硒的生物功能

第12卷　第3期聊城师院学报(自然科学版)V o l.12N o.3 1999年9月Journal of L iaocheng T eachers U niversity(N at.Sci)Sep.1999

硒的生物功能α

宋兴民1) 许恒龙2) 张书光1)

(1)聊城师范学院设备处,聊城252059;2)生物系)

摘　要　谷胱甘肽过氧化物酶、甲状腺素5′脱碘酶等多种含硒酶的作用机制已研究得较为详细.缺硒是克山病发病的直接因素.体内适当的硒含量具有抑癌功能.

硒蛋白中硒参入到蛋白分子是通过硒半胱氨酸2tRNA识别m RNA中特导的U GA密码子将硒半胱氨酸插入到硒蛋白中的1

关键词　硒酶,自由基,抑癌功能,表达调控

分类号　G613152

自1975年Schw arz发现硒的营养作用以来,硒的生物功能引人注目,大量的国内外研究人员对硒的作用进行了深入的研究1现已发现十三种含硒蛋白质或亚单位,对硒蛋白的基因表达和调控过程也取得了新的进展,硒蛋白的研究价值正在被越来越多的人们所认识1

1　含硒酶[1～4]

1.1　谷胱甘肽过氧化物酶(GSH2Px)

谷胱甘肽过氧化物酶(GSH2Px)是Ro truck首先发现的.该酶分子量为7692KD,由四个相同的1923KD的亚基组成1硒是GSH2Px的必需组分,现已从人、牛、羊的红细胞及大鼠肝中分离制备了结晶酶1该酶以Se2Cys(硒代半胱氨酸)为活性中心,催化还原型谷胱甘肽(GSH)+H2O2?氧化型谷胱肽(GSSG+H2O)或

GSH+ROO H?GSSG+RO H+H2O

其中ROO H代表脂质过氧化物、过氧化DNA和各种碱基、芳香基过氧化物1其生物学功能是抗氧化,对细胞膜及血红白有显著的保护作用,主要催化亲水性过氧化物的还原.

1.2　磷脂过氧化氢谷胱甘肽过氧化物酶(PH GPx)

PH GPx是现在研究得较为清楚的一种硒酶,分子量为2.2KD,以一种单体形式存在,活性中心为Se2Cys1该酶催化

ROO H+2R′SH

RO H+R′SSR′+H2O

其中ROO H表示过氧化物类,R′SH表示硫基化合物类1α

该酶主要催化亲脂性过氧化物的还原,与V E 有协同作用1PH GPx 存在于所有含硒和非硒GSH 2Px 存在的组织中,说明PH GPx 和GSH 2Px 及其他过氧化物酶组成一个还原各种过氧化物的多级酶系统1PH GPx 与GSH 2Px 的作用机制一样,为三元乒乓机制1

E 2SeH +ROO H →E 2SeO H +RO H

E 2SeH +GSH →E 2SeSG +H 2O

E 2SeH +GSH →E 2SeH +GSSG

1.3　甲状腺素5′2脱碘酶(T 45′2D )

T 45′2D 是存在于细胞膜的含硒蛋白,它的发现是硒研究史的一个里程碑[5]1T 45′2D 使甲状腺素(T 4)转变为活性强的三碘甲腺原氨酸(T 3),其活性对甲状腺素的生理作用十分重要,在T 45′2D 中硒以硒代半胱氨酸的形式存在,硒为该酶活性中心所必需1体内

T 45′2D 的活性随体内硒水平下降而降低,缺硒与甲状腺疾病如粘液水肿型克汀病密切相关1

1.4　硒蛋白P

天然硒蛋白P 的分子量为8KD ,已测得硒蛋白P 在血浆含量为51±3.7Λg mL ,而缺硒大鼠血浆中硒蛋白P 含量则低于5Λg mL ,M o tsenbocker 和T app el 曾报道该蛋白质中硒的形式为Se 2Cys ,并认为硒蛋白P 是一种硒转运蛋白,硒蛋白P 含有很多个巯基和硒,揭示它有很强的还原能力,有的研究者认为它可能也是一种氧化还原酶1

1.5　其它硒蛋白

现已鉴定的细菌硒酶有以下几种1

1.5.1　依赖硒的甲酸脱氢酶1该酶催化无氧条件下的下列反应:HCOO H ?H 2O +CO 2,此酶的合成与硒有应答关系1该酶分子量约为600KD ,有四个分子量为110KD 的亚基,每个亚基含有一个硒原子,以Se 2Cys 的形式存在1

1.5.2　细菌甘氨酸还原体系中的A 蛋白1甘氨酸还原酶催化

甘氨酸+R (SH )2+P i +AD P →CH 3COO H +N H 3+R S

S +A T P

该酶系统由A 蛋白(12KD )、B 蛋白、C 蛋白三种亚基组成1A 蛋白是一种酸性、热稳定性的小分子蛋白质,每摩尔A 蛋白含有一摩尔硒原子1

11514　烟酸羟化酶1分子量为300KD ,催化N

COO H

+H 2

O +

NAD P +N O COOH +NAD PH +H +

1.5.5　硫解酶1分子量为160KD ,催化乙酰乙酰CoA +CoA ?2乙酰CoA

1.5.6　依赖硒的氢化酶1这是Yam azk i (1982)首先从产甲烷菌M .V ann ielli 中获得的,氢化酶是自氧微生物的一种重要的代谢酶,催化H 2?2H +2e ,上述细菌硒酶除硫解酶外,

53第3期宋兴民等:硒的生物学功能

63聊城师院学报(自然科学版)第12卷

均属于氧化还原酶,硫解酶是迄今发现的唯一的非氧化还原酶,其中硒以硒代氨基酸形式存在1由于硒进入生物体内可代谢为硒化氢一类的硒化物,而硒化物易与包括蛋白质在内的大分子结合成加合物而给硒蛋白的分离纯化带来许多困难,因此,目前这些蛋白质的认识多数仍限于实验性推断1

现已发现的动物硒蛋白有

1.5.7　10KD肌肉硒蛋白1分子量约为10KD,Petersen等(1972)从羔羊肌肉中发现1 1.5.8　精子硒蛋白1分子量约为17～20KD,因硒能保护精子不发生中段断裂,故而推测硒可能在精子蛋白中起结构作用1Pallin i和B acci(1979)首先在大鼠后来在牛的精子中证实了这种蛋白质的存在1许多植物也有摄取、蓄积硒的能力,植物体内只有保持一定量的硒才能正常生长,已证实存在的植物硒蛋白有多种,但其存在的形式众说不一,常见的有硒代胱氨酸、硒代半胱氨酸及甲基硒丁氨酸1

2　硒与自由基的清除

在机体代谢过程中,弱键的均裂、核酸主键的断裂、碱基解聚、单电子的氧化还原反应、光分解、氢键的破坏、多肽链的断裂、蛋白质交联、透明质酸解聚、脂类过氧化作用以及线粒体生物能量的产生过程中都可产生氧自由基,而且体外环境中的辐射、药物、臭氧、NO2也都能使体内产生自由基1自由基有超氧离子自由基(O2-)、羟自由基O H、过氧化氢等几种形式1自由基的毒性在于它能引起脂质过氧化,导致生物膜损伤,引起细胞功能的多方面异常1近年来,关于自由基引发的脂质过氧化作用的研究已涉及到肿瘤、感染、炎症、自身免疫病、化学中毒、辐射损伤、心血管疾病以及衰老、吞噬杀菌等生理过程1因此,在体内随时清除氧自由基、消除其危害显得非常重要1能够抑制、清除特定自由基或催化特定过氧化物还原的物质有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CA T)、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽还原酶(GSH2R)以及GSH2Px、PH GPx两种含硒酶[6]1这两种含硒酶所作用的底物前已叙及,它们与其它抗氧化酶共同构成了一个脂质过氧化作用的有效保护系统1

3　硒与疾病

国内外许多研究者都作了大量的研究工作,并试图用现代化实验手段揭示疾病与体内硒含量的直接关系,到目前为止,证实克山病与硒有非常密切的关系,缺硒是其发病因素之一,可以通过补硒来进行治疗且效果显著[7]1另外,通过测定发病区与非病区的血硒、发硒含量发现,发病区硒含量明显低于非病区.其它疾病如冠心病、大骨节病、白内障、艾滋病等患者体内硒含量,也都低于正常人,J.B j o rdsten发现,芬兰低硒地区心脏病发病率比富硒地区高七倍.但没有报道补硒对这些疾病是否有确切的治疗作用1

3.1　抑癌功能

现在,比较引人注目的是硒的抑癌功能1有实验证实,硒的抑癌功能有四方面[8]1

(1)　降低某些激活致癌原的羟化酶(如芳基烃羟化酶)的活性和提高解毒酶系统如

萄葡糖醛基移换酶的活性,作用于癌变时期;

(2)　影响DNA 多聚酶及核苷激酶的活性;

(3)　硒可降低致突变性,修复DNA ;

(4)　亚硒酸通过提高肝癌细胞内的CAM P 水平而控制细胞分裂繁殖而抗癌1

关于补硒用于治疗恶性肿瘤方面的报道还没有见到,但是通过动物实验发现硒能够抑制诸如1.22二甲苯肼(DM A )、AA F 、

黄曲霉素B 1等所诱发和促进的一些癌症具有抑制作用,而且对C 3H 小鼠自发乳腺瘤的抑制作用明显1肝癌高发区肝癌死亡率与血硒水平呈负相关[9]1血硒含量肺癌患者显著低于健康人和良性肺病患者1显然,人体内硒水平与癌症关系密切,维持适当量的硒,可以有效抑制癌症发生1

3.2　硒与糖尿病的治疗

硒具有胰岛素样作用,能刺激脂肪细胞膜上葡萄糖载体的转运过程,丁虹报道[10]硒能明显改善糖尿病小鼠症状,降低血糖,硒还能提高葡萄糖耐量,揭示硒对外源葡萄糖所致的血糖升高有拮抗作用.她还指出,糖尿病小鼠心、脾、肾、胰腺的GSH 2Px 、SOD 、H 2O 2ase 活性下降,脂质过氧化产物丙二醛(M DA )含量升高,而补硒能提高GSH 2Px 、

H 2O 2ase 活性,降低脾、

肾、胰腺M DA 含量,硒能改善糖尿病主要病变部位脾、肾、胰腺的抗氧化能力.

4　硒蛋白的基因表达和调控

在硒研究领域的另一个惊人的新进展是发现了硒蛋白m RNA 中的终止密码子U GA 指导硒半胱氨酸(SeCys )共价插入1

硒蛋白的合成是一个复杂的过程,且受多种因素的影响,原核生物中硒蛋白的合成过程已经研究清楚.在原核生物中,SeCys 的合成和参入需要有m RNA 开放阅读框架中的一个U GA 密码,四种独特的基因(SELA 、SELB 、SEL C 、SELD )产物和携带有U GA 反密码子的tRAN sec .SELD 基因产物是磷酸硒激酶,它能催化A T P 和硒化物生成磷酸硒.SEL C 基因的产物是丝氨酰2tRAN sec 合成酶,催化作为SeCys 骨架来源的丝氨酸酯化成独特的tRAN sec .SELA 基因的产物是硒半胱氨酸合成酶,催化L 2丝氨酸的羟基脱去而换上Se 生成SeCys 1SELB 基因产物类似于延长因子EF 2T u 1它与GT P 结合形成m RAN 2SELB 2GPT 2SeCys 2RAN sec 复合物,使SeCys 插入到肽链中U GA 所在的特殊位置而形成硒蛋白[11,12].

真核生物硒蛋白的合成与原核生物中硒蛋白的合成有类似之处,但要复杂得多且某些细节还不清楚.真核生物所有硒蛋白的基因都包括5′端非翻译区(5′2U TR )、

含T GA 读码框架的外显子,内含子和3′端非翻译区(3′2U TR )1SeCy 2tRNA sec 识别正确的U GA 而不是作为终止密码的U GA 需要nRNA 3′2U TR 的特殊结构顺序,即SeCys 插入顺序(SE 2C IS )1

哺乳动物基因有多个调控区调节硒蛋白的表达1潜在的转录调节位点位于5′2U TR 、3′2U TR 和内含子1在m RNA 相同位置的同一密码既可编码SeCys 又可作为终止密码,这受3′73第3期宋兴民等:硒的生物学功能

硒蛋白基因表达式受硒营养状况的影响1研究表明硒不影响基因转录,即m RNA的生成量,但它影响m RNA的稳定性1硒缺乏时,硒蛋白m RNA稳定性低,m RNA水平降低,硒过多时,m RNA水平不升高1翻译水平的调节为硒影响SeCys2tRNA sec的合成和tRNA sec反密码子的甲基化1膳食硒充足的大鼠比缺硒者总SeCys2tRNA sec量高,tR2 NA sec反密码子摇摆位置甲基化增加,使tRNA sec处于更开放更稳定的构型1硒缺乏时,所有的硒蛋白合成都有所降低,但各种蛋白对缺硒的敏感性和降低的程度不同,基中cG2 PX最敏感,降低幅度最大,这主要取决于各种硒蛋白m RNA的稳定性不同1硒调节m R2 NA稳定性的机制还不清楚[13]1

5　结语

近年来,有关硒的研究工作报道发表了很多,其他生物学作用也有大量的报道,如拮抗毒物作用,与V E协同作用等,而补充硒能增加抗氧化酶GSH2Sx的活性,有多人的研究结果证实了这一点,有人指出,硒对内皮细胞有保护作用,在预防动脉粥样硬化形成中起重要作用,有关研究人员在补硒对低硒居民血小板活化状态的影响方面,在补硒对血脂及脂质过氧化作用的影响等方面作都作了大量的研究工作,证实硒有不可低估的作用1因此现在对硒的功能作结论性的评价还为时过早,但有一点可以肯定,硒对人体是必不可少的1

另外也应该明确的是过量的硒对人体有毒害作用1至于硒的抑癌作用,由于致癌物质和引起癌症的其他因素比较复杂,需要多种治疗方法与多种药物协同作用才有可能得到较为理想的结果.我们认为随着科学手段的不断提高,以及大量实验数据的积累,人们对硒的生物学功能的认识也会有更全面的认识1

参考文献

1　Cox Jc,J Bacteri o l.1981,145:1317

2　Pocher A,et al.A rch M icrobi o l.1985,141:359

3　Schearz K,et al.J.Am.Chem.Soc.1957,79:3293

4　Sunde R.A.et al.N ulr.R ev.1980,38(8):265

5　黄开勋等.新的含硒酶2甲状腺素5′2脱碘酶的发现1生命的化学,1992,12(4):33

6　Chen X iao shu.et al.B i o logical T race E lem ent R esearch,1980,2:91～107

7　中国医学科学院.克山病科研资料汇编(第1辑)11997,1～56

8　徐辉碧.华中工学院学报,1983,(2):54

9　T.S.Slater1Internati onalW o rk shop2Sympo sium on BasicM echanis m s of chem ical carcinogenesis(A bstract),1982, 4

10　丁　虹1营养学报,1998,20(1):12～14

11　Sunde RA.Intracellular glutath i one peroxidasestructure,regulati on and functi on.In:Selenium in B i o logy and H u2 m an H ealth.Burk R F ED.Sp ringer2V erlage N Y,1994,45～47.

12　Burk R F,H ill KE.R egulati on of selenop ro teins.A nnu R ev N utr,1993,13:65～81

13　W eiss Sl,Evenson JK,T homp son K M,et al.D ietary selenium regulati on of glutath i one peroxidase mRNA and o ther selenium2dependent param eters in m ale rats.J　N utr B i ochem,1997,8:85～91

(下转第44页)

参考文献

1　Hoffm an E L,N aldrett A J,V an loon J C.A nalytica Ch i m ica A cta,1978,102:157～166

2　M ohamm and A sif,Susan J.Parry.H um a M alik A nalyst,1992,117:1351～1353

3　Parry S J,A sif M,Sinclair IW.Journal of R adi oanalytical and N uclear Chem isty A rticls,1988,123(2):593～606 4　Bo rth ick A A,N aldrett A J.A nalytical L etters,1984,17(A4):265～275

5　Shazali I,V antdack L,Gijbels R.A nalytica Ch i m ica A cta,1987,196:49～58

6　李晓林1核技术,1995,18(1):20～23

7　孙亚莉,管希云,杜安道1岩矿测试,1997,16(1):12～17

8　段玉然,李维华,徐羽梧1分析化学,1994,22(4):366～369

The Purifica tion of C o llec to r N icke l O xide In N icke l S ulfide

F ire Assa y of P la tinum

G roup Elem ents Ana lys is

Zhao Guangw ang

(D epartm ent of Chem istry,J inning T eachers Co llege,J inning272125)

Abstract　YPA4chelating resin w as app lied to p u rify co llecto r n ickel ox ide,w h ich greatly reduced the to tal p rocedu re b lank values of p latinum group elem en ts(ng g):R u <0.050,T h<0.050,Pd<0.250,P t<0.050,Ir=0.015,O s<0.010.A fter p u rified,Co l2 lecto r n ickel ox ide cou ld be u sed to determ ine p latinum group elem en ts w h ich are pp b co rrectly.

Key words　N ickel su lfide fire assay,P latinum2group elem en ts,N ickel reagen t

(上接第38页)

The B io log ica l Func tion of S e lenium

Song X ingm in1)　Xu H englong2)　Zhang Shuguang1)

(1)D epartm ent of Equi pm ent,L iaocheng T eachers U niversity,L iaocheng252059;2)D epartm ent of B i o logy)

Abstract　T he catalysis m echan is m of sereral k inds of selen iferou s enzym es is stud2 ied m o re detailed,such as GSH2Px,T45′2D etc.Selen ium lack ing is the i m m ediat facto r w h ich leads keshan dicease to com e on.A p rop er quan tity of Selen ium in hum an body can show carcino stasis.In all these selenop ro tein s Se is inco rpo ratde in to the p ro tein m o lecu le via the selenocysteiny12tRNA w h ich recogn izes the sp ecific U GA codon s in m RNA to in sert selenocysteine in to the p ri m ary structu re of selenop ro tein s.

Key words　Selen iferou s enzym e,F reeradical,Carcino stasis,Exp ressi on and regu la2 ti on