硒的抗氧化和免疫作用及其代谢调控途径

2018-12-29方热军杨凯丽

饲料工业 2018年23期

■方热军杨凯丽

（湖南农业大学动物科技学院湖南畜禽安全生产协同创新中心，湖南长沙410128）

硒（Se）是由瑞典科学家J.J.Berzelius于1817年发现的，但是一直被当做有毒物质，直到1957年，人们才意识到硒对动物的营养生理作用[1]。硒的生理作用主要表现在硒蛋白上，硒代半胱氨酸（SeCys）作为新发现的第21种氨基酸，被整合到多肽链中，一般把以SeCys形式参入到多肽链的蛋白质称为硒蛋白。硒在体内发挥着重要作用，对机体的抗氧化以及免疫有重要作用，对动物的生产也具有重要作用。

1 硒蛋白的种类

在哺乳动物中最常见硒的形式是硒代半胱氨酸（SeCys）。迄今为止，在哺乳动物体内，发现具有生物学功能的硒蛋白有25种。硒参与构成的蛋白有谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione peroxidase，GPx）、硫氧还蛋白还原酶（Thioredoxin reductases，TrxR）、甲状腺激素脱碘酶（Thyroid hormone deiodinases，DIOs）、硒蛋白P(SePP、SelP)、硒蛋白W、硒代磷酸合成酶（SPS2），此外，还有硒蛋白 15（Sep 15）、硒蛋白 N（SelN）、硒蛋白R（SelR）等[2]。主要的硒蛋白分布及功能见表1[3-5]。

表1 主要的硒蛋白分布及功能

2 硒的抗氧化作用

硒的抗氧化作用主要表现在硒蛋白参与构成的酶中。参与抗氧化的硒酶主要有谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、硫氧还蛋白还原酶（TrxR）、甲状腺素脱碘酶（DIOs）。GPx与TrxR抗氧化的机制主要体现在清除机体的自由基（FR）。DIOs抗氧化机制是影响甲状腺素的代谢从而影响机体抗氧化等生理功能。

FR的产生与清除的动态稳定性对机体健康具有重要影响。任何包含一个未成对电子的原子或原子团，均称之为自由基，多数的FR活泼，反应性强，容易生成稳定物质，可与蛋白质、脂质、DNA等反应。若FR产生过多而不能及时被清除，大量的FR破坏生物膜，影响细胞正常功能，影响DNA、RNA热稳定性，影响酶的活性，加速蛋白质分解[6]。体内的过氧化氢（H2O2）和过氧化物可以产生自由基，硒的抗氧化作用主要表现在硒蛋白清除过氧化氢以及过氧化物。

2.1 谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）

GPx是发挥抗氧化作用的主要酶类。GPxl是GPx家族中最早被确认的，此酶催化谷胱甘肽（GSH）反应生成谷胱甘肽的二聚体（GSSH），反应的结果还包括H2O2和有机过氧化物被还原，如叔丁基氢过氧化物[7]；GPx2是一种分泌型四聚体酶，与GPxl有相似的底物特异性，催化H2O2、叔丁基氢过氧化物、氢过氧化物枯烯、亚油酸氢过氧化物的还原，但是不催化磷脂酰胆碱过氧化氢[8]；GPx3是GPx家族中唯一的胞外酶，是一种糖基化的四聚体[9]，与GPxl一样，可还原H2O2和有机过氧化物，但其活性比GPxl低10倍；GPx4是一种单体形式的细胞内膜结合酶，主要催化磷脂氢过氧化物、胆固醇氢过氧化物和亚油酸氢过氧化物的还原[10]。

2.2 硫氧还蛋白还原酶（TrxR）

硫氧还蛋白还原酶（TrxR），是一种黄素蛋白，含有NADPH的结合位点以及具有氧化还原活性二硫化物的活性位点，与NADPH的电子传递相关，它与硫氧还蛋白、NADPH共同组成硫氧还蛋白系统。1996年，Takashi等首次证实TrxR是一种含硒酶。在哺乳动物体内，TrxR包含胞浆酶TrxR1、线粒体酶TrxR2、硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶TrxR3。其主要功能是催化NADPH 将Trx上的-S2还原成（-SH）2的反应，即维持Trx的还原型电子从NADPH通过FAD转移到TrxR活性位点的二硫键，可使TrxR还原氧化型硫氧还蛋白（Trx）[11]，还原型的Trx通过清除过氧化物达到抗氧化作用。

2.3 甲状腺素脱碘酶（DIOs）

甲状腺素脱碘酶（DIOs）是一种氧化还原酶，在其活性位点上有SeCys。DIOs包括三型（DIO1、DIO2、DIO3）。DIO1主要表达在肝脏、肾脏、甲状腺、脑下垂体等器官中；DIO2的活性表现在甲状腺、中枢神经系统、脑下垂体和人体的骨骼肌中；DIO3分布在神经、皮肤、胚胎中[12]。甲状腺素对动物的生长发育具有重要作用。三种酶参与甲状腺激素的动态平衡，将低活性的T4（甲状腺素原）转化为高活性的T3（甲状腺激素），将活性甲状腺素转换为低活性或者无活性的甲状腺素（T4、T2）。缺硒时，影响T4向T3的转化，引起甲状腺素的分泌紊乱。但三种酶的之间的功能差异还需要研究[13]。

大量试验表明硒可以提高畜禽的抗氧化能力。高建忠等[14]研究表明，分别在日粮中添加0.3 mg/kg的富硒酵母、富硒益生菌、亚硒酸钠均能提高仔猪血液中的谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、超氧化物歧化酶（SOD），提高仔猪的抗氧化能力。田金可等[15]在肉鸡日粮中分别添加亚硒酸钠和酵母硒，结果表明，相比于对照组，亚硒酸钠与酵母硒提高了肉鸡血浆与肝脏中的GPx、SOD，有利于提高肉鸡的抗氧化能力。何柳青等[16]研究表明，在绿壳蛋鸡的日粮中添加0.25 mg/kg酵母硒，能极显著地提高蛋鸡血清中的GPx、SOD，提高蛋鸡的抗氧化能力。吴凌等[17]在研究泌乳奶牛血浆硒水平机体抗氧化和免疫功能的关系时表明，血浆硒水平低于70 mg/l时的GPx显著低于对照组，血浆中的硒水平与GPx呈显著正相关。王向荣等[18]在临武鸭的日粮中添加0.3 mg/kg的亚硒酸钠、酵母硒，42 d后，血清的硒与对照组相比有显著提高，血清中的GPx、SOD显著高于对照组。

3 硒的免疫作用

3.1 通过抗氧化介导

炎症是机体受到外来微生物入侵后的一种保护性反应，但是也会随之产生对机体有害的过氧化物。当微生物入侵时，中性粒细胞和巨噬细胞吞噬细胞和微生物，受刺激活化，产生呼吸爆发，释放大量过氧化物，这些产物在杀伤入侵者的同时对正常机体组织也会产生损伤，细胞必须清除过氧化物以保护自身免受损伤[19]。白细胞三烯(LTB4)是一种趋化因子，诱导中性粒细胞进入炎区。过氧化物介导活性白细胞三烯的产生，GSH-Px和硫氧还蛋白还原酶（TrxR）具有抗氧化作用，可以清除过氧化物[20]，抑制LTB4的产生。花生四烯酸可在5-和15-脂肪氧化酶的催化下，转变成LTB4的前体物质过氧化氢二十碳四烯酸，硒酶可以抑制这两种酶的活性而抑制LTB4的产生，因此，硒具有抗炎作用，促进机体免疫。

3.2 通过免疫细胞及免疫因子介导

特异性免疫包括细胞免疫与体液免疫。细胞免疫主要的效应细胞是T细胞。T淋巴细胞分泌白细胞介素-2（IL-2）。在H2O2的介导下，GPx可以促进受调节蛋白质二硫键的形成，可以作为活化免疫细胞的第二信使[21]。在T细胞中，TrxR可以通过Trx介导二硫键的还原，游离的硫醇可以产生刺激诱导T细胞受体信号的功效[22]，通过对IL-2受体表达的上调，可以提高T细胞、B细胞、自然杀伤细胞（NK）的活性。B淋巴细胞介导体液免疫，B细胞产生的浆细胞可以分泌几种免疫球蛋白，IgA、IgM、IgG，研究表明硒的含量可以影响IgA、IgM、IgG的含量。

Hogan等[23]在体外培养的中性粒细胞中进行加硒与不加硒的对比，发现添加硒后中性粒细胞对胞内金黄色葡萄球菌的杀伤力增强。潘翠玲等[24]分别使用亚硒酸钠与富硒酵母菌饲喂蛋鸡，研究表明，当日粮中添加0.2 mg/kg或以上的有机硒或无机硒，在试验的第14 d均能极显著地促进经PHA诱导的蛋鸡外周血T淋巴细胞的转化，且能提高蛋鸡血浆中IL-2的含量。林长光等[25]在仔猪的日粮中分别添加水平为0.3、0.5、0.7 mg/kg的亚硒酸钠、酵母硒及纳米硒，结果表明，仔猪血清中的IgA、IgG、IgM与对照组相比均有显著提高，对于仔猪，酵母硒的添加水平为0.7 mg/kg，纳米硒的添加水平为0.5 mg/kg效果最优。郭元晟等[26]在蒙古山羊日粮中分别添加0.3、0.6、0.9 mg/kg DM有机硒，结果表明，有机硒可以显著提高60 d时蒙古羊血清中的IgM、IgG、IgA和30 d时的IgG、IgM。杨清丽等[27]在产蛋鸡的日粮中分别添加水平为A组0.1 mg/kg、B组0.2 mg/kg、C组0.3 mg/kg、D组0.4 mg/kg、E组0.5 mg/kg的纳米硒，研究表明，第42 d，E组血清IgM、IgA显著提高，对于产蛋鸡纳米硒的适宜添加水平为0.4 mg/kg，饲喂42 d效果较好。这些研究均表明，硒可以提高畜禽的免疫力。

4 硒的代谢调控途径

4.1 硒蛋白的合成

所有的硒蛋白都含有硒代半胱氨酸，并且硒代半胱氨酸在其活性部位。硒蛋白的翻译特殊之处在于UGA密码子，它位于硒蛋白mRNA的编码区，编码被称为第21种氨基酸的SeCys，从一个终止密码子变为一个能编码氨基酸的密码子。在硒蛋白翻译过程中反式和顺式作用因子协同作用改变翻译机制，使得SeCys在UGA密码子处插入，而不是终止肽链合成[28]。终止子TGA为合成SeCys的通用密码子，通过与合成常规蛋白质不同的机制编码合成SeCys。硒蛋白合成的过程如下，硒离子利用ATP在SAS1或SPS2的催化下生成硒的活性形式，即硒代磷脂（SePhp），tRNA[Ser]Sec在Ser-tRNA合成酶（SerRS）的催化下被氨基酰化形成Ser-tRNA[Ser]Sec，磷酸基团代替其丝氨酸的羟基，形成磷酸丝氨酰基-tRNA[Ser]Sec（PS-er-tRNA[Ser]Sec），在SeCys合酶（SeCysS）催化下，SePhp与PSer-tRNA[Ser]Sec反应形成硒代半胱氨酰-tRNA[Ser]Sec（selenocysteyl-tRNA[Ser]Sec）。Selenocysteyl-tRNAA[Ser]Sec在EFsec、Secp43、SBP2等因子的协助下，将SeCys插入到硒蛋白mRNA翻译延伸的肽链[29]。硒蛋白合成过程如图1[30]。

图1 硒蛋白合成

4.2 硒的代谢途径

硒的吸收发生在动物的十二指肠，不同形式的硒通过不同的途径被机体吸收。吸收机制如图2所示[31]。

图2 硒在小肠中的吸收途径

在肠腔内存在以下几种形式的硒，硒代蛋氨酸（SeMet）、硒代半胱氨酸（SeCys）、亚硒酸盐（SeO32-）、硒酸盐（SeO42-）、硒甲基半胱氨酸（SeMCys）等。在被小肠吸收的过程中，硒酸盐在细胞内被降解为SeO32-[31]，吸收以及降解生成的SeO32-与还原性的谷胱甘肽（GSH）反应生成谷胱甘肽硒代三硫化物（Gs-Se-SG）[32]，在某些酶的作用下，进而生成硒化物（HSe-），SeMet可转化为SeCys，SeCys通过转硒作用降解为HSe-，HSe-在ATP参与下合成硒代磷脂（SePhp），参与到硒蛋白的合成中去，进而发挥其抗氧化及免疫作用。硒蛋白分解代谢释放SeCys周期性的转化为硒化物[33]。

若Se过剩，HSe-可进入逐步甲基化途径进行代谢，在补充或毒性硒状态，三甲基硒（TMSe）是主要的代谢产物（SeMCys和SeMet），进而转化为硒糖，分泌到尿中[34]。

5 硒添加剂的应用

目前硒的添加剂有硒酸钠、亚硒酸钠、酵母硒、纳米硒、蛋氨酸羟基类似物等，有机硒相对于无机硒毒性小、吸收效率高，对环境污染小。

卢建等[35]研究酵母硒及亚硒酸钠对蛋鸡蛋硒含量的结果表明，酵母硒比亚硒酸钠中的硒向鸡蛋中转移的速度更快，效率更高。曲湘勇等[36]分别使用0.2、0.4 mg/kg的酵母硒与纳米硒饲喂鹌鹑，结果表明，纳米硒较酵母硒更为稳定增加鹌鹑蛋中硒含量，且有更高的抗氧化性，对于鹌鹑，饲粮中添加0.2 mg/kg的纳米硒为宜。蛋氨酸硒羟基类似物（hydroxy-analogue of selenomethionine,HMSeBA）作为一种新型的有机硒添加剂，在2013年的时候经欧盟认证，可应用于动物饲料。其在肉鸡、生长育肥猪中有较好的生物利用率[37-38]，在奶牛中，HMSeBA相比于酵母硒更为有效的提高泌乳奶牛的抗氧化性能和营养物质表观消化率[39]，可以作为有效的硒源添加到日粮中。