селен в плазме крови и окисление мембранных белков у женщин
advertisement
СЕЛЕН В ПЛАЗМЕ КРОВИ И ОКИСЛЕНИЕ МЕМБРАННЫХ БЕЛКОВ У ЖЕНЩИН ПРИ ПАТОЛОГИИ БЕРЕМЕННОСТИ Е.И. Слобожанина, Н.М. Козлова , Л.П. Касько Cелен принадлежит к числу незаменимых пищевых Биологическое значение селена как микроэлемента было факторов. определено в пятидесятых годах ХХ столетия, когда обнаружилось, что его дефицит вызывает явления, схожие с Е-авитаминозом. Однако высокая концентрация Se может вызывать токсические эффекты в организме. Большая часть селена в животных тканях представлена аминокислотами селенометионином и селеноцистеином. Организм человека и животных не способен синтезировать селенометионин, это соединение синтезируется в растениях. Попадая в организм человека или животных с пищей, селенометионин встраивается вместо метионина в различные белки и выполняет функции обычного метионина. Активной формой селена является селеноцистеин, присутствующий в животных селенопротеинах. Около 80 % селена в организме человека присутствует в виде Se-L-цистеина (Se-Cys) . При физиологических условиях селен в селеноцистеине почти полностью ионизирован и, следовательно, он является чрезвычайно эффективным биологическим катализатором (Arthur et al.,1997). Известно, что ионы селена активируют окислительно-восстановительные ферменты митохондрий и микросом, глутатионредуктазу, глутатионпероксидазу, цитохромы; участвуют в передаче электрона от гемоглобина к кислороду, поддерживают обмен цистеина, являются антидотами против тяжелых металлов, в том числе ртути, серебра, кадмия (Sun et al., 1999; Andersen, Nielsen, 1994). Приблизительно 50% селена в крови селенопротеинов, которые выполняют ряд метаболизм тироидных Многогранные эффекты противоопухолевые, гормонов селена и существует образование и форме важных функций, включая (антиапоптические, антистрессорные в др.), иммунных клеток. противовирусные, которые обусловлены экспрессией многочисленных внутриклеточных селен-зависимых ферментов, подробно изложены в монографии Кудрина и Громовой (2007). Согласно современным представлениям биологическая роль селена в первую очередь определяется его антиоксидантным и иммуномодулирующим действием. система Среди природных антиоксидантов особое место занимает глутатиона, ключевыми компонентами которой являются селенсодержащие ферменты – глутатионпероксидазы I , II, III и IV. Антиоксидантными функциями обладают также селенопротеины P и W (Тутельян и др., 2002). Селенопротеин Р (Мм 57кД, в его составе 10 или 11 атомов селена) циркулирует в плазме крови – его биосинтез осуществляется, по-видимому, в ряде органов, включая легкие, почки, печень, сердечную мышцу и др. (Глющинский, Мазо 1999). В норме концентрация селенопротеина Р в плазме крови составляет 51 4 мкг/ мл, при глубоком дефиците селена она падает ниже 5 мкг/мл. Биологической функцией селенопротеина Р является прежде всего защита организма от воздействия перекисей. Кроме этого селенопротеин Р способствует нейтрализации токсичного действия тяжелых металлов ( Pb, Hg ). Недавно был выделен, охарактеризован и полностью секвенирован селенопротеин W (Мм=9,5кД), который экспрессируется главным образом в мышечной ткани. Он обладает антиоксидантной функцией и действует на тканевом уровне. В настоящее время идентифицировано и охарактеризовано около 25 различных селенопротеинов. Однако их специфичность и функции, субклеточная локализация еще полностью не ясны. Когда стало известно, что селен является существенным компонентом глутатионпероксидазы, необъяснимая связь между селеном и витамином Е стало более понятной. Представленная на рисунке 1 схема отражает такое взаимодействие. Предположено, что роль витамина Е в метаболизме селена состоит в увеличении глутатионпероксидазной активности, более точно - селен в форме из-за глутатионпероксидазы является первично важным его способности разрушать образование свободных радикалов до того, как они будут иметь шанс атаковать клеточные мембраны, в то время как витамин Е функционирует на клеточной мембране сам по себе как специфический липид-растворимый антиоксидант (Tuormaa, 1995). Рис.1 Схема взаимодействия глутатионпероксидазы и витамина Е в клетке при стрессовых воздействиях http://www.goatbiology.com/images/glutathionine.jpg Молекулярные детали метаболизма и транспорта селена в живых системах пока не полностью понятны, несмотря на их физиологическое значение. Особенно мало известно о мембранном транспорте селена из большинства соединений, содержащих селен. Так, селенотрисульфид (глутатион метаболизме селенотрисульфид) селенита. Однако является его важным способность интермедиатом в реагировать с биологическими веществами такими как пептиды и белки и последующий метаболизм его до сих пор не понятны, из-за химической нестабильности этого соединения при физиологических условиях (Mamoru Haratake et al. 2005). Основываясь на факте, что селен из селенита может связываться с гемоглобином, Mamoru Haratake et al.(2008) исследовали перенос селена, связанного с гемоглобином, к белкам мембран эритроцитов. На модельной системе - “вывернутых” везикулах эритроцитарных мембран (IOV membranes) - авторы показали, что в основе переноса селена, связанного с гемоглобином лежат взаимодействия между гемоглобином и цитоплазматическими доменами интегрального мембранного белка полосы 3 (Mamoru Haratake et al.,2008). Недавно был исследован механизм мембранного транспорта селена из эритроцитов в плазму крови (Mamoru Haratake et al., 2009) и установлено, что почти 70% селена в мембране связывается с белком анионного транспорта 1, который, как было предположено, является интегральным белком и отвечает за мембранный транспорт селена. Продемонстрировано также, что селен, экспортированный из эритроцитов, связывался с сывороточным альбумином посредством селенотрисульфида и затем транспортировался в гепатоциты (Mamoru Haratake et al., 2008). Известно, что селен играет решающую роль в различных физиологических процессах и изменение его уровня имеет прямое влияние на здоровье человека, приводя к развитию заболеваний. Свободные радикалы, являющиеся высоко реактивными, вызывают серию событий, приводящих к патогенезу многочисленных заболеваний таких как кардиоваскулярные заболевания, диабет, гипертензия, осложнения беременности вызванной гипертензией, участвуют в процессах старения и др.(Puri, 2002; Кудрин, Громова , 2007). Селен - существенный компонент антиоксидантного фермента глутатионпероксидазы, функционирует как антиоксидантная ловушка H2O2 и тем самым превращает липидные гидроперекиси в менее реактивные конечные продукты (Rotruck et al., 1973). Селенодефицит возникает не только при низком поступлении, но и при хронической интоксикации тяжелыми металлами, при заболеваниях печени, а также при лечении фенилкетонурии. Однако не обнаружено корреляции между уровнем Se и Pb в крови женщин детородного возраста, проживающих в Беларуси (E.I.Slobozhanina et al., 2008). Снижение уровня селена в сыворотке крови менее 0,4 мкмоль/л способствует повышению риска развития инфаркта миокарда в семь раз и в два раза риска развития злокачественных опухолей (Whanger, 2004, Salonen et al.,1982). Особое место занимает изучение вопроса о роли дефицита селена в возникновении осложнений беременности. Снижение уровня селена у беременных и новорожденных сопровождается изменением всего гомеостаза селена: уменьшается содержание микроэлемента в плазме крови, в эритроцитах и его экскреция с мочой; снижается активность селензависимой глутатионпероксидазы перераспределением регулирования амниотической и других селена в ферментов. организме в Это результате обусловлено эндогенного и накопления селена преимущественно в тканях плода и мембране. Оценка статуса селена на протяжении беременности является очень важной из-за значения селена для роста плода и антиоксидантной защиты новорожденных (Golubkina, Alfthan, 2002). Существует прямая корреляция между показателями содержания селена в сыворотке крови беременных и содержанием селена в сыворотке крови здорового населения обследуемого района. Результаты работ, посвященных изучению роли селена при беременности, довольно противоречивы. С одной стороны, дефицит селена рассматривается как фактор риска рецидива потери беременности (Kumar et al., 2002), с другой стороны, показано, что дефицит селена не является ответственным за проблемы, связанные с беременностью и родами (Neve, 1990) . Информации о потребности в селене беременных и кормящих женщин в настоящее время недостаточно. Однако, точно известно, что повышенная потребность беременных в селене обусловлена аккумуляцией довольно большого количества этого селенопротеинами микроэлемента его тканей. растущим Уровень плодом селена для насыщения в сыворотке крови уменьшается во время беременности (Тутельян и др. 2002). Установлено, что дефицит селена у женщин может приводить к бесплодию, выкидышам и задержке плаценты (Barrington et al., 1996). Добавки селена в пищу предотвращали или уменьшали степень преэклампсии и гестационный отек у беременных женщин (Han, 1994). При осложненной беременности, особенно при состояниях, ведущих к гипоксии, сопровождающихся интоксикацией, усиливаются процессы свободнорадикального окисления, повышается потребность в эссенциальных антиоксидантах, в том числе и селене. Однако точных данных, каким образом изменяется эта потребность в подобных случаях, не имеется. В лаборатории медицинской биофизики Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси изучена связь между концентрацией селена в плазме крови беременных, маркерами окислительного стресса в эритроцитах у женщин и появлением осложнений беременности. Полезными маркерами для оценки окислительного стресса in vivo могут служить параметры, характеризующие окисление белков (Karowicz-Bilinska et al.,2004, Касько и др., 2008). Нами совместно с Кутько А.Г., Ивашкевич Л.С., Зайцевым В.А. и Сержан Т.А. (Н.М.Козлова и др., 2008) установлено, что в плазме крови женщин с нормально протекающей беременностью среднее значение уровня селена составляет 76,23,7 мкг/кг, что соответствует легкой форме недостаточности селена (таблица 1). Среднее значение концентрации селена в плазме крови женщин с угрозой прерывания беременности (группа II) достоверно не отличалось от контроля (группа I). Наибольшее уменьшение концентрации селена в плазме крови обнаружено в группе беременных женщин с внутриутробной задержкой развития плода (группа III) – оно составляло в среднем 20-25% по сравнению с концентрацией этого микроэлемента в плазме крови женщин с нормально протекающей беременностью. В эритроцитах женщин с угрозой прерывания беременности активность глутатионпероксидазы повышалась на 25-35%, что можно оценить как повышение адаптационных механизмов эритроцитов при патологии. В амниотической жидкости обследованных женщин концентрация селена была очень низкой (таблица1). Как видно из данных, представленных в таблице 1, параллельно с уменьшением уровня селена в плазме крови наблюдается снижение активности супероксиддисмутазы в эритроцитах беременных в беременности и группах женщин с угрозой прерывания женщин, беременность которых осложнилась внутриутробной задержкой развития плода, в среднем Таблица 1 – Концентрация селена в плазме крови и амниотической жидкости и активность супероксиддисмутазы в эритроцитах обследованных групп беременных Группы обследованных беременных I – Женщины с нормально протекающей беременностью (срок гестации 38-40 недель) II – Женщины с угрозой прерывания беременности (срок гестации 30-36недель) III – Женщины, беременность которых осложнилась внутриутробной задержкой развития плода (срок гестации 30-40 недель) Se, мкг/кг Плазма крови Se, мкг/кг Амниотическая жидкость СОД, А, % 76,23,7 (n=15) 4-9 (n=8) 100 75,62,4 (n=30) 60,42,5 (n=15) Р 0,05 3-11 (n=12) 2-9 (n=10) 77,54,2 Р 0,05 88,24,0 Р 0,01 Примечание: За 100% принято среднее значение активности СОД в группе женщин с нормально протекающей беременностью. на 15 – 20 % по сравнению с эритроцитами крови женщин с нормально протекающей беременностью. Судя по изменению параметров флуоресценции липофильных зондов лаурдана и ТМА-ДФГ, отличий в микровязкости мембранных липидов в эритроцитах контрольной группы и беременных с патологией не обнаружено (рисунок 2). Наблюдалась лишь тенденция снижения GP флуоресценции лаурдана (рисунок 2 А), связанного с мембранами эритроцитов, только в группе женщин с угрозой прерывания беременности, в то время как поляризация флуоресценции ТМА-ДФГ при этом не изменялась (рисунок 2 Б). Полученные данные свидетельствуют о том, что снижение концентрации селена в в плазме крови женщин при исследуемых патологиях беременности не влияет на микровязкость липидного бислоя мембран эритроцитов. À GP Á P 0,4 * 0,3 0,4 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0,0 1 2 3 1 2 3 Рисунок 2. Параметры флуоресценции липофильных зондов, включенных в мембраны эритроцитов. А - генерализованная поляризация (GP) флуоресценции лаурдана (λвозб=340 нм, λрег=440 нм и 490 нм) Б - поляризации флуоресценции ТМА-ДФГ (λвозб=365 нм, λрег=428 нм) 1 – женщины с нормально протекающей беременностью; 2 – женщины, беременность которых осложнена внутриутробной задержкой развития плода; 3 – женщины с угрозой прерывания беременности Р < 0,05 по сравнению с контролем Снижение активности супероксиддисмутазы в эритроцитах можно рассматривать как накопление активных форм кислорода, которые могут приводить к окислительному повреждению мембранных белков. Для определения окислительного повреждения белков нами двумя независимыми методами исследован уровень SH-групп в мембранных белках эритроцитов обследуемых групп беременных, в плазме которых содержалось различные концентрации селена. В таблице 2 приведены параметры, характеризующие Таблица 2– Изменение параметров, характеризующих уровень SH- групп, в мембранных белках эритроцитов беременных женщин Группы обследованных % беременных Iфл. ПМ [SH] 100% (n=10) 100% (n=10) 81,55,2 (n=21) 81,43,7 (n=21) 88,92,0 (n=10) 84,60,4 (n=10) (возб. =342 нм, рег. =396 нм) I –Женщины с нормально протекающей беременностью II – Женщины с угрозой прерывания беременности III – Женщины, беременность которых осложнилась внутриутробной задержкой развития плода Примечание: За 100% принято среднее значение интенсивности флуоресценции N-1-пирен-малеимида (ПМ) и концентрации SH- групп [SH] мембранных белков эритроцитов группы женщин с нормально протекающей беременностью Р 0,05 по сравнению с группой I Р 0,1 по сравнению с группой I уровень SH- групп в мембранных белках эритроцитов беременных женщин. С помощью флуоресцентного и спектрофотометрического методов (использование N-(1-пирен)малеимида и реактива Эллмана соответственно) установлено достоверное снижение уровня SH–групп белков в мембранах эритроцитов в группе женщин с угрозой прерывания беременности). Это свидетельствует об окислительном повреждении белков в мембранах эритроцитов женщин с угрозой прерывания беременности и в эритроцитах беременных с внутриутробной задержкой развития плода. Выявленное снижение уровня селена в плазме крови обследованных групп женщин коррелировало с интенсивностью флуоресценции связанного с изолированными мембранами N-(1-пирен)малеимида, характеризующей уровень SH-групп в мембранных белках. Это указывает на то, что снижение уровня селена в плазме крови беременных способствует окислительному повреждению мембранных белков эритроцитов при нормально протекающей беременности и при угрозе прерывания беременности, но не обнаружено корреляции этих параметров в случае беременности, осложненной внутриутробной задержкой развития плода (рис. 3). Cнижение уровня селена в плазме крови женщин с нормально протекающей беременностью коррелировало также с активностью супероксиддисмутазы в эритроцитах (рисунок 4). r=0,614 Iфл., отн.ед. 1,4 А 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 50 60 70 80 90 100 [C] Se, мкг/кг Iфл., отн.ед. 1,0 r= 0,413 Б 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 50 60 70 80 90 100 [C] Se, мкг/кг Iфл., отн.ед. r= 0,099 В 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 50 55 60 65 70 75 [C] Se, мкг/кг Рисунок 3 - Связь между концентрацией Se в плазме крови и интенсивностью флуоресценции N-(1-пирен) малеимида (рег.= 396 нм), связанного с SH-группами белков в эритроцитарных мембранах женщин с нормально протекающей беременностью (А), с угрозой прерывания беременности (Б) и беременностью, осложненной внутриутробной задержкой развития плода (В) A, отн.ед. r= 0,417 75 70 65 60 55 50 45 40 35 50 60 70 80 90 100 [C] Se, мкг/кг Рисунок 4 - Связь между концентрацией Se в плазме крови и активностью супероксиддисмутазы (А,отн.ед.) в эритроцитах женщин с нормально протекающей беременностью. Таким образом, на фоне снижения концентрации селена в плазме периферической крови женщин при патологии беременности происходит окислительная модификация белков в мембранах эритроцитов и изменение активности ферментов антиоксидантной защиты. Наиболее выражена связь между уровнем селена в плазме крови, активностью супероксиддисмутазы и окислительным повреждением мембранных белков в эритроцитах женщин с нормально протекающей беременностью, а также у женщин с угрозой прерывания беременности, в то время как у беременных с внутриутробной задержкой развития плода такая зависимость не наблюдалась. Литература 1. J. R. Arthur, K. M. Brown, S. J. Fairweather-Tait, H. M. Crew Dietary selenium: why do we need it and much is enough?// Nutr.Food Sci. 1997.V.6.P.225-228. 2. Q. A. Sun, Y. Wu, F. Zappacosta, K. T. Jeang, B.J. Lee, D. L. Hatfield, V. N.Gladyshev Redox regulation of cell signaling by selenocysteine in mammalian thioredoxin reductases // J. Biol. Chem. 1999. V.274. P.24522-24530. 3. O. Andersen, J. Nielsen Effect of simultaneous low-level dietary supplementation with inorganic and organic selenium on whole-body, blood, and organ levels of toxic metals in mice // Environ. Health Perspect. 1994. V. 102. P. 310. 4. А.В. Кудрин, О.А. Громова Микроэлементы в иммунологии и онкологии.М. “ГЭОТАР Медиа“, 2007. 5. В.А. Тутельян, В.К. Мазо, Л.И. Ширина Значение селена в полноценном питании человека // Гинекология. 2002. Т.4. №2. 6. И.В. Глющинский, В.К. Мазо Селен в питании: краткий обзор //Medicina Altera. 1999. №4. С. 1822. 7. T.E. Tuormaa The role of chromium, selenium and copper in human and animal metabolism // J.Orthomol.Med. 1995. V. 10. P. 149164. 8. Mamoru Haratake, Katsuyoshi Fujimoto, Masahiro Ono and Morio Nakayama Selenium binding to human hemoglobin via selenotrisulfide // Biochim.Biophys.Acta. 2005. V.1723. P.215-220. 9. Mamoru Haratake, Katsuyoshi Fujimoto, Hirakawa Ritsuko, Masahiro Ono and Morio Nakayama Hemoglobin-mediated selenium export from red blood cells // JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry 2008. V.13. P.471-479. 10. Mamoru Haratake, Masafumi Hongoh, Masahiro Ono and Morio Nakayama Thiol-dependent membrane transport of selenium through an integral protein of the red blood cell membrane // Inorg.Chem.2009.Vol.48. P.7805-7811. 11. Mamoru Haratake, Masafumi Hongoh, Mihoko Miyauchi, Hirakawa Ritsuko, Masahiro Ono and Morio Nakayama Albumin-mediated selenium transfer by a selenotrisulfide relay mechanism // Inorg.Chem. 2008. V.47. P.6273-6280. 12. Puri D. Free radical reaction in health and disease. //A text book of Biochemistry, 1st ed. New Delhi: BI Churchill Livingstone Pvt.Ltd; 2002.P.769778. 13. E.I.Slobozhanina, N.M.Kozlova, L.M.Lukuanenko, A.V.Tamzshevski O.V.Klimovich, I.N.Potashkina, Lead and selenium levels in blood of reproductive age women with different nutrition status living in Minsk .// Сборник статей YIII съезда Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» Минск, 25-27 июня 2008г. Часть1. с.329-330. 14. Rotruck J.T.,Pope A.L.,Ganther H.E., Swanson A.B., Hafeman D.G., Hoekstra W.G. Selenium: Biochemical role as component of glutathione peroxidase.// Science 1973.V.179.P.538-544. 15. Whanger, P.D. Selenium and its relationship to cancer: an update // Br. J. Nutr.2004.Vol. 91,P. 11–28. 16. J.T.Salonen G.Alfthan, J.K.Huttunen, J.Pikkarainen, P.Puska Assosiation between cardiovascular death and myocardial infarction and serum selenium in a matched pair longitudinal study// Lancet 1982.V.2. P.175-179. 17. N.A. Golubkina, G.Alfthan Selenium status of pregnant women and newborns in the former soviet union //Biological. Trace Element Research. 2002. V.89. N.1. P13-23. 18. K.S. Kumar, A. Kumar, S. Prakash Role of cell selenium in recurrent pregnancy loss // J.Obstet.Gynaecol. 2002. V. 22, P. 181183. 19. J. Neve Selenium and pregnancy // Rev. Fr. Obstet. 1990. V. 85. P. 2933. 20. Barrington J.W., Lindsay P., James D., Smith S., Robert A. Selenium deficiency and miscarriage: a possible link?//Br.J.Obstet.Gynaecol. 1996. V.103. P.130-132. 21. Han L., Zhou S.M. Selenium and incidence of pregnancy induced hypertension // Clin.Med.J. 1994.V.107. P.870-871. 22. A. Karowicz-Bilinska, M. Marszalek, U. Kowalska-Koprek, J. Suzin, P.Sieroszewski Plasma carbonyl group concentration in pregnant women with IUGR treated by L-arginine and acetylsalicylic acid //Ginekol. Pol. 2004. Vol.75, N.1. P.15–20. 23. Касько Л.П., Козлова Н.М., Кутько А.Г. Петрович В.А. Сержан Т.А., Слобожанина Е.И. Маркеры окислительного стресса в эритроцитах беременных с внутриутробной задержкой развития плода //“Медикосоциальная экология личности: состояние и перспективы“ 4-5 апреля 2008 г., Минск. Ч.1. С. 138–141. 24. Н.М. Козлова, Е.И. Слобожанина, А.Г. Кутько, Л.С. Ивашкевич, В.А. Зайцев, Т.А. Сержан, Л.П. Касько Изменение концентрации селена в плазме крови и активность ферментов антиоксидантной защиты в эритроцитах при патологии беременности // Сборник статей YIII съезда Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» Минск, 2527 июня 2008г. Часть1. с.319-321.