淡水渔业) 2 0 0 5 年增刊 鱼类转铁蛋白的基础研究与应用前景 龙华 ( 中国水产科学研究院长江水产研究所， 农业部淡水鱼类种质资源与生物技术重点开放实验室，湖北荆州4 3 4 0 0 0 ) 鱼类是人类主要的蛋白质来源之一，具有重要 的经济价值。当前，在我国渔业生产发展上，由于自 繁自育，亲本品种混杂，鱼类群体内和群体间基因杂 交的机会增大，许多鱼类优良品种的性状趋于退化、 抗逆性能下降，鱼类种质资源未能得到很好保护和 利用，鱼类病害较为严重，严重影响渔业生产和经济 效益。因此，在世界发达国家已开始重视水产养殖 的今天，加强鱼类遗传育种的基础和应用基础研究， 是进一步强化我国水产大国的国际地位、顺应国际 发展趋势的迫切要求，更是我国国民经济的重大战 略需求。 1 养殖密度与溶氧量 水体溶氧量是水体中溶解分子状态氧的多少， 通常用溶解氧( D O ) 表示，单位为m g L 。在2 0 和 l 大气压情况下，空气中的氧气含量为2 1 0m g L ，而 纯水中饱和溶解氧含量为8 1 0m g L 。一般水体 中，0 lm 为光合增氧层，1 1 5m 为过渡层， 1 5 m 一底层为呼吸耗氧层。一天中不同时间以及 一年中不同季节，水体的溶氧量存在一定差异。水 体溶氧量受水温、水流、水深、光照、气压、风速以及 溶质等因子的影响，同时 这些因子也与水生生物的 生长发育密切相关：( 1 ) 水温，是随着时间和空间变 化而变化的环境因子，它不仅影响水体的许多理化 因子( 包括溶氧量) ，而且直接影响鱼类本身的生理 活动。当水温升高，新陈代谢增强，对氧的需求增 加；当水温降低，新陈代谢减弱，对氧的需求减少。 ( 2 ) 水深，或水层，不同水层的溶氧量不同。一般情 况下，上层水域溶氧量较大，下层和底层水域溶氧量 较小。当水深度超过7m 时，可形成温跃层，水压亦 增加，溶氧量变化较大；至于深海底层，水压更大，其 溶氧量达到最低。( 3 ) 气压。水体溶氧量与空气氧 分压和水汽含量有明显关系：空气中氧密度减小。溶 解于水中的氧气减少。青藏高原的水体溶氧量明显 低于内陆水体的溶氧量；湿空气中水汽的存在，使 氮、氧等气体的密度发生变化，进而影响水体的溶氧 量。( 4 ) 光照，可以直接对藻类和水草产生作用，增 加水体中的氧气( 约占全部溶氧来源的9 4 9 5 ) 。光不仅作为能量来源进入水域生态系统， 而且对水生生物的活动、生长以及性腺发育产生影 响。( 5 ) 风速。风越大，水面的浪花越大，有更多的 分子氧溶解进入水中，而且白天的溶氧量下风处高 于上风处，晚上相反；溶氧主要增加于表层和上层水 域( 约占全部溶氧来源的4 5 ) 。( 6 ) 水流，即 水的流速。微流对养殖品种生长发育具有促进作 用。水流大，水中的溶氧就多( 约占全部溶氧来源 的1 左右) ，但水体中气体过多可能引起气泡病， 三峡大坝下游的鱼苗就出现大量的气泡病。 水生生物与水体中氧的相互关系，包括动物耗 氧、植物产氧、排泄物影响以及微生物影响等。物质 循环与新陈代谢对水体溶氧量的影响最为直接，如 光合作用、氧化作用、硝化作用等。一般鱼类适宜的 溶解氧为3m g L 以上；养殖鱼类最适溶解氧在5 8m g L 。当水中溶解氧小于3m g L 时，鱼不摄食， 停止生长；小于2m g L 时，鱼就会浮头；在0 6 0 8m g L 时，鱼就开始死亡。对于耐低氧鱼类而 言，溶解氧的需求相应减少。养殖品种的耗氧率和 窒息点临界含氧量两个指标，均为水中溶解氧正常 的情况下鱼类呼吸能力的主要参数。实践证明：在 正常溶氧和室温下，中上层鱼类的耗氧率比中下层 及底层鱼类的耗氧率低；中上层鱼类的窒息点临界 含氧量比中下层及底层鱼类的窒息点临界含氧量 高，而底层鱼类最低。不同养殖品种的最适溶氧量、 耗氧率和窒息点临界含氧量等均有较大差异。 2 转铁蛋白与耐低氧 鱼类对溶解氧的适应机制主要是依靠其心脏和 血液循环。鱼类是变温动物，其循环系统的构造比 较特殊：绝大多数鱼具有静脉窦( 连接心房) 和动脉 球( 连接心室) ，可以贮存大量血液；单心室和单心 4 3 房分别直接与动脉和静脉连接，缩短循环路线；心脏 内完全是缺氧血，经过鳃进行气体交换，变成含氧 血，为单循环。其次是红细胞。鱼类、两栖类和爬行 类的红细胞有核，其中，鱼类红细胞的变形能力最 差，在微血管中的运动能力较弱，更有利于气体交 换；鱼类红细胞渗透压最低，容易与环境进行气体和 物质交换；青藏高原的某些淡水鱼( 如白缘伍央( 弘 o b a g r u sm a r g i n a t u sG u n t h e r ) ) 还具有多种类型的红 细胞，以适应高原低氧高寒的环境；低温水域或冷水 性鱼类的红细胞数量相对较少，与鱼类的活动量相 对较少有关。 影响鱼类血液循环并与溶解氧关系最为密切的 是血红蛋白和( 血清) 转铁蛋白。血红蛋白 ( H B ，h e m o g l o b i n ) 是一种存在于红细胞中的能与 亚铁原卟啉相结合的无色珠蛋白( g l o b i n ) ，含亚 铁原卟啉为深红色。脊椎动物H B 含有一对O f 链和 一对B 链，每条链环绕1 个亚铁血红素，四聚体 是一个球形分子，分子量在4 0 ，0 0 0 6 4 ，4 0 0 之 间。每个H B 分子可逆地结合4 个氧分子，约有 5 的H B 分子被糖基化。一些无脊椎动物H B 为 二聚体、四聚体或多聚体( 如盐水虾H B 分子量为 2 6 0 ，0 0 0 ，蚯蚓H B 分子量为4 ，1 0 0 ，o o o ) ，某些 鱼类H B 结合氧后分解为二聚体。H B 的主要生理 功能是在脊椎动物和某些无脊椎动物红细胞中运输 氧气，氧合过程具有协同效应。若结合了三价铁离 子，则形成高铁H B ，不能结合氧分子。一些耐低 氧生物的H B 分子有单个氨基酸替换，具有更强的 氧亲和力。在红细胞数相同情况下，中下层和底层 鱼类( 如鲤鱼、黄鳝、泥鳅、大口鲇等) H B 含量 高，表明底层鱼类能吸收更多的氧，生存能力更 强，但没有性别差异。 ( 血清) 转铁蛋白( T f ，t r a n s f e r r i n ) 是一种存 在于血清中的能与铁离子相结合的无色球蛋白 ( g l o b u l i n ) ，含铁离子为橙红色。每个分子可逆地 结合2 个三价铁离子，分子量在7 0 ，0 0 0 8 0 ，0 0 0 之间( 文昌鱼T f 为半分子，分子量 5 2 ，0 0 0 ；螃蟹T f 为二聚体，分子量1 5 0 ，0 0 0 ) 。 T f 为单一肽链，呈Y 字型，含糖约6 ( 如鳙鱼含 2 6 3 ，白鲢含5 0 1 ，但有些鱼类不含糖基， 如六须鲇、丁鱼岁、草鱼等) 。T f 的主要生理功能 是在脊椎动物和某些无脊椎动物血清中将从食物中 吸收到血液中的铁运输到机体的需铁部位，其两个 结构域结合铁的过程也具有协同效应。底层鱼类 T f 多态性较中下层鱼类T f 多态性复杂，而后者又 4 4 较中上层鱼类T f 多态性复杂，这是由于底层鱼类 生活在溶氧量低于表层水域的底层水域中，血清中 T f 含量高而且种类多样化，因而更能适应各种环 境，生存能力更强。 已经证实：含铁T f 必须与细胞膜上的受体 ( T f R ) 形成复合物，才能完成铁离子转移的生理 过程。实际上，在脊椎动物体内存在一个由T f ( F e 3 + 载体) 、T f R ( F e 3 + 传输媒介) 、D M T I ( 二价 金属离子转运蛋白，F e 2 + 载体) 、H e m e ( 亚铁原卟 啉，F e 2 + 受体) 、H B ( 血红蛋白，H a e m o 西o b i n ， F e 2 + 能量受体) 、肌红蛋白( M y o g l o b i n ，F e 2 + 能量 受体) 、呼吸链酶系( F e 2 + 能量受体) 、F n ( 铁蛋 白，F e r r i t i n ，铁离子仓库) 、含铁血黄素( H e m o s i d e r i n ，铁离子仓库) 等构成的铁离子代谢的网络 系统。T f 在铁离子的代谢平衡中起着关键作用的 作用，不仅连接着上述网络系统中的各种铁离子配 体，而且又与呼吸系统和血液循环系统紧密联系。 在低氧状态下，通过加快铁离子转运过程( 结合 一释放_ 结合) ，使红细胞内三价铁离子浓度增 加，电子需求增加，从而降低血红蛋白的氧亲和 力，达到释放氧气的目的。这是水生动物适应充分 利用水体中有限溶解氧的生理机制。 3 转铁蛋白的生理功能 3 1 转铁蛋白生理功能的全能性 从生理学角度来看，生命体中的蛋白质具有五 大生理功能，即：构成组织细胞、提供细胞热能、 参与呼吸运输、参与代谢调节与催化以及防御保护 功能。通过对T f 生理功能的分析可以发现：首先， T f 包括血( 清) 转铁蛋白( S e r o t r a n s f e r r i n ，S T f ， 来源于脊椎动物血清) 、卵( 清) 转铁蛋白 ( O v t r a n s f e r r i n ，O T f ，来源于鸟类卵清及血清) 以 及乳( 清) 转铁蛋白，也称为乳铁蛋白( L a c t o t r a n s f e r r i n ，L T f ，来源于哺乳动物乳汁及其它分泌 物等) 。很明显，它们都是构成脊椎动物体液及细 胞不可缺少的成分。其次，T f 还具有调节铁离子 平衡和能量平衡的作用。T f 在生物体内有调节铁 离子平衡和能量平衡的双重作用，即T f 在机体中 的铁离子交换动力学不仅包括物质的质量的变化， 也包括物质的能量转化。再次，T f 是脊椎动物呼 吸链( 或称呼吸网络) 中的关键因子，它直接参 与铁离子的运输与代谢。T f 运输的铁离子被运输 到成红细胞供合成血红蛋白用，参与血液循环。此 外，T f 参与细胞增殖和免疫系统的调节。 3 2 转铁蛋白的网络功能 许多细胞( 如胎盘组织、网状细胞、肾脏组 织、肿瘤细胞等) 表面都含有T f 受体( T f R ) ， T f R 插入在细胞表面，它提供磷酸丝氨酸残基和共 价的限制性脂肪酸。已经证实：含铁T f 必须与细 胞膜上的受体形成复合物，才能完成铁离子转移的 生理过程。其主要过程是：T f 将吸收的F e 3 + 运输 到铁的储藏部位( 肝脏和脾脏) ，或者到骨髓中的 网织红细胞和其前体。在血液中，铁通过铁离子 ( F e ”及F e “) 螯合剂( C H E L ) ，形成F e 3 + 一T f C 0 3 2 一复合物。同时，T f 与细胞膜上的T f 受体 T f R 结合，F e 3 + 一T f C 0 3 2 一复合物被吸附在细胞 膜上。又由于氧化还原的作用，F e 3 + 及F e 2 + 相互 转化，F e 2 + 进人细胞，并与细胞中的F e 2 + 受体一 一亚铁原卟啉( H e m e ) 结合，继而生成血红蛋白 ( H a e m o d o b i n ，H b ) 。 在铁离子的传递过程中，铁离子有两个层次的 氧化还原作用：( 1 ) ，通过铁离子螯合剂，与T f 形 成F e “一T f C 0 3 2 一复合物；( 2 ) ，T f 必须与细胞 表面的T f R 结合，使F e 3 + 一T f C 0 3 2 一复合物被 吸附在细胞膜上，接着藉内吞作用进入细胞并释放 出铁，继而生成H b 。最后，由于a p o T f ( 脱铁转 铁蛋白) 与T f R 的结合较弱，T f 再作为a p o T f 回 到血液中去。T f 在铁离子的代谢平衡中起着关键 作用的作用，不仅连接着网络系统中的各种铁离子 配体，而且又与呼吸系统和血液循环系统紧密联 系。在脊椎动物体内的血液循环过程中，由于血管 系统的存在，使得T f 在血液和细胞中能够