硒的抗氧化和免疫作用及其代謝調控途徑

■方熱軍 楊凱麗

（湖南農(nóng)業(yè)大學動物科技學院湖南畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙410128）

硒（Se）是由瑞典科學家J.J.Berzelius于1817年發(fā)現(xiàn)的，但是一直被當做有毒物質，直到1957年，人們才意識到硒對動物的營養(yǎng)生理作用[1]。硒的生理作用主要表現(xiàn)在硒蛋白上，硒代半胱氨酸（SeCys）作為新發(fā)現(xiàn)的第21種氨基酸，被整合到多肽鏈中，一般把以SeCys形式參入到多肽鏈的蛋白質稱為硒蛋白。硒在體內發(fā)揮著重要作用，對機體的抗氧化以及免疫有重要作用，對動物的生產(chǎn)也具有重要作用。

1 硒蛋白的種類

在哺乳動物中最常見硒的形式是硒代半胱氨酸（SeCys）。迄今為止，在哺乳動物體內，發(fā)現(xiàn)具有生物學功能的硒蛋白有25種。硒參與構成的蛋白有谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase，GPx）、硫氧還蛋白還原酶（Thioredoxin reductases，TrxR）、甲狀腺激素脫碘酶（Thyroid hormone deiodinases，DIOs）、硒蛋白P(SePP、SelP)、硒蛋白W、硒代磷酸合成酶（SPS2），此外，還有硒蛋白 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見表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現(xiàn)在硒蛋白參與構成的酶中。參與抗氧化的硒酶主要有谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）、硫氧還蛋白還原酶（TrxR）、甲狀腺素脫碘酶（DIOs）。GPx與TrxR抗氧化的機制主要體現(xiàn)在清除機體的自由基（FR）。DIOs抗氧化機制是影響甲狀腺素的代謝從而影響機體抗氧化等生理功能。

FR的產(chǎn)生與清除的動態(tài)穩(wěn)定性對機體健康具有重要影響。任何包含一個未成對電子的原子或原子團，均稱之為自由基，多數(shù)的FR活潑，反應性強，容易生成穩(wěn)定物質，可與蛋白質、脂質、DNA等反應。若FR產(chǎn)生過多而不能及時被清除，大量的FR破壞生物膜，影響細胞正常功能，影響DNA、RNA熱穩(wěn)定性，影響酶的活性，加速蛋白質分解[6]。體內的過氧化氫（H2O2）和過氧化物可以產(chǎn)生自由基，硒的抗氧化作用主要表現(xiàn)在硒蛋白清除過氧化氫以及過氧化物。

2.1 谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）

GPx是發(fā)揮抗氧化作用的主要酶類。GPxl是GPx家族中最早被確認的，此酶催化谷胱甘肽（GSH）反應生成谷胱甘肽的二聚體（GSSH），反應的結果還包括H2O2和有機過氧化物被還原，如叔丁基氫過氧化物[7]；GPx2是一種分泌型四聚體酶，與GPxl有相似的底物特異性，催化H2O2、叔丁基氫過氧化物、氫過氧化物枯烯、亞油酸氫過氧化物的還原，但是不催化磷脂酰膽堿過氧化氫[8]；GPx3是GPx家族中唯一的胞外酶，是一種糖基化的四聚體[9]，與GPxl一樣，可還原H2O2和有機過氧化物，但其活性比GPxl低10倍；GPx4是一種單體形式的細胞內膜結合酶，主要催化磷脂氫過氧化物、膽固醇氫過氧化物和亞油酸氫過氧化物的還原[10]。

2.2 硫氧還蛋白還原酶（TrxR）

硫氧還蛋白還原酶（TrxR），是一種黃素蛋白，含有NADPH的結合位點以及具有氧化還原活性二硫化物的活性位點，與NADPH的電子傳遞相關，它與硫氧還蛋白、NADPH共同組成硫氧還蛋白系統(tǒng)。1996年，Takashi等首次證實TrxR是一種含硒酶。在哺乳動物體內，TrxR包含胞漿酶TrxR1、線粒體酶TrxR2、硫氧還蛋白谷胱甘肽還原酶TrxR3。其主要功能是催化NADPH 將Trx上的-S2還原成（-SH）2的反應，即維持Trx的還原型電子從NADPH通過FAD轉移到TrxR活性位點的二硫鍵，可使TrxR還原氧化型硫氧還蛋白（Trx）[11]，還原型的Trx通過清除過氧化物達到抗氧化作用。

2.3 甲狀腺素脫碘酶（DIOs）

甲狀腺素脫碘酶（DIOs）是一種氧化還原酶，在其活性位點上有SeCys。DIOs包括三型（DIO1、DIO2、DIO3）。DIO1主要表達在肝臟、腎臟、甲狀腺、腦下垂體等器官中；DIO2的活性表現(xiàn)在甲狀腺、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、腦下垂體和人體的骨骼肌中；DIO3分布在神經(jīng)、皮膚、胚胎中[12]。甲狀腺素對動物的生長發(fā)育具有重要作用。三種酶參與甲狀腺激素的動態(tài)平衡，將低活性的T4（甲狀腺素原）轉化為高活性的T3（甲狀腺激素），將活性甲狀腺素轉換為低活性或者無活性的甲狀腺素（T4、T2）。缺硒時，影響T4向T3的轉化，引起甲狀腺素的分泌紊亂。但三種酶的之間的功能差異還需要研究[13]。

大量試驗表明硒可以提高畜禽的抗氧化能力。高建忠等[14]研究表明，分別在日糧中添加0.3 mg/kg的富硒酵母、富硒益生菌、亞硒酸鈉均能提高仔豬血液中的谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）、超氧化物歧化酶（SOD），提高仔豬的抗氧化能力。田金可等[15]在肉雞日糧中分別添加亞硒酸鈉和酵母硒，結果表明，相比于對照組，亞硒酸鈉與酵母硒提高了肉雞血漿與肝臟中的GPx、SOD，有利于提高肉雞的抗氧化能力。何柳青等[16]研究表明，在綠殼蛋雞的日糧中添加0.25 mg/kg酵母硒，能極顯著地提高蛋雞血清中的GPx、SOD，提高蛋雞的抗氧化能力。吳凌等[17]在研究泌乳奶牛血漿硒水平機體抗氧化和免疫功能的關系時表明，血漿硒水平低于70 mg/l時的GPx顯著低于對照組，血漿中的硒水平與GPx呈顯著正相關。王向榮等[18]在臨武鴨的日糧中添加0.3 mg/kg的亞硒酸鈉、酵母硒，42 d后，血清的硒與對照組相比有顯著提高，血清中的GPx、SOD顯著高于對照組。

3 硒的免疫作用

3.1 通過抗氧化介導

炎癥是機體受到外來微生物入侵后的一種保護性反應，但是也會隨之產(chǎn)生對機體有害的過氧化物。當微生物入侵時，中性粒細胞和巨噬細胞吞噬細胞和微生物，受刺激活化，產(chǎn)生呼吸爆發(fā)，釋放大量過氧化物，這些產(chǎn)物在殺傷入侵者的同時對正常機體組織也會產(chǎn)生損傷，細胞必須清除過氧化物以保護自身免受損傷[19]。白細胞三烯(LTB4)是一種趨化因子，誘導中性粒細胞進入炎區(qū)。過氧化物介導活性白細胞三烯的產(chǎn)生，GSH-Px和硫氧還蛋白還原酶（TrxR）具有抗氧化作用，可以清除過氧化物[20]，抑制LTB4的產(chǎn)生?；ㄉ南┧峥稍?-和15-脂肪氧化酶的催化下，轉變成LTB4的前體物質過氧化氫二十碳四烯酸，硒酶可以抑制這兩種酶的活性而抑制LTB4的產(chǎn)生，因此，硒具有抗炎作用，促進機體免疫。

3.2 通過免疫細胞及免疫因子介導

特異性免疫包括細胞免疫與體液免疫。細胞免疫主要的效應細胞是T細胞。T淋巴細胞分泌白細胞介素-2（IL-2）。在H2O2的介導下，GPx可以促進受調節(jié)蛋白質二硫鍵的形成，可以作為活化免疫細胞的第二信使[21]。在T細胞中，TrxR可以通過Trx介導二硫鍵的還原，游離的硫醇可以產(chǎn)生刺激誘導T細胞受體信號的功效[22]，通過對IL-2受體表達的上調，可以提高T細胞、B細胞、自然殺傷細胞（NK）的活性。B淋巴細胞介導體液免疫，B細胞產(chǎn)生的漿細胞可以分泌幾種免疫球蛋白，IgA、IgM、IgG，研究表明硒的含量可以影響IgA、IgM、IgG的含量。

Hogan等[23]在體外培養(yǎng)的中性粒細胞中進行加硒與不加硒的對比，發(fā)現(xiàn)添加硒后中性粒細胞對胞內金黃色葡萄球菌的殺傷力增強。潘翠玲等[24]分別使用亞硒酸鈉與富硒酵母菌飼喂蛋雞，研究表明，當日糧中添加0.2 mg/kg或以上的有機硒或無機硒，在試驗的第14 d均能極顯著地促進經(jīng)PHA誘導的蛋雞外周血T淋巴細胞的轉化，且能提高蛋雞血漿中IL-2的含量。林長光等[25]在仔豬的日糧中分別添加水平為0.3、0.5、0.7 mg/kg的亞硒酸鈉、酵母硒及納米硒，結果表明，仔豬血清中的IgA、IgG、IgM與對照組相比均有顯著提高，對于仔豬，酵母硒的添加水平為0.7 mg/kg，納米硒的添加水平為0.5 mg/kg效果最優(yōu)。郭元晟等[26]在蒙古山羊日糧中分別添加0.3、0.6、0.9 mg/kg DM有機硒，結果表明，有機硒可以顯著提高60 d時蒙古羊血清中的IgM、IgG、IgA和30 d時的IgG、IgM。楊清麗等[27]在產(chǎn)蛋雞的日糧中分別添加水平為A組0.1 mg/kg、B組0.2 mg/kg、C組0.3 mg/kg、D組0.4 mg/kg、E組0.5 mg/kg的納米硒，研究表明，第42 d，E組血清IgM、IgA顯著提高，對于產(chǎn)蛋雞納米硒的適宜添加水平為0.4 mg/kg，飼喂42 d效果較好。這些研究均表明，硒可以提高畜禽的免疫力。

4 硒的代謝調控途徑

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。硒蛋白的翻譯特殊之處在于UGA密碼子，它位于硒蛋白mRNA的編碼區(qū)，編碼被稱為第21種氨基酸的SeCys，從一個終止密碼子變?yōu)橐粋€能編碼氨基酸的密碼子。在硒蛋白翻譯過程中反式和順式作用因子協(xié)同作用改變翻譯機制，使得SeCys在UGA密碼子處插入，而不是終止肽鏈合成[28]。終止子TGA為合成SeCys的通用密碼子，通過與合成常規(guī)蛋白質不同的機制編碼合成SeCys。硒蛋白合成的過程如下，硒離子利用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?；纬蒘er-tRNA[Ser]Sec，磷酸基團代替其絲氨酸的羥基，形成磷酸絲氨?；?tRNA[Ser]Sec（PS-er-tRNA[Ser]Sec），在SeCys合酶（SeCysS）催化下，SePhp與PSer-tRNA[Ser]Sec反應形成硒代半胱氨酰-tRNA[Ser]Sec（selenocysteyl-tRNA[Ser]Sec）。Selenocysteyl-tRNAA[Ser]Sec在EFsec、Secp43、SBP2等因子的協(xié)助下，將SeCys插入到硒蛋白mRNA翻譯延伸的肽鏈[29]。硒蛋白合成過程如圖1[30]。

圖1 硒蛋白合成

4.2 硒的代謝途徑

硒的吸收發(fā)生在動物的十二指腸，不同形式的硒通過不同的途徑被機體吸收。吸收機制如圖2所示[31]。

圖2 硒在小腸中的吸收途徑

在腸腔內存在以下幾種形式的硒，硒代蛋氨酸（SeMet）、硒代半胱氨酸（SeCys）、亞硒酸鹽（SeO32-）、硒酸鹽（SeO42-）、硒甲基半胱氨酸（SeMCys）等。在被小腸吸收的過程中，硒酸鹽在細胞內被降解為SeO32-[31]，吸收以及降解生成的SeO32-與還原性的谷胱甘肽（GSH）反應生成谷胱甘肽硒代三硫化物（Gs-Se-SG）[32]，在某些酶的作用下，進而生成硒化物（HSe-），SeMet可轉化為SeCys，SeCys通過轉硒作用降解為HSe-，HSe-在ATP參與下合成硒代磷脂（SePhp），參與到硒蛋白的合成中去，進而發(fā)揮其抗氧化及免疫作用。硒蛋白分解代謝釋放SeCys周期性的轉化為硒化物[33]。

若Se過剩，HSe-可進入逐步甲基化途徑進行代謝，在補充或毒性硒狀態(tài)，三甲基硒（TMSe）是主要的代謝產(chǎn)物（SeMCys和SeMet），進而轉化為硒糖，分泌到尿中[34]。

5 硒添加劑的應用

目前硒的添加劑有硒酸鈉、亞硒酸鈉、酵母硒、納米硒、蛋氨酸羥基類似物等，有機硒相對于無機硒毒性小、吸收效率高，對環(huán)境污染小。

盧建等[35]研究酵母硒及亞硒酸鈉對蛋雞蛋硒含量的結果表明，酵母硒比亞硒酸鈉中的硒向雞蛋中轉移的速度更快，效率更高。曲湘勇等[36]分別使用0.2、0.4 mg/kg的酵母硒與納米硒飼喂鵪鶉，結果表明，納米硒較酵母硒更為穩(wěn)定增加鵪鶉蛋中硒含量，且有更高的抗氧化性，對于鵪鶉，飼糧中添加0.2 mg/kg的納米硒為宜。蛋氨酸硒羥基類似物（hydroxy-analogue of selenomethionine,HMSeBA）作為一種新型的有機硒添加劑，在2013年的時候經(jīng)歐盟認證，可應用于動物飼料。其在肉雞、生長育肥豬中有較好的生物利用率[37-38]，在奶牛中，HMSeBA相比于酵母硒更為有效的提高泌乳奶牛的抗氧化性能和營養(yǎng)物質表觀消化率[39]，可以作為有效的硒源添加到日糧中。

6 小結

①硒在動物內具有重要的作用，主要以硒蛋白的形式發(fā)揮生理功能，體內有多種硒蛋白，硒酶GPx、TrxR對機體的抗氧化作用主要表現(xiàn)在清除機體自由基，DIOs抗氧化機制是影響甲狀腺素的代謝從而影響機體抗氧化等生理功能。硒蛋白通過其抗氧化性以及對免疫細胞、免疫因子等的調節(jié)，對機體的免疫功能也有重要影響。

②硒在動物體小腸內以硒酸鹽、亞硒酸鹽、硒代半胱氨酸等的形式被吸收，在體內經(jīng)過一系列轉化，代謝的硒通過呼吸、尿液等排除體外。

③有機硒相對于無機硒毒性小、吸收效率高，對環(huán)境污染小。硒在畜禽生產(chǎn)上有重要作用，對仔豬的生長發(fā)育、蛋雞產(chǎn)蛋率、肉品質的提升具有促進作用。

④硒在代謝過程中仍有一些機制需要進一步研究，如：將進入細胞的硒酸鹽還原為亞硒酸鹽的物質未確定，SeCys進入細胞的轉運蛋白未確定種類，一些硒蛋白的功能差異尚未明確。隨著研究的深入，硒的吸收機制越來越明確，硒的添加劑種類不斷增多，吸收效率不斷增高，硒及其添加劑在畜牧業(yè)中會發(fā)揮更大的作用。