Тутельян В.А. и др. Селен в организме человека

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 1

Селен в природе

и живом организме

Селен в окружающей среде

Селен — элемент VI группы главной подгруппы периодической

системы Менделеева, во многом повторяющий химические свойства

серы. В природе он, как правило, сопутствует соединениям серы и меди

и выделяется в чистом виде при переработке медных руд. Селен ис-

пользуется в промышленности — в производстве полупроводников,

цветного стекла и некоторых красок, а также в множительной технике.

Селен поступает в организм человека из почвы с продуктами рас-

тениеводства и животноводства, что определяет зависимость уровня обес-

печенности микроэлементом от геохимических условий проживания.

Кларк селена в земной коре составляет 1-5х10

-б

?ъ [1]. Среди при-

родных минералов селена наиболее распространены селениды метал-

лов, имеющих большой порядковый номер (свинец, ртуть, серебро,

медь, никель). Эти селениды образуются в основном в гидротермаль-

ных условиях (термальные источники, активная вулканическая дея-

тельность). Такие соединения часто встречаются в сульфидных и ура-

новых месторождениях.

Предельно допустимая концентрация селена в воздухе состав-

ляет IO

-5

мг/м

, в питьевой воде — 1 мкг/л.

Кларк селена в океанской воде составляет 10~

%, среднее содер-

жание селена в речной воде — около 0.2 мкг/л. В родниках, скважи-

нах и соленых озерах селена несколько больше. Так, в Венесуэле уро-

ГЛАВА 1. СЕЛЕН В ПРИРОДЕ И ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ

вень селена в водах, протекающих через пласты с высокой селеновой

минерализацией, достигает 1 мг/л, в США — 9 мг/л. В России выявле-

ны 3 гидрогеохимические провинции с повышенным содержанием

селена в грунтовых водах — Уральская, Тувинская и Алтайская [2]. Боль-

шая часть природных источников бедна селеном, что определяет их

незначительную роль в формировании селенового статуса растений,

животных и человека.

Селеновый пул почвы складывается из неорганических соедине-

ний микроэлемента и органических форм, попадающих в почву вместе

с умершими растениями и животными организмами. Под действием

микрофлоры почвы происходит, с одной стороны, образование форм,

доступных для растений, а с другой — высвобождение селена в атмо-

сферу в результате реакции метилирования (рис. 1). Антропогенное

воздействие, в первую очередь связанное со сжиганием ископаемого

топлива, резко увеличивает долю атмосферного селена таким образом,

что последний, наряду с депонированными в земле формами, становится

важным источником селена для растений.

Диметилселенид

(испаряется, разбавляется и диспергируется)

Атмосфера

Почва

Метилирование

Ингибируется:

высокими

концентрациями

Mo, Hg, Pb, Cr

Катализируется:

пектином,

белками,

аэрацией,

ирригацией,

повышенными

температурами

Усвоение и восстановление

под действием микрофлоры

Неорганический

селен

(Na

SeO

SeO,)

Органический

селен

(5>е-содержащие

аминокислоты

и белки)

Иммобилизация

Рис. 1. Метаболизм селена микробами почвы.

СЕЛЕН В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Не весь селен почвы доступен для растений. Так, в кислых, силь-

но заболоченных почвах биодоступность микроэлемента низка, хотя

общее содержание может быть и значительным. Здесь большое значе-

ние имеет образование нерастворимых комплексов четырехвалент-

ного селена с железом. В аэробных щелочных условиях большая

часть селена находится в окисленной форме (Se

) и легко доступна

для растений.

По способности накапливать селен и противостоять токсичес-

кому действию микроэлемента растения подразделяются на аккумуля-

торов и неаккумуляторов селена. К первым относятся некоторые виды

астрагалов, к последним — большая часть зерновых и зеленных куль-

тур, используемых человеком.

Судьба микроэлемента, поступающего из почвы в такие расте-

ния, различна. Неаккумуляторы способны синтезировать селенсо-

держащие аминокислоты и из них — соответствующие белки, что

при высоких концентрациях селена приводит к дезактивации зна-

чительной части ферментов и, как следствие, гибели растения. Ак-

кумуляторы селена также используют селен в биосинтезе аминокис-

лот, однако последние не участвуют в образовании белков, а акку-

мулируются в вакуолях, делая таким образом селен безвредным для

растения (рис. 2). Естественно, что поедание животными растений

подобных видов может сопровождаться токсикозахми.

SeOi

SeOi ... в корнях^

Бе-цистеин _

± <

Se-UHCTaTHOH Se-HiicTiiH Se-HivraTHOH

* T

Se-MeTnoHHH T

А т Se-MeTtw-Se-HHCTeiiH

у у ^ (растения-аккумуляторы)

БЕЛОК Se-MeTiM-Se-MeTHOHHH

(растения-

неаккумуляторы)

Рис. 2. Метаболизм селена в растениях.

Двойная стрелка — важнейший путь у растений-неаккумуляторов, тонкая стрелка — второстепенный

путь у растений-неаккумуляторов, пунктирная — медленная реакция. *Механизм не установлен.

ГЛАВА 1. СЕЛЕН В ПРИРОДЕ И ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ

В биосфере, таким образом, миграция селена осуществляет-

ся по пищевой цепи: из почвы в растения, далее в организм жи-

вотных, а первые и вторые служат источником селена для чело-

века (рис. 3).

Селен Селен ^^ Селен

почвы ^^ растений ^^ животных

Селен Jj

человека

Рис. 3. Пищевая цепь переноса селена.

Такая взаимосвязь определяет решающую роль почвы в форми-

ровании селенового статуса живых организмов. Данные табл. 1 хо-

рошо иллюстрируют географические различия накопления селена

растениями.

В пшенице содержание селена в зависимости от места произра-

стания может варьировать в пределах 4-21 400 мкг/кг, в люцерне — в

пределах 10-5000 мг/кг 11]. В США и Канаде содержание селена в пше-

нице составляет около 600 мкг/кг, в районах токсикоза — до 2 мг/кг,

в России — 80-120 мкг/кг, в селендефицитных биогеохимических про-

винциях Китая — до 5 мкг/кг, в селендефицитной Читинской облас-

ти — 6-28 мкг/кг.

Географические различия в поступлении селена из почвы в рас-

тения, а из них в организм сельскохозяйственных животных и пти-

цы для некоторых других стран мира представлены в табл. 2. Как вид-

но из приведенных данных, наименее подвержено географической за-

висимости содержание селена в рыбе.

Содержание селена в продуктах питания городов России (с уче-

том привозных продуктов) колеблется в пределах (в мкг/кг): мука

пшеничная — 80-600, мука ржаная — 6-70, крупы — 10-200, хлеб

пшеничный и ржаной (в пересчете на сухую массу) — 60-400 и

50-300 соответственно, говядина — 100-400, колбасы — 60-200, цып-

лята — 200, рыба 150-450, морепродукты — 300-600, молоко сухое —

Таблица 1. Содержание селена (мкг/кг) в некоторых зерновых Китая [3]

Характеристика района

Кукуруза Рис

Соя

Токсические концентрации селена в почвах 8100

4000 11900

Нормальные условия произрастания 36

35 69

Селендефицитный район 5

7 10

СЕЛЕН В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Таблица 2. Содержание селена (мкг/кг) в некоторых продуктах питания а разных стра-

нах мира

Продукт США

Новая

Зеландия

Венесуэла

Германия

Китай

Продукт США

Новая

Зеландия

Венесуэла

Германия

район

селеноза

район

дефицита

селена

Зерновые

30-660

4-90

132-510 30-880 1060-6900 5-20

Говядина 50-270 10-40

170-830 130-280 —

10-30

Птица (куры) 40-150 50-100 100-700 50-150 —

20-60

Рыба 190-1900 30-310

320-930 240-530

—

30-200

Молочные продукты 10-240 13-25 110-430 10-100

—

2-10

10-150, молоко цельное — 10-15, творог, сыры — 100-150, яйца —

100-250.

Овощи и фрукты содержат крайне мало селена и являются по-

этому плохими источниками микроэлемента для человека.

Метаболизм селена у животных до известной степени сглаживает

влияние на организм человека предельно высоких или крайне низких

концентраций селена в почве. Однако отдельные органы животных

(особенно печень, почки) могут накапливать микроэлемент в высоких

концентрациях.

При употреблении в пищу исключительно местных продуктов

влияние геохимической специфики местности может иметь решающее

значение в обеспеченности организма человека селеном, вызывая се-

лендефицитные состояния или токсикозы. Вода, как правило, не вно-

сит значимого вклада в поступление селена в организм животных и

человека, однако атмосферные осадки являются важным источником

селена для растений [1].

Известны несколько биогеохимических провинций мира с глу-

боким дефицитом селена в почве и эндемичных регионов с токсичес-

кими концентрациями микроэлемента в окружающей среде.

К первым относят некоторые провинции Китая, Новую Зеландию,

Бурятию и Читинскую область, ко вторым — Барыкинскую долину Ту-

вы, западные штаты США (американская Великая равнина), отдельные

районы Канады, Мексики, Австралии, Китая, а также зоны добычи и

переработки сульфидных, урановых, медных и некоторых других руд.

Сюда же можно отнести отдельные районы Средней Азии, Южного

Урала, Минусинскую впадину.

С учетом данных о накоплении селена в растениях, а также из-

вестных химических характеристик почв составлены карты распреде-

ления микроэлемента на территории США и Канады (рис. 4), Китая

(рис. 5) [2] и России (рис. 6) [4].

ГЛАВА 1. СЕЛЕН В ПРИРОДЕ И ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ

Рис. 4. Содержание селена в зерновых США и Канады.

/ — около 80% зерновых содержат селена менее 100 мкг/кг, 2— около 50% зерновых содержат

селена более 100 мкг/кг, 3 — 80% зерновых содержат селена более 100 мкг/кг.

Рис. 5. Содержание селена в зерновых Китая.

1 — дефицит селена (менее 25 мкг/кг), 2 — пониженное содержание (25-40 мкг/кг), 3 — умерен-

ное содержание (40-70 мкг/кг), 4— высокое содержание (более 70 мкг/кг), 5— данные отсутству-

ХИМИЧЕСКИЕ ФОРМЫ СЕЛЕНА

ЖИВЫХ ТКАНЯХ

Рис. 6. Содержание селена в растениях и почве России.

1 —- выраженный дефицит селена, 2 — умеренный недостаток селена, 3 — относительно нормаль-

ный уровень селена в среде, 4 — повышенное содержание селена в растениях и среде, 5 — участки

селеновых аномалий и потенциальных биогеохимических гиперпровинций.

Литература

1. Сиделъпикова В Д. Геохимия селена в биосфере // Проблемы биогеохимии и

геохимической экологии. M.: Наука, 1999- Т. 23. С. 81-99-

2. Ермаков ВВ., Ковальский ВВ. Биологическое значение селена. M.: Наука, 1974.

3. Селен. Гигиенические критерии состояния окружающей среды. Женева:

ВОЗ, 1989.

4. Ермаков ВВ. Геохимическая экология как следствие системного изучения

биосферы // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. M.: Наука,

1999. Т. 23. С. 152-182.

Химические формы селена

и живых тканях

У растений важнейшей химической формой селена является се-

ленометионин (Se-Met). Большая часть селена в животных тканях при-

сутствует в виде Se-Met и селеноцистеина — Sec (рис. 7). Первый вклю-

чается на место метионина в различные белки, второй участвует в об-

разовании активного центра целого ряда селенсодержащих белков

(СБ) — глутатионпероксидаз (GPX), йодтирониндейодиназ (ID) и се-

ленопротеина P (SelP). Могут присутствовать и другие формы, т.к. се-

лен тканей до сих пор полностью не охарактеризован.

ГЛАВА

СЕЛЕН

ПРИРОДЕ И ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ

Селенометионин

Селенометиониновый

пул организма

(селенометионин

тканевых белков)

Селеноцистеин

Селенит

Селенат

Селеноцистеин

белков Транспортная

форма

Экскретируемые

формы

Рис. 7. Утилизация диетического селена.

Se-Met не синтезируется в организме, не регулируется селеновым

статусом животного и может рассматриваться как нерегулируемый за-

пас селена. Когда потребление диетического селена прекращается, по-

требность организма в микроэлементе обеспечивается за счет круго-

оборота пула Se-Met. Действительно, при смене района высокого по-

требления на район селенового дефицита уровень селена в крови

у мигрантов снижается очень медленно [1] при сохранении активности

селензависимой GPX эритроцитов.

Sec — форма селена, ответственная за биологическую активность

микроэлемента, поскольку присутствует в активном центре всех изве-

стных в настоящее время СБ [2]. Регулирование этого высокореакцион-

ного соединения, необходимое, чтобы свести к минимуму его участие

в биохимических реакциях вне клетки, происходит на клеточном

уровне. В настоящее время отсутствуют данные о возможности заме-

щения цистеина на Sec в белках, как это происходит с Se-Met. Посколь-

ку Sec включается в тРНК, не исключена возможность существования

других биологически активных форм микроэлемента [3].

Литература

1. Robinson

MJF.

The moonstone: more about selenium // J. Hum. Nutr. 1976. Vol. 30.

Р. 79-91.

2. Gladyshev KJV, Hatfield DL. Selenocysteine-Containing proteins in mammals

// J.

Bio-

med. Sci. 1999. Vol. 6, N 3. Р. 151-160.

Wittwer

Af Ching W-M. Selenium-Containing tRNA and tRNA Lys from Escherichia coii: ри-

rification, codon specificity and translational actiVity // Biofactors. 1989. Vol. 2. Р. 27-34.

Селене о держащие белки

Биохимические функции селена определяются СБ. Недостаток

микроэлемента может приводить к нарушению клеточной целостнос-

СЕЛЕНСОДЕРЖАЩИЕ БЕЛКИ

ти, изменению метаболизма тиреоидных гормонов, активности био-

трансформирующих ферментов, усилению токсического действия тя-

желых металлов, повышению концентрации глутатиона в плазме [1,2].

Характерной особенностью СБ млекопитающих является то, что они,

по-видимому, связаны с окислительно-восстановительными процесса-

ми, происходящими внутри клетки и вне ее [3]. К настоящему време-

ни охарактеризованы 12 СБ, к числу которых относятся ферменты —

GPX, ID, тиоредоксинредуктаза (TR) и селенфосфатсинтетаза (SPS)

со-

держащие в активном центре Sec [4]. Данные изотопного анализа и ре-

зультаты теоретических исследований позволяют предполагать, что в

организме млекопитающих может насчитываться от 20 до 100 СБ [5].

GPXl (cGPX) — клеточная GPX [6] — является наиболее распро-

страненным СБ крыс и, по-видимому, присутствует во всех клетках

организма млекопитающих, локализуясь в цитозоле. Присутствие этого

фермента особенно важно в эритроцитах и печени, где образуется

значительное количество свободных радикалов. Молекула cGPX со-

стоит из 4 одинаковых субъединиц с молекулярной массой 22 кД, каж-

дая из которых содержит по одному остатку Sec [7]. Предполагают, что

фермент может не только служить в качестве антиоксиданта, восста-

навливая гидроперекиси в присутствии восстановленного глутатиона

(GSH), но и использоваться организмом как селеновое депо [8]. Так,

при дефиците селена у лабораторных животных активность cGPX со-

ставляет менее 1% от исходного уровня, однако это не приводит к

видимым изменениям в клеточном метаболизме [9]. У мышей, не об-

ладающих геном cGPX, оксидантные условия не приводили к каким бы

то ни было генотипическим изменениям [10]. С другой стороны, необ-

ходимость cGPX для предотвращения у мышей вирусиндуцированного

миокардита предполагает важную роль фермента в защите клеток от

стресса [11]. По-видимому, в обычных условиях функция cGPX может

быть компенсирована другими клеточными компонентами.

Существует гипотеза, согласно которой cGPX определяет хемо-

защитные свойства селена. Экспрессия этого фермента в больных

клетках часто нарушена [12]. Показано, что в некоторых раковых клет-

ках активность GPXl и TR регулируется особыми механизмами [13].

6РХ2 (GPX-GI), в отличие от cGPX, которая найдена во всех

клетках, характерна только для эпителия желудочно-кишечного тракта

[14]. ОРХ2 обладает субстратной специфичностью, аналогичной тако-

вой GPXl, и состоит из 4 идентичных субъединиц. ОРХ2 обнаружи-

вается в цитозоле и содержит, так же как и cGPX, по одному остатку

Sec в каждой белковой цепи. Сходство в структуре этих двух фермен-

тов, однако, весьма ограниченное, поскольку антитела к GPX-GI не

взаимодействуют с cGPX [15]. В желудочно-кишечном тракте актив-

ность GPX-GI составляет около 50% от общей глутатионпероксидазной

активности [16]. Установлено, что фермент синтезируется в печени и

ГЛАВА 1. СЕЛЕН В ПРИРОДЕ И ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ

ободочной кишке [7], что указывает на его участие в первичной защите

от оксидантов, поступающих с пищей [17].

ОРХЗ (pGPX) — межклеточная GPX, или GPX плазмы, представ-

ляет собой гликопротеин, восстанавливающий свободные и этерифи-

цированные гидроперекиси и перекиси жирно-кислотных остатков

фосфолипидов в присутствии GSH, контролируя таким образом уро-

вень перекисей вне клетки [18]. Поскольку GSH в плазме крайне мало,

предполагают, что донорами электронов могут служить тиоредоксин,

TR или глутаредоксин [19], а сам фермент имеет относительно низкую

активность по сравнению с другими GPX [20]. ОРХЗ секретируется

почками, печенью и тканями легких [21]. По своей структуре фермент

сходен с cGPX и GPX-GI: содержит четыре одинаковых субъединицы,

в каждой из которых имеется по одному остатку Sec [15]. Окончатель-

но функциональная роль этого фермента не ясна. Поскольку актив-

ность pGPX восстанавливается быстрее, чем активность cGPX, то, по-

видимому, функциональная значимость первого фермента выше [22].

ОРХ4 (PHGPX) — фосфолипид гидропероксид GPX — в отли-

чие от GPXl и СРХ2 является мономером (молекулярная масса око-

ло 19 кД) и представляет собой одну из субъединиц cGPX или pGPX

[23,24]. Локализуется преимущественно в семенниках, но найдена во

многих тканях во фракции мембран и в свободном виде в цитозоле

[25]. Этот фермент осуществляет восстановление гидроперекисей жир-

но-кислотных остатков фосфолипидов без предварительного гидро-

лиза фосфолипазой А [26] и является единственной GPX, выполняю-

щей такую функцию. Действительно, это единственный липофильный

фермент из группы GPX, проявляющий высокую аффинность по отно-

шению к мембранам [27]. Кроме того, функционирование этого фер-

мента не требует участия GSH, поскольку в реакцию могут вовлекаться

другие тиольные соединения [24]. PHGPX также может восстанавливать

гидроперекиси холестерина, его эфиров и фосфолипидов [27]. В ус-

ловиях дефицита селена последний включается в первую очередь в

ОРХ4 и только затем — в cGPX. Интенсификация синтеза йРХ4 в се-

менниках после пубертатного периода предполагает, что этот фер-

мент, наряду с другими СБ, может играть важную роль в репродуктив-

ной системе мужчин [28].

ID — группа из трех оксидоредуктаз, регулирующих активность

тироксина путем каталитического дейодирования 5- или 5'-колец это-

го гормона. Эти ферменты, обладают рядом общих свойств, хотя и

играют различную роль в активации и дезактивации тироксина. Ос-

таток Sec расположен в активном центре каждого белка и, по-видимо-

му, участвует в переносе йода. Каждая йодиназа представляет собой

мембранный белок и содержит гидрофобную аминокислотную после-

довательность на Ы-конце белковой цепи [29]. В экспериментах на жи-

вотных показано, что одновременный дефицит селена и йода приво-