鱼精蛋白的研究现状及应用HeilongjiangAnimalScienceandVeterinaryMedicineNo52007鱼精蛋白的研究现状及应用蒙学莲,郑亚东,才学鹏(中国农科院兰州兽医研究所家畜疫病病原生物学国家重点实验室甘肃省动物寄生虫病重点实验室,甘肃兰州730046)中图分类号:Q512.8文献标识码:A文章编号:1004—7034(2007)05—0026—02鱼精蛋白(protamine)又称精蛋白,是一种主要存在于各类雄性动物成熟精巢组织中的多聚阳离子肽,它与DNA紧密结合在一起,以核精蛋白的形式存在.鱼精蛋白是一种小而简单的球形碱性蛋白,一般由30～50个氨基酸组成,其中以精氨酸为主.目前,已从多种鱼类(如鲑鱼,红鳟鱼,鲱鱼等)和哺乳动物(如老鼠,人,野猪等)的成熟精巢组织中提取到了鱼精蛋白.根据氨基酸的种类和数量,鱼精蛋白可分为种:单鱼精蛋白,它的碱性氨基酸仅为精氨酸;双鱼精蛋白,碱性氨基酸除含有精氨酸外,还含有组氨酸或赖氨酸;三精蛋白,碱性氨基酸有精氨酸,组氨酸和赖氨酸.研究表明,鱼精蛋白并不是单一组份,而是由非常相似的数种成分组成的混合物,如红鳟鱼的红鳟精蛋白由6种差异极小的成分组成.鉴于鱼精蛋白抗菌活性的优势及其特殊功能,近年来人们在食品制造业和生物学领域对其进行了研究和应用.鱼精蛋白在形成中的作用及其组成在哺乳动物发生过程中,精原细胞经精母细胞,细胞阶段最终形成成熟的.在细胞阶段,细胞核内鱼精蛋白逐步取代体细胞型组蛋白并与DNA结合,形成高度浓缩的DNA一鱼精蛋白复合体(HPRR),使DNA处于稳定的不转录状态.这时,细胞核高度浓缩,由圆形变为长形,最终形成成熟的.因此,鱼精蛋白在形成过程中有着非常非常重要的作用.在哺乳动物中,鱼精蛋白分为2类,即PI型和PII型.PI型鱼精蛋白存在于所有哺乳动物的细胞中,且在哺乳动物间非常保守;结构极其相似,一般有50个左右的氨基酸残基,N个氨基酸残基且均为ARYRCC(兔除外,为VRYRCC);有多聚精氨酸结构,此结构连接DNA侧沟由两端的半胱氨酸集中部连接.其他脊椎动物的鱼精蛋白,如鱼类,与哺乳动物的PI型相似.PIl收稿日期:2006—04—13基金项目:中国农科院兰州兽医研究所所长基金资助项目(2003)作者简介:蒙学莲(1975一),女,助理研究员,硕士.通讯作者:**鹏(1958一),男,研究员,博士.蛋白仅存在于人,小鼠,仓鼠等少数哺乳动物中,其保守性差.对鱼类鱼精蛋白和哺乳动物PI白的研究焦点是与鱼精蛋白相关DNA的凝聚性,其原因是PI型鱼精蛋白分布的广泛性远超过PII并且细胞中不包含PII型鱼精蛋白的动物更容易获得(如公牛,蛙鱼).鱼精蛋白的抗菌活性和抗菌机理2.1鱼精蛋白的抗菌活性国内外研究表明:鱼精蛋白具有广谱抗菌活性,能抑制枯草杆菌,巨大芽孢杆菌,地衣形芽孢杆菌等微生物的生长,对革兰阳性菌,酵母,霉菌也有着非常明显抑制作用.研究还发现,鱼精蛋白的抗菌活性受多种因素的影响,如金属离子,酸碱度,温度,有机成分和菌种等.与常用防腐剂相比,鱼精蛋白不仅仅具备很高的安全性,而且还具有很多优点:pH值适用范围广,在中性和偏碱性条件下防腐效果更好.热稳定性好,在一定温度(常温至121oC)范围内,鱼精蛋白可以与食品热处理并用,且对其抗菌活性无显着影响;鱼精蛋白杀菌效果迅速,在5～10min就可看出效果.鱼精蛋白有游离型和盐类型2种,前者的抗菌活性较后者更为显着,但稳定性较差,因而高温处理时盐类型鱼精蛋白的活性高于游离型的.虽然二价金属离子对鱼精蛋白的抗菌活性有一定影响,但一价金属离子及食品中的主要营养成分(如蛋白质,脂肪,糖类)对其抗菌活性影响较小.虽然鱼精蛋白具有许多化学合成的食品防腐剂无法比拟的优点,但也存在一些应用上的缺陷:对革兰阴性菌抑菌效果不明显;鱼精蛋白的溶解性较差;在酸性环境下,抗菌活性较差.为解决上述问题,人们研究发现:将鱼精蛋白与甘氨酸和醋酸钠复配后,能明显增强鱼精蛋白对革兰阴性菌的抑制作用;用大豆卵磷脂等乳化剂与鱼精蛋白复配,既解决了其溶解性不好的问题,而且可明显增强鱼精蛋白的抗菌活性;通过与山梨酸钾复配,不仅扩大了抗菌效果的pH值范围,还使二者的抗菌活性产生协同作用,可降低灭菌温度,缩短灭菌时间.2.2鱼精蛋白的抗菌机理最早研究鱼精蛋白抗菌机理的是BenjaminFM,《黑龙江畜牧兽1~}2007期27他认为鱼精蛋白对革兰阴性菌的呼吸系统有抑制作用,从而能够抑制细菌的生长,但并未指出鱼精蛋白是怎样抑制呼吸系统的.在后来的研究中发现,鱼精蛋白的抑菌功能可能与其是一种多聚阳离子有关.AntohiS等人在1979年对鱼精蛋白的抗菌机理进行了探讨,提出鱼精蛋白和微生物的细胞壁相互作用导致其抑菌性的假设.MishiharaT研究发现,鱼精蛋白的加入会立刻抑制微生物细胞对氧和葡萄糖的消耗.由此得出鱼精蛋白的抑菌性可能是它附在细胞表面,破坏细胞膜引起的.从现有资料来看,鱼精蛋白的抗菌机理大致有2种:鱼精蛋白与细胞壁结合,通过破坏细胞壁达到抑菌作用;鱼精蛋白作用于细胞膜,通过破坏细胞的能量转化和营养物质的吸收达到抑菌作用.通过对相关研究的了解,作者认为鱼精蛋白的抗菌效果是这2个部位(细胞壁和细胞膜)效果的叠加,其机理也应为这2种机理的叠加.鱼精蛋白的应用3.1辅助治疗男性不育目前,国内外取得的研究成果表明,鱼精蛋白与生育能力有着密切的关系.鱼精白中的DNA有促进细胞活化,增强机体抵抗力和强化生殖功能的作用;精氨酸具有强化肝功能,解除疲劳及刺激垂体释放性腺激素的作用;此外,鱼精蛋白中还含有较高的微量元素锌,锌盐可使血浆酮水平与数目成倍增加.男性生殖细胞中鱼精蛋白的缺失或量的减少均可能与男性不育有关.人类PII型鱼精蛋白也可能与生育能力有着密切的关系.许多抗生育药均能干扰HPRR,其重要的原因之一就是它们可抑制鱼精蛋白的生物合成,使白组型转化受阻.鱼精蛋白含量下降,白组型发生异常,进而使染色质异常,不能充分分化成熟.正是由于鱼精蛋白中DNA,精氨酸和微量元素的协同作用,使其在辅助治疗男性不育方面有着显着的作用,可治疗因分泌不足和缺乏引起的男性不育症.用雄性大白鼠做动物试验,经5个月口服鱼精白后发现:试验组与对照组相比肌肉中ATP,糖源含量增加;精巢中DNA含量(即数量)增加,生殖能力增强.这提示鱼精白可为男性不育症新药的开发及辅助治疗食品的研究提供优质的天然原料.3.2在食品工业方面的应用近年来,人们正日益密切关注鱼精蛋白的另一项作用——防腐保鲜作用.由于鱼精蛋白完全是天然成分,具备极高的安全性,与已经使用的各种化学抗菌物质相比,具有安全,无毒,无副作用的优点.到目前为止,还没有出现鱼精蛋白对人体有毒害的事件.王松枝等…对鱼精蛋白的安全性研究表明:鱼精蛋 白LD10g/kg,按化学物质毒性分级,可认为鱼精 蛋白属于无毒物质;积蓄系数5,可认为鱼精蛋白为 弱积蓄性物质;对雄性小鼠骨髓微核率没有增加作 用;对小鼠睾丸初级精母细胞染色体未发现有致畸和 致突变作用.据何华报道,在牛奶,鸡蛋,布丁中 添加0.05%～0.10%的鱼精蛋白,能在15下保存 5～6d;而不添加鱼精蛋白的食品在保存的第4 开始腐败变质.因此,可以认为鱼精蛋白是一种对人体无害的,高度安全的,具有很高营养性和功能性的 新型食品防腐剂. 近年来,许多食品研究者对糖基化鱼精蛋白作为 新的功能性乳化剂,起泡剂进行了研究.1994 NaotoshiM等人研究之后发现:精蛋白一半乳甘露聚糖具有良好的乳化特性,其乳化性是精蛋白的6 倍,乳化 稳定性是精蛋白的10 倍,而且在pH 0.2mol/L氯化钠溶液中仍比商业乳化剂(如Sunsoft sE 一16 和SunsoftQ 一18)的乳化特性高. 3.3 鱼精蛋自在生物医学领域中的应用 有资料表明,哺乳动物鱼精蛋白的转录水平是受 翻译水平调节的,二者处于动态平衡,并且在细 胞由圆形向长形分化过程中,PI 型鱼精蛋白mRNA Poly(A)的长度发生了变化,这说明PI 型鱼精蛋白 mRNA 分子的大小可作为分化程度及性成熟与 否的标志.另外,哺乳动物PI 型鱼精蛋白的表达具 有明显的组织特异性和细胞发育阶段特异性,且仅在 睾丸中表达,其表达表现为翻译延迟,此结果支持鱼 精蛋白基因具有进化上保守的观点. 由于鱼精蛋白特殊的氨基酸分子组成,使其比组 蛋白能更紧密地与DNA 结合在一起,从而使中 的遗传物质高度浓缩,转录停止,保护遗传信息 并使其处于不表达状态,保证了受精过程中遗传物质 的正确传递.近年来,人们利用鱼精蛋白的这个特 性,将冻于,使之吸附DNA 溶液,然后将单 注入卵细胞使之受精,使转基因成功率大大提高.还 有人将鱼精蛋白与脂质体一起应用于转基因动物的 研究中,以提高转基因动物的阳性率.人们利用鱼精 蛋白碱性强的特点将其与小分子DNA 结合,使之易 进入细胞,从而提高治疗效果.目前,主要集中在肿 瘤基因治疗方面的促基因转导上.陈宇等成功地 将发生中的特异基因导人肿瘤细胞并得到表达, 观察到了大鼠鱼精蛋白对肿瘤细胞的生长抑制作用. 参考文献: [1]王松枝,安慧敏,孙喜恭,等.鱼精蛋白的毒性实验研究[J].肉 品卫生,1992(3):1—3. [2]何华.国外新开发的几种天然食品防腐剂[J].1~/ll 食品制造业科 技,1995,14(3):21—22. [3]陈宇,费仁仁,吴小芳,等.大鼠精蛋白基因在MEL 细胞中的表 达[J].中国医学科学院,2002,24(6):601—605. (011)