂交，可同时检测出大量基因表达的变化，发现力达霉素改变了HCT28细胞多种凋亡相关基因的表达水平，抑制RhoC的表达，促进TRAF3、DR4、DR5、MCH4、MCH6、TRIP、Apo23、ABLL和STAT1的表达，提示力达霉素可能是通过调节TNF受体家族有关的凋亡信号过程，诱导肿瘤细胞凋亡。用低浓度的力达霉素处理人肝癌BEL7402细胞，力达霉素促进凋亡相关基因cmyc、cfos的表达并抑制在肝细胞癌变中起重要作用的nras基因的表达，同时细胞骨架也发生了明显的变化，微丝排列更整齐，向正常细胞的微丝形态变化。力达霉素引起肿瘤细胞骨架有关组分的变化可能是其抗肿瘤活性的另一种解释［24］。有研究表明高剂量力达霉素处理人红白血病K562细胞引起S期细胞的比例明显升高，死亡细胞的比例明显增加，提示力达霉素引起DNA的损伤发生在S周期时，细胞周期检验点被激活，进而阻止DNA的复制，同时启动DNA修复机制，或者诱发细胞凋亡［25］。力达霉素对DNA的断裂损伤可以引发细胞周期的阻滞，实验结果显示力达霉素抑制内皮细胞增殖并诱导细胞凋亡，低浓度的力达霉素可使内皮细胞被阻滞在G/M1期；高浓度的力达霉素诱导细胞凋亡的发生。同时力达霉素改变内皮细胞中与增殖和凋亡相关的基因的表达，下调抗细胞凋亡蛋白Bcl2和PCNA的表达水平。细胞内游离钙离子浓度也显著的升高，提示由力达霉素引发的细胞凋亡可能与钙离子内流或影响钙离子依赖的下游信号传导通路有一定关联［26］。何其扬等［27］报道了力达霉素在BEL7402活细胞内直接切割DNA可形成梯度条带，并首次观察到染色质凝集的现象，而在其他烯二炔类抗生素诱导细胞凋亡的研究中均未见报道此现象。现已公认的细胞凋亡后期的共同途径是caspases(半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶)的激活。通过测定caspase的活性及与染色质凝集的关系，认为染色质凝集发生的时间早于caspase达到高峰的时间，而少量caspase的活化不足以解释大量的细胞发生染色质凝集的现象。这一现象提示这种染色质凝集的方式有别于典型的细胞凋亡。力达霉素引起细胞死亡(也被称为裂亡)的特征有别于典型细胞凋亡，而裂亡的引发可能与力达霉素诱导的细胞有丝分裂的异常(如中心体的过度复制、多极性纺锤体的形成、多核的形成等)有关［28］，力达霉素在HCT116细胞中造成染色体异常并破坏端粒区的功能，这是由于力达霉素诱导的大量双链DNA断裂引发细胞采取非同源末端结合(NHEJ)方式的修复途径，导致染色体发生错误连接［29］。

3.4 力达霉素对肿瘤细胞的抑制作用及实验治疗观察力达霉素对多种肿瘤细胞具有强烈的杀伤作用，对人肺癌、人鼻咽癌、人胃癌细胞等均有强烈的细胞毒作用。尚伯阳等［30］报道力达霉素对体外培养的肝癌细胞有高度杀伤作用。单核细胞直接细胞毒性测定(MTT)法测定结果表明，力达霉素对人肝癌BEL7402和小鼠肝癌22细胞增生有强烈的抑制作用，抑瘤率呈剂量依赖性。以IC50相比较，力达霉素细胞毒性比丝裂霉素C强10000倍以上。力达霉素对小鼠移植性结肠癌(皮下、盲肠、肝内)生长有明显抑制作用，对肝转移也有显著抑制作用，尤其是对较大转移灶有更强的抑制作用［31］。力达霉素的对肿瘤的抑制还表现在具有抑制肿瘤血管生成和抗侵袭作用。bFGF是重要的肿瘤血管生成因子，肿瘤生成时，储存于细胞基质中的bFGF被大量释放出来，同时肿瘤细胞中bFGF的基因表达及生物合成异常活跃。甄红英等［32］利用鸡胚尿囊膜模型证实力达霉素是很强的血管生成抑制剂。实验还证明力达霉素对bFGF与其受体结合有明显抑制作用，提示力达霉素抑制bFGF与受体结合，阻断bFGF在血管生成过程中诱导内皮细胞的增生和迁移，抑制血管生成、肿瘤生长及抗肿瘤转移。另有研究显示，力达霉素对侵袭调节基因的表达可产生一定影响，促进人结肠癌HCT8细胞TIMP21基因的表达，抑制MMP9基因的表达从而抑制IV型胶原酶的产生，同时又诱导金属蛋白酶抑制因子的产生，表现出抗侵袭活性［33］。力达霉素与其他临床常用抗肿瘤药物的联合应用可以表现出更强的抑癌效果，有实验观察到力达霉素可以增强顺铂诱导人肝癌BEL7402细胞凋亡，增强顺铂的抗肿瘤作用。顺铂与力达霉素单用均可使抗凋亡蛋白Bcl2的表达水平降低，而顺铂与力达霉素联合应用后则强烈抑制Bcl2的表达，几乎达到检测不到的水平，提示增效机制可能在于联合应用降低抗凋亡蛋白Bcl2的表达水平，导致线粒体膜电位降低，破坏线粒体膜的稳定性，线粒体内钙离子外流至细胞质，进一步诱导细胞凋亡［34］。最近有报道quinacrinenetropsin(QN)的杂交分子与力达霉素共同使用可以显著增强力达霉素诱导双链DNA断裂和细胞凋亡的程度，由于QN为DNA结合配体，加入QN后力达霉素可能与之形成异源二聚体后改变了和DNA序列结合的位点特异性，增强了在富含GC的区域，特别是5′AGG3′/3′TCC5′处的切割。因此，对DNA结合配体的研究可能成为增强力达霉素抗肿瘤活性、减小其化疗应用中副作用的一条有效途径［35］。

4 C1027与单克隆抗体高效偶联物的研究

力达霉素对肿瘤细胞的高效杀伤力使其极有可能成为新型高效抗肿瘤药物，但是缺乏肿瘤特异性的缺点限制了力达霉素应用于化疗。一种行之有效的增强特异性杀伤肿瘤细胞的方法就是将力达霉素作为高效“弹头”用于研制小型化导向药物。由于C1027分子构成的特点，可用多种方法将C1027与单抗连接。抗IV型胶原酶单抗3G11与力达霉素的偶联物3G11LDM与肿瘤细胞H22、HT29、C26呈现出良好的免疫结合活性和较高的抑癌活性。3G11LDM偶联物通过抗IV型胶原酶单抗3G11携带力达霉素到达肿瘤部位实现特异性结合，提高了在肿瘤部位释放的力达霉素的浓度，使其发挥更强的抑瘤作用［36］。完整的单抗分子与药物的免疫偶联物存在分子量大、对实体瘤穿透力差、易产生人抗体抗鼠反应(HAMA)等缺点，近年来设计高效化、小型化的单抗免疫偶联物也一直成为研究的热点。例如力达霉素与大鼠抗人肝癌细胞单抗3A5的Fab′片段的偶联物Fab′LDM，偶联物比游离力达霉素对靶细胞BEL7402细胞集落生成的抑制作用显著增强，偶联物与等剂量游离力达霉素比较，对小鼠移植性结肠癌26细胞显示出更强和更长时间的抑瘤作用［37］。以IV型胶原酶为治疗靶点，制备单抗3G11Fab′片段与力达霉素偶联的小型化免疫偶联物对肝癌细胞H22的细胞毒和治疗作用较游离力达霉素均有显著提高［38］。除化学偶联的方法外，利用基因工程技术将抗体Fv片段和C1027的烯二炔发色团制成分子量仅为387ku的融合蛋偶联物已获得成功。这也为利用基因工程进一步进行scFv与烯二炔偶联的研究奠定了基础［39］。

5 力达霉素的组合生物合成

通过化学全合成的方法获得结构复杂的力达霉素及其结构类似物，以促进作用机制和临床应用的研究虽然已经取得了一定进展，但由于化学结构的高度复杂性，化学全合成力达霉素仍然面临诸多困难，利用这一手段促进临床应用的前景也非常有限。作为有机合成的重要补充，近年来发展的组合生物合成技术为复杂天然产物及其类似物的获得提供了一条生物合成的方法。例如通过增加力达霉素的结构基因拷贝数有可能突破生物合成限速酶的催化瓶颈，使力达霉素的产量在原有基础上大大提高。力达霉素生物合成基因簇中结构基因和调节基因的克隆和功能的确定也为合理化修饰力达霉素的生物合成途径和提高产量提供了可能性。力达霉素生物合成途径的分析显示β氨基酸结构单元上的C22OH基团是在羟化酶SgcC催化下形成的，通过基因敲除的方法将SgcC失活，获得了一种失去OH基团的新型力达霉素，该化合物不仅保留了原有的抗肿瘤活性，在没有辅基蛋白保护的条件下，25℃时稳定性比原化合物至少高出5倍以上［5］。

6 展望

随着研究的不断开展，人们对力达霉素以及烯二炔类抗生素的化学结构和生物活性有了越来越深入的了解，力达霉素对肿瘤细胞强大的杀伤力使之有望成为抗癌的一种重要的化学治疗手段。目前，力达霉素的药理学研究已经进入I期临床。同时，力达霉素为医药工作者提供了进行基础和临床研究的宽广领域。只有彻底搞清力达霉素杀伤肿瘤细胞的作用机制并尽可能减小其毒副作用才能使力达霉素广泛应用于临床成为可能。力达霉素的生物合成也是一个相当复杂的过程，不但步骤繁多，还需要对代谢网络的协调控制，对生物合成途径的阐明将有利于提高力达霉素产生菌的产量，并使力达霉素的结构改造变得简便易行。对于力达霉素生物合成途径的研究为我们在基因和生化水平探索天然产物的生物合成机制提供了一个极好的模型，对研究其它烯二炔类抗生素的生物合成提供了极有价值的参考。相信随着研究的不断深入，力达霉素和烯二炔类抗生素在肿瘤的化学治疗方面将会显示巨大的作用。

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生物因素的作用范文第5篇

关键词：生物乙醇 纤维素酶 工程菌株

The study and development progress of Bio-ethanol and cellulase production

Liping Yang1 Shuiwen Cai1 Ling Luo1 Hui Liu1，2

1. Changsha Environmental Protection and Professional technique College, 410004 2 Hunan

2. Agricultural university, 410128, Changsha, China

Abstract: With the fossil fuels from shortage to exhaustibility, the humanity is facing toward a common problem in energy crisis. Finding new energy sources is important to sustainable economic development and even human survival. Bio-ethanol, as an energy source that is renewable, affordable, and environmentally safe, will become a substitute for oil. Elevation of cellulase production and reduction of the cellulase production cost are the key factor for enhancing the market competitiveness of cellulosic bioethanol. In this paper, we discussed the development progress of bio-ethanol and cellulose industry to provide a basis for the future upgrading of bio-ethanol production industry and the development of gene engineering strain.

Keywords: bio-ethanol cellulose engineering strain

随着石化燃料由短缺变成枯竭，能源危机是人类面临的共同问题。1998年，Campbell和Laherrere对石油储备和未开发的石油进行评估后认为，天然油在2010年前的产量就开始下降，到2050年全球每年石油供应量将从目前的25亿桶下降到5亿桶[1]。随着石化燃料供应的减少，寻找新的能量来源关系到经济的可持续发展乃至人类的生存问题。生物乙醇作为一种可再生的、经济上可承受的，并且对环境安全的能源物质将逐渐成为石油的替代品[2]。生物乙醇的生产经历了以1代淀粉原料生产乙醇和以木质纤维素为代表的非淀粉原料的2代生物乙醇工业。2代生物乙醇生产克服不与食品的供应之间存在竞争，但是纤维素酶产量低、不稳定、难以工业化导致2代生物乙醇的生产成本大大提高。本文从生物乙醇产业发展过程、木质纤维质物质生产生物乙醇的市场前景及纤维素降解酶的研究进展进行综述，为生物乙醇生产产业的提升、纤维素工程菌的研发提供基础。

生物乙醇产业发展过程

从上世纪80年代开始，人们就开始以谷物为原料来生产乙醇用作供氧燃料，这些被业内称为第1代燃料乙醇的原料。在一些国家，如美国、加拿大、巴西、中国等，乙醇已经被广泛地掺入到汽油中来代替纯汽油使用，其中乙醇的体积含量可达到10%。最近美国正在实施一项混合燃油计划E85，即汽车制造商生产一种可使用乙醇混合物E85（85% 的乙醇和15% 的汽油按体积比混合）的汽车[3]。巴西早在1929年就建立了一项利用乙醇作为发动机燃料的计划，并在接下来几年里安装了第一个使用乙醇作为燃料的发动机。1984年，巴西要求新生产的汽车能使用水化生物乙醇（96%的生物乙醇+4%的水）作为燃料[3]。混合燃料的使用不仅可以减少汽油的使用量，还可以降低温室效应气体以及有毒气体的释放。

但是随着世界人口的不断增长，以谷物等第1代淀粉原料生产乙醇就与食品的供应之间存在竞争，这些谷物为原料生产乙醇就不能满足全球的需求。中国在过去三十年中GDP的年平均增长量为10%，这使得中国成为世界上最大的燃料消费国之一，同时也成为世界上造成空气污染最严重的国家。由于大部分的能源由燃烧化石燃料提供，中国政府正努力解决诸如国内因迅速枯竭的石油和天然气资源而越来越依赖进口石油来满足国内一半的实际需求[4]，以及严重的环境污染等问题。为了改善现状，中国政府决定增加使用能源的种类，尤其提倡使用可再生的、排放更少温室气体的燃料，如乙醇这样的生物燃料和生物柴油。由于生物燃料从诸如玉米、木薯、大豆这样的农产品中提取而来，这对改善中国农村人口的经济状况有积极影响。除了向乙醇生产者发放津贴以鼓励乙醇的生产之外，中国政府近年来也强制要求中国十个省份必须销售浓度为10%的乙醇汽油，这些措施使得中国2008年的乙醇产量迅速达到14.6亿升且在2010年达到21.5亿升，一举成为继美国和巴西之后的世界第三乙醇生产大国。尽管中国政府之前要求到2020年国内乙醇的年消费量要达到100亿升，然而由于担心乙醇生产可能与食物生产行业形成竞争，且考虑到国内农村可用耕地数量有限，以及水资源供应短缺的问题，中国政府于2007年宣布暂停国内谷物乙醇的生产。

为了解决这个矛盾，以木质纤维素为代表的非淀粉原料成为生物乙醇生产的重要原料物质。木质纤维素，其结构复杂，有三种：纤维素35%～37%、半纤维(23-25%)和木质素(18-22%)组成。每年光合可产生大于1，500亿吨的植物干物质，其中一半以上是纤维素和半纤维素[5]。另外，人类活动产生的废弃物中也含有大量的纤维素，如农业废物( 稻草、稻壳、麦秆、花生壳、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣等)、食品加工废物(果皮、果渣等)、木材废物(木屑、树皮)以及城市废弃物(40%~60% 固体废物是垃圾和废纸)等。如果能有效地利用生物转化技术将这些纤维素转化成简单糖，再发酵产生乙醇等能源物质，不仅可以变废为宝，而且还可以避免由于化石燃料燃烧所带来的环境污染，更重要的是可以缓解或解决石化能源短缺乃至枯竭所带来世界性能源危机。

木质纤维质物质生产生物乙醇的市场前景

到2020年，全世界从木质纤维素物质生产生物乙醇的产量大约是165亿加仑（合计约625亿升），美国将占有63.9%的市场，欧洲和中国分别将占有10.4%和11.5%的市场[3]。目前，生物乙醇的产业，尤其是非淀粉类的生物乙醇产业主要在于政府的补贴和维持，其原因在于利用木质纤维生产生物乙醇的生产成本较高。第1代淀粉类原料与第2代非淀粉类原料发酵生产生物乙醇不同之处在于前面的预处理和酶解糖化过程。淀粉类原料很容易被酶接触到，就被淀粉酶和糖化酶酶解为葡萄糖(C6糖)，然后葡萄糖再被普通的酵母发酵生产出乙醇，这样，生产工艺环节少，流程短，成本就非常低。但是木质纤维素物质经过自然选择和漫长进化，木质素将半纤维素和纤维素紧密包裹在内部，形成紧密结构，被天然“设计”成可以抵御酶进攻的分子结构。因此与淀粉乙醇不同的是首先要有高温高压蒸汽或结合加酸碱等化学品的预处理技术将紧密结构打开，让酶能够接触到纤维素和半纤维素。纤维素和半纤维素酶解后发酵可以生产出乙醇[6]。纤维素酶解后可得到葡萄糖(C6糖)，半纤维素酶解后可得到木糖(C5糖)，淀粉类和纤维素都是由葡萄糖聚合成的长链结构，只是结合的方式不同而已，因此酶解过程需要的酶是不同的；而半纤维素是由C5糖聚合而成的长链结构，也需要特定的酶。纤维素及半纤维酶的成本更高，这也是导致木质纤维素乙醇成本比淀粉乙醇高的重要原因之一。在每加仑生物乙醇的生产中，利用木质纤维生产，纤维素酶的成本大约是15-20美分，而利用淀粉类生产，淀粉酶的费用仅仅只占到了2－4美分[7]。因此要想提高纤维素生产生物乙醇的市场的竞争力，提高纤维素酶的产量，降低纤维素酶的成本成为解决问题的关键因素。我国是纤维素酶的需求大国，由于纤维素酶的广泛应用，我国市场需求量将以每年25%～35%的速度上升，用纤维素酶产业化生产生物乙醇的关键技术将在未来几年内得到解决，那时我国纤维素酶年需求量将增加到25-40万吨，每年将为我国节省生产燃料乙醇用粮500-1，000万吨[8]。由于产酶菌种落后，产率低，成本高，严重影响我国纤维素酶工业发展，从而阻碍了以木质纤维素为原料的2代生物乙醇工业的发展。

木质纤维素及纤维素降解酶

木质纤维素，其结构复杂，有三种：纤维素(35%～37%)、半纤维(23%-25%)和木质素(18%-22%)组成[9]。纤维素属于可再生自然资源，是生物界最重要的碳源物质，每年由光合作用产生的植物干质量约1，500亿吨，其中纤维素占850亿吨[5]。

纤维素酶(cellulase)是指能够水解纤维素β-1，4-D-葡萄糖苷键，使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称。纤维素酶是一种具有很高活力的木聚糖酶，是一种复合酶，属生物催化剂[10]。纤维素酶主要是指三类关键酶:（1）外切型纤维素酶，系统命名为外切β-1，4-D-葡聚糖酶，又称纤维二糖水解酶(EC3.2.1.91，也称Cl酶)。这类酶作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4-糖苷键，每回依次从纤维素分子中切下一个纤维二糖分子，所以又称纤维二糖水解酶(简称CBH)。（2）内切型纤维素酶，系统命名为内切β-l，4-D-葡聚糖酶(EC3.2.1.4，也称Cx酶或CMCase)。这类酶是纤维素酶中最重要的酶，它作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解β-1，4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带有非还原末端的小分子纤维素。（3）纤维二糖酶，系统命名为β-葡萄糖苷酶(EC2.1.21，也称CB酶)，这类酶将纤维二糖水解成葡萄糖分子。当以上三种纤维素酶的关键酶的活性比例适当时，就能协同作用完成对纤维素的降解，但各个酶组分单独作用时效果极差。所以说纤维素酶降解纤维素时一个协同表达和作用的过程[11-12]。

不同来源的纤维素酶分子特征和催化活性都不尽相同。细菌产生的纤维素酶量少，主要是内切酶，大多数对结晶纤维素没有活性，而且不能分泌到细菌细胞外，常常聚集形成多酶复合体[13]。真菌能产生大量的纤维素酶，产生的酶组分，能分泌到菌体外，一般不聚集成多酶复合体，但可以相互发生强烈的协同作用。纤维素酶分子的大小因来源不同也有明显的差异，变化范围很广。多数真菌和少数细菌的纤维素酶都受到糖基化，所含碳水化合物的比率不同在很大程度上决定了酶的多型性，表现为分子量的差别[14]。纤维素酶的酶活力一般都很低，因而酶生产成本高。据报道，纤维素水解成葡萄糖所需的酶蛋白要比淀粉相应水解所需的大100倍，这是影响纤维素酶实际应用的重要原因之一[3]。

迄今为止，人们已从40多种细菌和数种真菌中克隆到了多种纤维素酶基因，有一百多种基因可在大肠杆菌中表达，大多数克隆的纤维素酶基因能产生信号肽，从而使表达产物部分或全部转移至E.coli的细胞质间隙[15]。虽然克隆到大肠杆菌的基因，不需要载体的启动子就可表达，但表达水平很低，推测可能是其启动子不能完全被识别的缘故。但在大肠杆菌中表达纤维素酶基因存在两个主要问题:一是提取有很大困难，二是表达水平低、酶蛋白不能分泌，离工业化应用的目标还有一定的距离，所以在纤维素酶基因的表达方面人们将目光转向了真核表达系统[16]。

木霉属是研究最广泛的纤维素酶产生菌[6]，世界纤维素酶市场中的纤维素酶20%是来自木霉属和曲霉属[17]。绿色木霉是一种在各种气候带的土壤中能够普遍存在的一种多细胞丝状真菌，能够分泌完全的纤维素酶系，其中产量较高并且稳定，是目前纤维素酶商业化生产的主要生产菌株[18]。对于绿色木霉的研究直到九十年代初仅有CBHⅠ基因克隆的报道，王建荣、张曼夫利用里氏木霉的基因序列同源片段做探针，构建了绿色木霉基因文库，并克隆了CBHⅠ、CBHⅡ基因，并对其基因结构进行了研究[19]。

纤维素酶的合成一般受纤维素诱导及葡萄糖降解物的阻遏，多数菌株纤维素酶的合成既受纤维二糖、山梨糖等的诱导，又为葡萄糖、甘油等易利用碳源的阻遏，还受菌体生长速度的影响[6]。在绿色木霉中，纤维素酶属诱导型酶类，其多个酶组分的表达经过严密的调控。在绿色木霉中能产生分泌型的纤维素酶，当CBHⅡ基因缺失时，会影响纤维素酶系其他酶的表达，而缺失其他基因时，只单独影响自身的表达。另有研究表明CBHⅡ是纤维素酶系统中最先表达的酶，其表达产物进一步诱导其他纤维素酶基因的表达，但CBHⅡ基因的表达受纤维素降解产物葡萄糖的抑制[20]。

随着基因工程技术的发展，定点突变和基因重排技术在纤维素酶的生产工业中的应用越来越广泛。在里氏木霉 (T.reesei) 中，需要产生至少14种酶协同作用才能水解未经化学处理过的植物干物质。为了降低纤维素酶的复杂性，将里氏木霉的CBH1、嗜酸耐热菌的葡聚糖内切酶EI 以及曲霉(Aspergillus niger)的β- 葡萄糖苷酶以90∶9∶1(质量比)混合形成一个三元复合物，此三元复合物在120 小时内水解预处理过的纤维素的能力与李氏木霉中纤维素酶体的水解能力相当。为了提高此三元复合物水解纤维素的活力，利用定点突变的方法对葡聚糖内切酶EI的活性位点进行修饰，结果与突变前的三元复合物相比，其水解纤维素的活性提高了12%[21]。Zinnia R等在里氏木霉菌中应用同源重组技术将外切β－葡萄糖苷酶整合到egl3和xyn3基因启动子的下游，增强了纤维素酶的表达量4倍到7.5倍，这些重组菌株能有效的降解纤维素物质[22]。

生物乙醇及纤维素降解酶的未来发展趋势

随着石化燃料供应的减少，寻找新的能量来源关系到经济的可持续发展乃至人类的生存问题。生物乙醇作为一种可再生的、经济上可承受的，并且对环境安全的能源物质将逐渐成为石油的替代品[2]。由于产酶菌种落后，产率低，成本高，严重影响我国纤维素酶工业发展，从而阻碍了以木质纤维素为原料的2代生物乙醇工业的发展。因此要想提高纤维素生产生物乙醇的市场的竞争力，提高纤维素酶的产量，降低纤维素酶的成本成为解决问题的关键因素。目前纤维素酶工程菌株中不稳定、产酶量不高、难应用于大规模产业化大规模生产等三大难题。利用基因工程技术改造菌种，尤其是纤维素酶基因启动子的改造，在发酵过程中其酶形成过程不受主要代谢产物葡萄糖的抑制，促进其他纤维素酶基因的协同表达，大幅度提高菌株在发酵过程中的产纤维素酶的能力，将是工程菌柱构建的方向，构建不受葡萄糖抑制、稳定、高效的表达纤维素酶工程菌。可以解决本项目的实施将会大大提高纤维素酶的产量，降低木质纤维素生产生物乙醇时纤维素降解成本，从而促进木质纤维素生产生物乙醇产业的发展。

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