硒蛋白结构与营养功能研究进展

张祺悦，张健，李赫*，杨赏赐，于添，刘新旗

（1.北京工商大学食品与健康学院，国家大豆加工产业技术创新中心，北京 100048；2.恩施德源健康科技发展有限公司，湖北 恩施 445000）

硒是人类和动物必需的一种膳食微量元素，1817年被瑞典化学家Berzelius发现并命名。它作为一种对人类健康至关重要的微量元素，近200多年来被广泛研究。国内学者研究发现硒元素的生物调节功能十分广泛，例如具有很强的抗氧化能力，包括细胞对氧化应激的反应、氧化还原信号、细胞分化和蛋白质折叠等[1]，可以增强机体免疫力[2]、延缓衰老[3]、减缓艾滋病发展[4]，在药理学中还经常用于代替放射性元素碘进行配体标记[5]。硒的多重抗氧化活性以及其对多种疾病的预防功能主要归功于现已发现的25种含硒蛋白。例如硫氧还蛋白还原酶（thioredoxin reductase，TrxR）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）和甲状腺激素脱碘酶（iodothyronine deiodinase，DIO）是典型的硒蛋白，它们参与细胞内氧化还原信号的调节，以及氧化还原稳态和甲状腺激素的代谢[6]。因此，硒蛋白与癌症、克山病、病毒感染、免疫反应和甲状腺激素功能异常等人类疾病均有很强的相关性。

食物是人体摄入硒的主要来源，硒的缺乏或过量都会对机体造成不良影响[7]。在中国，硒的成人每天推荐摄入量为60 μg[8]，但由于土壤中硒分布不均的问题，许多地区的居民都容易处于缺硒状态，中国营养学会曾对我国13个省市进行调查，发现成人日平均硒摄入量为 26 μg～32 μg，远低于所推荐的最低摄入量。因此，富硒的营养健康食品已成为人类营养学研究的热门方向，旨在提高人类的健康和营养水平。

目前，硒补充食品种类繁多，而硒蛋白食品是其中最有效的一种。硒蛋白的结构，最佳吸收状态以及与健康之间的关系并不清晰，本文主要对人体中硒蛋白的结构以及营养功能的最新研究成果进行综述，为深入探讨硒蛋白的营养功能提供参考。

1 硒蛋白结构的研究进展

1.1 硒蛋白的种类

自然界中的硒以无机和有机形态存在。无机形态主要有硒酸盐和亚硒酸盐[9]，有机形态主要包括硒代氨基酸、硒肽和硒蛋白等[10]。不同形态的硒表现出不同的生物利用度和毒性水平。总体来说，有机硒比无机硒的生物利用度更高、毒性更小。人类通过饮食摄入的硒主要来源于植物，植物通过根从土壤中吸收各种形态的硒，再通过代谢作用转化为有机形态，如硒代蛋氨酸（selenomethionine，SeMet）和硒代半胱氨酸（selenocysteine，SeC）等含硒氨基酸和硒蛋白[11]。其中SeMet是谷物、豆类，尤其是大豆中主要的硒化合物，它也是动物体内第21个氨基酸，SeC合成的主要前体[12]。Chambers在研究和鉴定某些动物GSH-Px的作用和基因编码过程中首次发现了SeC是由UGA编码的[13]。此外，在人类基因组中已经确定了25个硒蛋白基因[14]，由17个硒蛋白家族组成，有些家族有多个功能相似的基因，其中硒蛋白酶包括GSH-Px（5个基因）、TrxR（3个基因）、DIO（3个基因）和硒磷酸合成酶2（selenophosphate synthetase2，SPS2），其余的硒蛋白包括Sep15、SelH、SelI、SelK、SelM、SelN、SelO、SelP/SepP、SelR、SelS、SelT、SelV和SelW[15]，其中绝大多数已经进行了功能性描述，只有少数硒蛋白如SelH、SelI、SelO的功能还未清晰。

1.2 硒蛋白形态测定和研究方法

1.2.1 高效液相色谱法

高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（high performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry，HPLC-ICP-MS）是分析硒形态最便捷、最灵敏也是最常用的检测方法。电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）具有许多优势，包括选择性好、线性范围宽和检测限相对较低等优点[16]，具有很强的元素特异性和灵敏性，但它无法提供有关样品的分子信息，所以ICP-MS与高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）或气相色谱（gas chromatography，GC）联用就是很好的形态分析技术[17]，即使在复杂的基质中也可以检测痕量的硒[18]。

高效液相色谱-电喷雾质谱（high performance liquid chromatography-electrospray ionization mass spectrometry，HPLC-ESI-MS）与传统的基于蛋白质的技术相比，它可以对蛋白质进行更好地分析[19]。此方法由于利用了应用于质谱检测的多重反应监测技术[20]，因此比其他方法更灵敏和准确[21]，已成为一种更普遍的硒形态分析方法[22]。

高效液相色谱-氢化物发生-原子荧光联用法（high performance liquid chromatography-hydride generation atomic fluorescence spectrometry，HPLC-HG-AFS）是一种检测灵敏度高、使用便捷且成本低廉的用于硒形态检测的常用方法[23]。郭金喜等[24]利用ICP-MS和HPLC-HG-AFS两种方法测量婴幼儿奶粉中的硒，结果表明ICP-MS的不确定度稍低于HPLC-HG-AFS，因此可根据对精确度的要求选择合适的检测方法，若出现偏差建议选择ICP-MS法复核。

1.2.2 毛细管电泳

毛细管电泳-电感耦合等离子体质谱（capillary electrophoresis-inductively coupled plasma mass spectrometry，CE-ICP-MS）是一种分离效率高、稳定性好、重现性高、灵敏性好的硒形态分析方法。毛细管电泳（CE）的特点是分离效率高且成本较低。该技术提供了在一次运行和相对较短的时间内分离分子量范围很宽的大量带电和不带电化合物的能力[25]。CE与ICPMS联用的毛细管电泳-电感耦合等离子体质谱法联用技术，在灵敏度、准确度和分析速度上都有很大的改善。

1.2.3 体积排阻色谱

体积排阻色谱与电感耦合等离子体质谱（size exclusion chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry，SEC-ICP-MS）是一种分离效果十分优秀的硒形态检测方法。尺寸排阻色谱（SEC）已被证明是一种方便的蛋白质分离技术，能够分析一些高分子化合物，对一些生物大分子的分离，通常能保持其天然构象和生物活性。但其分辨力较差，许多分子量相近的化合物很难分离，在许多应用中，SEC已被用作确定金属蛋白的初始分级步骤[26]。

1.2.4 傅立叶变换质谱

傅立叶变换离子回旋共振质谱（fourier transformion cyclotron resonance mass spectrometer，FT-ICR-MS）可成功应用于具有完全相同序列、只有一个元素不同的肽的结构鉴定[27]，具有很高的质量准确度[28]。

2 硒蛋白营养功能的研究

2.1 硒的食物来源

Se是人体必需的微量营养素，在动物和人类健康中具有多种重要功能。元素硒在人体及动物体中主要以硒蛋白的形式参与调节各种生理活动，硒缺乏或过量摄入都会对机体造成不良影响，机体对硒元素的缺乏容易引起克山病、大骨节病等疾病，会降低体内GSH-Px活性，降低抗氧化能力并且直接影响细胞分裂、繁殖、遗传，从而干扰蛋白质的新陈代谢[29]。

构成主要硒源的食物包括谷类食品、坚果、肉类、鸡蛋等，其中蘑菇、巴西坚果和西兰花中硒的累积量较高。硒的日推荐摄入量在不同地区差异较大，中国硒的成人每天推荐摄入量为60 μg，世界卫生组织建议的每天摄入量为 30 μg～50 μg。然而世界上70%的地区缺乏硒，我国有72%的地区缺硒[30]，除了湖北恩施等极少数地区外，绝大多数地区都处于贫硒地带，而每天约20 μg硒是预防克山病的最低标准剂量[31]。因此，发现和研究富硒食品和其他硒补充剂对于提高国民身体健康水平格外重要。

2.2 硒蛋白吸收性

人体对有机硒的吸收优于无机硒[32]，食用富硒生物活性肽食品，可增加体内硒的吸收率以及吸收速度，更加高效的补充硒。孙群等[33]研究对比了无机硒（亚硒酸钠）和有机硒（富硒平菇中的硒）的生物利用率，结果表明富硒平菇中硒的生物利用率更高。人体内大多数蛋白质以肽的形式被吸收，生物活性肽可以通过前体蛋白的酶解而得到，二肽和三肽的吸收速度比具有相同成分的氨基酸更快。食用富硒大豆肽，其在体内吸收率以及吸收速度都强于富硒大豆蛋白[34]。富硒大豆肽不仅提高硒的体内吸收速率，满足人体硒的正常需求量，发挥硒的生理活性，而且硒-肽结合形式，可以发挥硒、肽双重健康功效，二者协同作用不仅能够增强免疫功能还能够提高机体抗氧化能力。刘爱红等[35]研究发现有机硒能显著增强小鼠GSH-Px活性，提高超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性，有效防止血液中脂质过氧化物（lipid peroxidation，LPO）的产生，且其剂量与抑制作用成正相关，硒蛋白比硒多糖生物效应更佳，而亚硒酸钠仅能提高GSH-Px活性。

2.3 抗氧化作用

大多数已被鉴定的硒蛋白都具有一定的抗氧化功能。研究表明，体内存在过多的氧自由基会导致一系列氧化损伤过程，可能会破坏细胞的重要成分DNA和蛋白质，且会导致细胞死亡[36-38]。雷红灵[39]实验表明纯化的恩施碎米荠含硒蛋白对羟自由基和超氧阴离子自由基的清除以及蛋白溶液对丙二醛（malondialdehyde，MDA）生成的抑制表现十分优秀，且饲喂小鼠后促进其生长发育，提高了血液中硒水平，增强了小鼠的总抗氧化能力。刘坤媛等[40]证实食用壶瓶碎米荠含硒蛋白，能显著延长小鼠负重游泳时长，同时提高乳酸清除能力延缓运动性疲劳。由此推测含硒蛋白可能通过清除运动产生的自由基发挥其延缓疲劳作用，但还需进一步证明。

有机硒比无机硒具有更强的抗氧化能力。SeC是第21个氨基酸，所有硒蛋白的一个关键特征是序列中存在SeC残基，少数例外。这种氨基酸位于酶的活性部位，用于催化氧化还原反应[41]，秦芸等[42]比较了普通大米肽、富硒大米肽及SeMet对老龄小鼠体内抗氧化能力的改善作用，结果表明食用富硒大米肽后各项抗氧化能力评价指标改善程度均优于SeMet，且两者显著优于普通大米肽。LIU等[43]研究发现富硒大豆肽通过降低血清谷草转氨酶（glutamic oxaloacetic transaminase，AST）、谷丙转氨酶（glutamic pyruvic transaminase，ALT）活性，提高GSH含量和GSH-Px活性，促进GSH-Px的合成，增加MMP9 mRNA的表达水平，从而减弱CCl4诱导的肝纤维化。

硒蛋白还可通过抑制脂质过氧化保护心脑血管健康。血浆中超过一半的硒以SelP的形式存在，SelP在血管中可直接降低磷脂过氧化氢含量、保护血管内皮细胞免受氧化损伤、抑制低密度脂蛋白的氧化，进一步保护心血管的健康[44]。有实验[45]表明低剂量地喹会导致大鼠血浆F2异前列腺素升高，发生脂质过氧化反应，肝细胞坏死，在给药后2 h～4 h内死亡。给药前12 h补充硒可预防肝坏死和脂质过氧化，与硒补充后血浆中SelP含量的增加密切相关。硒蛋白还可与部分有毒金属离子如汞、铅、铂、砷等结合形成复合物从而保护机体免受伤害[46]，具有一定的解毒作用[47]。且硒通过调节SelP和GPX4的表达，拮抗铬诱导的氧化应激或改变抗氧化防御系统[48]。有研究表明[49]，预先补充硒能有效减缓铬诱导的膜脂过氧化，减少大鼠肝、肾中重金属的积累。

越来越多的证据表明，硒蛋白可以通过清除自由基、增加细胞内抗氧化酶活性和谷胱甘肽水平来抑制氧化应激。因此有机硒作为食品中的天然抗氧化成分对人体健康十分有益。

2.4 提高免疫力

硒蛋白对调节免疫反应起着至关重要的作用。近年来，越来越多的研究证实硒能够增强免疫力、提高抗体水平、提高非特异性免疫、抑制炎症反应[50]。有试验表明在伤口愈合过程中，一些硒蛋白如GPX-1、GPX4、SelS和SelP结合在一起，在炎症阶段起到抗氧化、抑制炎性细胞因子和清除过氧硝酸盐等多种作用[51]。硒可通过提高吞噬过程中吞噬细胞的存活率而增强免疫功能，杜莹等[52]利用硒含量不同的含硒蛋白饲养小鼠，得出含硒量较高的蛋白对免疫力的影响明显优于较低硒含量蛋白，硒含量高的蛋白提高免疫力是由于增强了GSH-Px的活性。硒蛋白可通过多种途径提高免疫功能，而硒肽由于分子量低、吸收性强等特点，提高免疫力效果更显著。FANG等[53]研究富硒大米肽发现其水解度与巨噬细胞的吞噬能力成正相关，较高的水解度表现出了更好的免疫活性与抗氧化能力。

人体需要摄入足够的硒以确保最佳的免疫功能，否则会导致免疫功能受损，影响淋巴细胞的增殖和分化，还可能受到脂质过氧化反应对机体的危害[54]。

2.5 抗肿瘤作用

硒蛋白在预防肿瘤发生、抑制肿瘤生长、促使癌细胞凋亡方面具有明显的作用[55]。刘昆仑[56]研究发现富硒发芽糙米中3种硒蛋白对人胃癌细胞和人肝癌细胞均显示出显著的抑制作用。钟鸣等[57]研究发现富硒蛹虫草硒蛋白多糖对荷瘤小鼠的抑瘤率高达46.92%，且提高了其免疫力。但硒的抗肿瘤机理目前尚未清晰，推测可能来源于多方面作用协同促成的如抗氧化作用、解毒作用、增强免疫力等。

2.6 保证甲状腺功能

甲状腺功能也需要硒蛋白进行调节，至少有11种硒蛋白被表达，如DIO，有3种DIO都是硒蛋白，其中I型和II型通过将甲状腺素（T4）转化为三碘甲腺原氨酸（T3）激活甲状腺激素，III型使T3失活[58]。它们在胚胎发育和代谢率调节中起着重要作用。硒蛋白与自身免疫性甲状腺炎、甲状腺结节及甲状腺癌等的发生发展息息相关[59]，如自身免疫性甲状腺炎患者需服用硒补充剂辅助治疗[60]。

3 结语

硒对人体的重要性越来越受到重视，通过食品途径补充人体内的硒含量已经成为了目前功能性食品的研究热点之一。硒蛋白检测方法主要有HPLC-ICPMS、CE-ICP-MS、FT-ICR-MS等方法，采用较多的是HPLC-ICP-MS，技术联用对其进行形态分析已十分成熟。目前硒的营养功能研究主要集中在提高免疫和抗氧化功能的体外研究，但硒蛋白摄入量与提高免疫和抗氧化功能在体内的量效关系尚不清楚。食物来源的富硒蛋白是有效的硒补充剂，富硒肽作为富硒蛋白的酶解产物，其在吸收率以及吸收速度更有优势。富硒肽将是较有前景的新型补硒食品原料，硒蛋白和硒肽将广泛应用于日常营养补充食品或保健食品。