2. Селен в антиоксидантной системе

Общие сведения

Элементарный селен - это гомоцепной неорганический полимер с винтообразными макромолекулами, уложенными параллельно. В цепях атомы связаны ковалентно, а молекулы-цепи объединены молекулярными силами и частично - металлической связью. Селен и его соединения используются в различных областях деятельности, в том числе в медицине и в производстве БАД. В частности, селен признан одним из важнейших антиоксидантов; этот элемент способствует детоксикации производных кислорода в организме (свободных радикалов) и играет немаловажную роль в борьбе с раком.

Селен не может синтезироваться, а должен поступать с пищей извне. Следовательно, нет селена - нет глутатионпероксидазы. Нет глутатионпероксидазы - нет химической защиты от АКМ и организм быстро стареет, возникают мутации, повреждения белков и клеточных стенок.

Селен представляет собой компонент глутатионпероксидазы и является выраженным синергистом витаминов антиоксидантной группы. Этот микроэлемент - важная составная часть сбалансированного питания (в почвах Украины имеется его дефицит). Необходимые суточные добавки к пище селена составляют около 70 мкг для мужчин и 50 - для женщин (0,87 мкг/кг). В крови часть селена связывается с белками, концентрация его в тканях органов значительно различается. Об уровне селена в организме можно судить по активности глутатионпероксидазы, особенно это касается лиц с низким потреблением селена. Из организма селен удаляется в основном путем экскреции с мочой. Токсичность селена весьма низкая: клинические проявления наблюдаются при длительном приеме 1 мг/сут и более. Молекулярные механизмы развития токсичности неизвестны. От содержания селена в организме зависит функционирование цитохрома Р-450 в эндоплазматической сети клеток печени, а также транспорт электронов в митохондриях. Дефицит его в организме сопровождается развитием алиментарной мышечной дистрофии, эндемической селенодефицитной кардиомиопатии. Сниженное содержание этого микроэлемента обнаруживают у больных инфарктом миокарда, миокардиодистрофиями, дилатационной кардиомиопатией. Применение селена положительно влияет на процессы регенерации в сердечной мышце после перенесенного инфаркта миокарда. Он стимулирует иммуногенез и, в частности, продукцию антител, участвует как антиоксидант в окислительно-восстановительных процессах, дыхании клетки, синтезе специфических белков. Дефицит его у животных сопровождается фиброзом, дистрофическими процессами в поджелудочной железе, некрозами в печени, эозинофильным энтеритом, который протекает на фоне недостаточности витамина Е. У животных наблюдается задержка роста, развития, нарушается репродуктивная функция. Имеется отрицательная обратная корреляция между потреблением селена, его уровнем и смертностью от злокачественных заболеваний легких, молочной железы, кишечника, яичников. Он оказывает и непосредственное повреждающее действие на злокачественные клетки. Кроме антиканцерогенного действия селен имеет и антимутагенный эффект, противодействует токсическому влиянию тяжелых металлов (возможно за счет образования нерастворимых комплексов, восстановления дисульфидных связей в белках в SH-группы). Важнейшей ролью селена является его вхождение в состав глутатионпероксидазы - фермента предохраняющего клетки от токсического действия перекисных радикалов. Имеется связь между селеном и витамином Е - они влияют на разные этапы образования органических перекисей: токоферолы подавляют (предупреждают) перекисное окисление полиненасыщенных жирных кислот, а содержащая селен глутатионпероксидаза разрушает уже образовавшиеся перекиси липидов, перекись водорода. Глутатионпероксидаза, не содержащая селен, - глутатион-S-трансфераза - разрушает только перекись водорода (как и каталаза). При достаточном поступлении в организм витамина Е проявления дефицита селена значительно нивелируются. Наибольшее количество селена содержится в белках с высоким содержанием цистина: образуются трисульфиды, которые подобно сульфгидрильным группам мембранных белков, регулируют стабильность и проницаемость мембран. При дефиците селена и снижении активности глутатионпероксидазы повышается гемолиз эритроцитов вследствие действия перекиси водорода и липоперекисей. На активность глутатионпероксидазы влияет уровень содержания витаминов С и А, которые способствуют усвоению селена, его транспорту и утилизации. Селен также принимает участие в фотохимических реакциях, связанных с функцией зрения. Витамин Е предупреждает окисление селена, способствует его сохранению. Добавка селена при Е-дефицитном рационе тормозит накопление липоперекисей, ликвидирует или предупреждает симптомы Е-витаминной недостаточности. Восстановленныйглутатион и глутатионпероксидаза превращают липоперекиси в менее токсичные оксикислоты и этим предупреждают повреждение биоструктур. Пополнение фонда глутатиона происходит за счет аминокислот, которые содержат серу.

Глутатионпероксидаза

Для инактивации перекиси водорода в клетках высших животных существует одно важное семейство ферментов - глутатионпероксидаз (систематическое название "глутатион: перекись-водорода-оксидоредуктаза"), существование которого показано Гордоном Милзом в 1957 г. В 1973 г. Джон.Т. Ротрак с соавт. установили, что в состав ГПО входит селен, и каждая молекула фермента содержала 4 атома Se. Помимо это клеточной изоформы, получившей при дальнейшей классификации порядковый номер 1 (ГПО1), глутатионпероксидаза представлена селеновыми изоферментами - "желудочно-кишечным" (ГПО2, выделен из цитозоля клеток печени и кишечника), внеклеточным (ГПО3, выявляется в плазме и молоке), ГПО гидроперекисей фосфолипидов (ГПО4) и не содержащими Seизозимами-"секреторным" (ГПО5, обнаруживаемая в придатках яичек) и ГПО7, а также экзотический ГПО6, в состав которой селен либо входит (человек, свинья), либо не входит (мышь, крыса).

Рассмотрим селеносодержащие ГПО.

"Классическая" (или "цитозольная", "клеточная") ГПО1 представляет собой тетрамер, состоящий из четырёх идентичных сферических субъединиц; гидрофильность затрудняет её проникновение в липидный слой мембран; поэтому основная часть фермента (~70%) локализована в цитозоле, и около 20-30 % - в митохондриях всех клеток млекопитающих. Каждая субъединица содержит по 1 атому селена, входящему в состав селеноцистеиновых остатков; на тетрамере имеется 2 активных GSH-связывающих центра. Селеноцистеин обладает необычным свойством: кодирующий его кодон UGAимеет и вторую функцию - терминации синтеза белка, что зачастую приводит к ошибочным истолкованиям данного кодона; так, при расшифровке генома человека не был правильно предсказан ни один из 25 селенопротеинов. Уэукариот кодон UGAраспознаётся как сигнал для внедрения в белок селеноцистеина в том случае, если в 3-нетранслируемом участке соответствующей ДНК содержится особая структура, называемая "Sec-внедряющая последовательность" (SECIS, Secinsertionsequence).

При недостатке селена в рационе питания уменьшается уровень ГПО, что снижает устойчивость организмов к окислительному стрессу и может приводить к развитию свободнорадикальной патологии, аналогичной авитаминозу Е и характеризующейся разрушением эритроцитов, некрозом и ожирением печени (беломышечная болезнь животных). У человека снижение активности ГПО1 в результате дефицита селена выявлено при сердечно-сосудистых заболеваниях, в том числе болезнях Кешана и Кашин-Бека; при раке; у детей с фенилкетонурией, из рациона питания которых исключён феналаланин, а также у больных фиброзом мочевого пузыря, длительное время находящихся на парентеральном питании. Данные эпидемиологических исследований демонстрируют наличие обратной корреляции между содержанием Seв питьевой воде и смертностью от сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. Токсичность селена для человека проявляется при суточных дозах потребления >1 мг, при этом его концентрация в крови достигает 40 мкМ.

"Желудочно-кишечная" ГПО2 - тетрамерный цитоплазматический фермент, индетичный классической ГПО1 приблизительно на 65 % по аминокислотной последовательности и на 60 % - по нуклеотидной последовательности и имеющий такую же субстратную специфичность, то есть способен восстанавливать перекись водорода и гидроперекиси жирных кислот, но не гидроперекиси фосфолипидов. У крыс данная изоформа локализована главным образом в желудочно-кишечном тракте, в то время как у людей - в печени и толстом кишечнике.

Внеклеточная ("плазматическая") селен-содержащая ГПО3 представляет собой тетрамерный гликопротеин. ДНК изозима выявлена и секвенирована для многих видов животных, в том числе человека, крыс, мышей и быков; эти исследования показали, что по нуклеотидной последовательности внеклеточная ГПО3 на 40-50% идентична классической ГПО1. Изофермент содержится главным образом в почках, а именно - в проксимальных канальцах, однако синтезируется и другими клетками (мРНК ГПО3 экспрессируется в сердце, плаценте, лёгких, желудочно-кишечном тракте); наличие энзима в грудном молоке позволяет предположить, что он также синтезируется клетками молочных желез. До недавнего времени ГПО3 плазмы считались аномальным ферментом, так как её K_mдля GSHсоставляет несколько ммоль, в то время как физиологическая концентрация глутатиона в плазме человека не превышает 10мМ. Однако недавно было показано, что эффективными донорами электронов для внеклеточной ГПО является тиоредоксинредуктаза и тиоредоксин, в присутствии нано - и миллимолярных концентраций которых и НАДФН фермент эффективно восстанавливал гидроперекись трет-бутила; аналогичным действием обладал глутаредоксин в миллимолярных концентрациях, в то время как глутатион был неэффективен в концентрациях вплоть до физиологически достижимых. Внеклеточная ГПО3 играет важную роль в создании антиоксидантного барьера лёгких; более половины активности ГПО бронхоальвеолярной жидкости приходится на внеклеточный изофермент, секретируемый главным образом эпителиоцитами бронхов, альвеолярными макрофагами и интерстициальными клетками.

В 2003-м г. Георгием В. Крюковым с соавт. на основе компьютерного анализа генома идентифицирована ГПО6, имеющая на тесную гомологию с ГПО3; вычисленный белок имеет глобулярную структуру, содержит остаток селеноцистеина в положении 73 и обнаруживается только в эмбрионах и эпителии органов обоняния взрослых мышей. ГПО6 крыс ранее была клонирована как белок, метаболизирующийодоранты; ортологи фермента у крыс и мышей вместо остатка селеноцистеина содержат цистеин, в то время как изозим свиней представляет собой селенопротеин. Проведённым Г.В. Крюковым с соавт. анализ показал, что содержащийся в 3-нетранслируемом участке гена, кодирующего ГПО6 мышей, элемент SECISявляется нефункциональным вследствие мутацийавторы заключили, что селеноцистеин, первоначально присутствующий в белках семейства глутатионпероксидаз у млекопитающих, у грызунов в ходе эволюции был заменён на цистеин. Все ГПО в большей или меньшей степени катализируют реакцию восстановления глутатионом нестойких органических гидропероксидов, включая гидропероксиды полиненасыщенных жирных кислот, в стабильные соединения - оксикислоты:

2GSH + ROOH > GSSG + ROH + H₂O

В результате взаимодействия с гидропероксидом ROOH селеноцистеиновый остаток фермента переходит из селенола в селененовую кислоту, с которой затем связывается GSHс образованием селененилсульфида:

ГПО-SeH + ROOH>ROH + ГПО-SeOH

ГПО-SeOH + GSH > H₂O + ГПО-Se-SG

Прореагировав со второй молекулой глутатиона, ГПО возвращается в исходное состояние:

ГПО-Se-SG + GSH > ГПО-SeH + GSSG

Подобно каталазе, ГПО способны также утилизировать H₂O₂:

2GSH + H₂O₂>GSSG + 2H₂O

Кроме того, недавно обнаружено, что селеносодержащие ГПО проявляют пероксинитритредуктазную активность, восстанавливая ONOO^Їдо нитрит-анионаNO₂^Їи тем самым предотвращая опасные реакции окисления и нитрования, в которые активно вступает пероксинитрит. Стехиометрия пероксинитритредуктазной реакции аналогична классической глутатионпероксидазной реакции с участием гидропероксидов: взаимодействуя с ONOO^Ї, фермент окисляется до селеновой кислоты и затем восстанавливается до исходного состояния двумя молекулами глутатиона; скорость реакции составляет 8 Ч 10⁶M^-1c^-1.

Также селеновые ГПО играют важную роль в регуляции биосинтеза эйкозаноидов, контролируя содержание органических перекисей и поддерживая так называемый "перекисный тонус". Так, циклооксигеназа, переводящаяарахидоновую кислоту в циклоэндогидроперекисьPGH₂, активируется гидроперекисью, высокое содержание которой приводит к самоинактивации фермента. Обычная физиологическая концентрация гидроперекисей в клетках млекопитающих составляет около 10^-10 М, и её повышение до 10^-6 М вызывает активацию циклооксигеназы. Предпологается, что липоксигеназа, отвечающая за синтез лейкотриенов, простациклиновые и тромбоксановыесинтетазы, также являются объектами перекисной регуляции. С этой точки зрения становится ясно, насколько важна функция ГПО в патогенезе воспалительных процессов.

Представлялось целесообразным изучить поведение этих веществ в опытах in vitro, включающих более сложный объект - природные биологические мембраны.

Материалы и методы

1. Исследование интенсивности индуцированного ПОЛ

2. Определение концентрации белка по методу Бредфорда

В качестве подобного объекта мы использовали микросомы печени крыс - выделенные с помощью дифференциального центрифугирования мембраны эндоплазматического ретикулума, поскольку эта структура богата субстратами ПОЛ - моно - и полиненасыщенными жирными кислотами; в ее составе функционируют цепи переноса электронов, что создает условия для образования радикальных форм кислорода; многие ферменты микросом относятся к металлопротеинам, т.е. связаны с металлами переменной валентности, что также играет роль в активации ПОЛ. Использование микросом позволяет в определенной мере стандартизовать условия проведения опыта. Полученные результаты приведены в таблице 2. Постановка эксперимента была общепринятой [25] и заключалась в искусственном индуцировании перекисного окисления липидов мембран микросом с помощью аскорбиновой кислоты и ионов железа (соль Мора). Добавление этих компонентов в реакционную среду способствовало образованию активированных кислородных метаболитов (гидроксильных радикалов, пероксидных радикалов жирных кислот и т.д.). После инкубации в течение 20 минут в пробах спектрофотометрически определялось количество вторичного продукта ПОЛ - малонового диальдегида. По уровню его накопления судили об антиоксидантной активности добавляемых в реакционную среду исследуемых веществ. Для сравнения использовали ионол. Контролем служили образцы без активных веществ, но с добавлением растворителя (ДМСО), который сам обладает некоторым антиоксидантным эффектом.

Как видно из приведенных данных, преимущественное большинство соединений, показавших в предыдущем опыте антиоксидантный эффект обнаруживало подобную активность и в более сложной системе. Однако были и исключения. В общем, подобное поведение антиоксидантов не является неожиданным. Известно, что усложнение системы, в которой проводятся испытания антиоксидантных свойств приводит иногда к снижению эффективности препарата [24]. (Именно этим фактом мы руководствовались, применяя в опыте концентрации веществ несколько более высокие, чем полученные для них величины IC₅₀.) Более того, в исключительных случаях может изменяться сама направленность эффекта - с антиоксидантной до прооксидантной. Это связано с синергическим эффектом при взаимодействии нескольких слабых факторов в живом объекте, приводящим к их резкому усилению. Например, в клетке в определенных условиях может значительно возрастать энергия слабых радикальных соединений, их превращение в активаторов ПОЛ, тогда как в норме сами по себе они являются ингибиторами ПОЛ именно из-за своих радикальных свойств и не представляют опасности из-за низкой энергетичности. Это показано, в частности, в опытах с применением витамина Е [1]. Разумеется, в каждом подобном случае причины изменения эффектов одного и того же соединения в разных условиях опыта могут быть совершенно различны, но все они, безусловно, связаны с взаимодействием того или иного соединения с какими-то структурами в изучаемой системе.

Как и в первой серии опытов, соединения KDA-150, DVD-2521, KDA-132, BO-20, NAA-85, DVD-8843, DVD-2808, DVD-26 проявили антиоксидантную активность, причем, в данном случае - в присутствии микросом. Это говорит о том, что, как минимум, эти вещества могут быть ловушками свободнорадикальных форм кислорода. Следовательно, их можно отнести к истинным антиоксидантам. Остальные вещества не обнаружили антиоксидантного эффекта на микросомах, что, вероятно, можно объяснить следующим образом.

В нашем случае вещество Л-8 (№12) проявило при инкубировании с микросомами отчетливый прооксидантный эффект, т.е. активировало ПОЛ (более чем на 40 %), тогда как в опытах с лецитином это вещество ингибировало липопереокисление, по-видимому, за счет улавливания и инактивации свободнорадикальных форм кислорода. Принимая во внимание структуру данного соединения, можно сделать вывод, что Л-8 действительно может связывать свободнорадикальные формы кислорода. В растворе лецитина это вызывает их инактивацию, поэтому процесс ПОЛ ингибируется, причем с примерно одинаковой эффективностью при разных концентрациях вещества, т.е. лимитирующим фактором, вероятно, является концентрация радикалов в среде. Однако при наличии мембранного липидного бислоя гидрофобная и довольно громоздкая молекула Л-8 проникает вглубь мембраны, задерживаясь там вместе со связанными кислородными радикалами. При встраивании молекулы Л-8 структура мембраны становится более рыхлая, радикалы кислорода получают свободный доступ к ненасыщенным жирным кислотам мембранных фосфолипидов, т.е. к субстратам ПОЛ. Проще говоря, мы считаем, что Л-8 может не только связывать, но и транспортировать радикальные формы кислорода в липидный бислой, встраиваясь в него и механически дестабилизируя его. Однако, для доказательства этого предположения целесообразно было бы сравнить влияние Л-8 на ПОЛ в лецитиновых липосомах. В подобной постановке лецитин находился бы не просто в растворе, а в составе липидного бислоя, состоящего исключительно из молекул лецитина.

Аналогичные выводы можно сделать, анализируя поведения соединения DVD-0749. Следует отметить лишь, что его молекула по величине почти в 2 раза меньше Л-8, но также не является компактной молекулой. Вместе с тем, очень похожее визуально на DVD-0749 соединение DVD-4702 проявляет умеренно антиоксидантные свойства в обоих случаях - и в простой безмембранной системе с субстратом ПОЛ лецитином, и при наличии этого же компонента (наряду с другими) в составе мембран микросом. Очевидно, что структурные отличия являются причиной разного поведения этих соединений, однако на данном этапе исследований не представляется возможным объяснить, каким образом.

Таблица 2

Влияние новых синтетических гетероциклических соединений на индукцию аскорбат-зависимого ПОЛ в микросомах печени крыс, X±Sx; n=6

Соединения DVD-3779 и ВО-35 также, как и три вышеописанных, вероятно, являясь ловушками свободнорадикальных форм кислорода, вероятно, могут переносить их в липидный мембранный бислой с разной степенью эффективности и в зависимости от типа этого бислоя.

Отдельно следует сказать о соединениях, которые были растворимы в воде - NAA-23 и NAA-177. Они показали слабую антиоксидантную активность. Причем в случае с NAA-177 она не зависела от концентрации вещества в растворе с лецитином. В системе с микросомами препараты не функционировали как антиоксиданты. Вероятно, это связано с непроницаемостью для них липидного мембранного бислоя за счет их заряженности. Возможно, эти соединения могут проявить себя в другом биологическом качестве, например, они вполне могут действовать как нуклеофилы, участвуя в разобщении процессов дыхания и окислительного фосфорилирования в митохондриях. Мы планируем проверить это предположение в следующих опытах.

Таким образом, из 18 исследуемых соединений 8 продемонстрировали выраженные антиоксидантные свойства, их IC₅₀ оказался в области 2 мкМ. При концентрации 10 мкМ эти соединения показывали антиоксидантный эффект не только в модельной системе с субстратом ПОЛ лецитином, но и в среде с микросомами - биологическими липидными бислойными мембранами. Кроме того, возможно проявление и иных биологически свойств этих соединений - способности связываться с липидами мембранного бислоя, выступая в качестве мембранных зондов; влиять на процессы переноса электронов в дыхательных цепях микросом и митохондрий; влиять на активность антиоксидантных ферментов. Однако, все эти предположения требуют отдельных исследований.

селен антиоксидант ингибитор метаболит