Эссенциальность селена (Se) для организма человека, участие этого микроэлемента в повышении иммунитета, антиоксидантного статуса и защите от кардиологических и ряда онкологических заболеваний, воздействия тяжелых металлов, нормализации репродуктивной функции и оптимизации работы мозга являются важнейшими стимулами исследований химических форм микроэлемента в живой природе и путей оптимизации селенового статуса населения. Известно, что около 15% населения мира, включая население многих развитых стран и России, испытывают недостаток потребления Se [1]. Являясь аналогом серы, Se способен замещать последнюю в различных соединениях, образуя соответственно селенаты (+6), селениты (+4), селениды (-2), а также органические производные. Среди возможных путей поступления микроэлемента в организм человека (с водой, воздухом, пищей) продукты питания занимают первое место как в количественном, так и в качественном отношении. В настоящее время общепризнано, что биологическая активность Se определяется не только дозой, но и химической формой, и, что особенно важно, именно химическая форма прежде всего ответственна за антиканцерогенные и кардиопротекторные действия производных Se [2].
В большинстве стран мира зерновые как основные пищевые продукты служат важнейшими источниками Se для человека. Так, для России вклад зерновых в обеспеченность микроэлементом жителей составляет около 50%, в Финляндии и Великобритании - от 20 до 30% (табл. 1). Установлена прямая корреляция между уровнем Se в сыворотке крови населения различных регионов России и содержанием этого элемента в пшенице [3]. Различия в биогеохимических условиях проживания, в частности разная биодоступность Se почв для растений, составляют важнейшую причину огромных вариаций как в селеновом статусе населения разных стран мира, так и в содержании Se в основных пищевых продуктах. В мире выявляемые уровни Se в зерновых составляют интервал концентраций от 4-5 мкг/кг (эндемические регионы глубокого дефицита микроэлемента, например, Читинская область, Монголия) до 600 мкг/кг (США, Канада). Показательно, что в районах селенозов (например, отдельные провинции Индии) уровень Se в пшенице может достигать 70 мг/кг и более.
)
Концентрация Se в мышечной ткани сельскохозяйственных животных варьирует от 10 до 360 мкг/кг сырой массы, рыбы - от 10 до 1000 мкг/кг. При этом морепродукты и пелагические виды рыбы содержат наибольшие количества микроэлемента [4]. Важную роль в обеспеченности Se населения играет специализированная пищевая продукция диетического лечебного и профилактического питания.
В целом уровень потребления микроэлемента человеком зависит от места проживания, интенсивности импорта пищевых продуктов, особенно зерновых, из других регионов и уровней потребления белка, поскольку среди органических форм Se наиболее распространены белковые производные, содержащие в своем составе аминокислоты селенометионин (SeMet) и селеноцистеин (SeCys).
Разработка условий разделения и идентификации производных Se с использованием масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, высокоэффективной жидкостной хроматографии и стабильных изотопов [5] дало возможность установить важнейшие природные соединения Se в живой природе и охарактеризовать принципиальные пути метаболизма микроэлемента у человека, животных и растений. Стадии метаболизма Se в растениях представлены на рис. 1.
Ключевым соединением метаболических превращений микроэлемента является селенид, образующийся последовательным восстановлением Se6+ с участием восстановленного глутатиона. Дальнейшее образование SeCys и SeMet обеспечивает формирование селенсодержащих белков. В условиях нагрузки Se образуются метилированные формы, причем часть из них (диметил-селениды) являются летучими соединениями, а часть -производными Cys и Met (SeMe-SeCys, γ-Glu-SeMe-SeCys, SeMe-SeMet), не способными включаться в белки и изменять их биологическую активность. Такой механизм служит эффективным способом защиты растений от токсического воздействия соединений Se [2].
В растениях - гипераккумуляторах Se его предпочтительной формой является SeMe-SeCys и диметилдиселенид (DMDSe) (рис. 2).
)
Среди представленных в табл. 2 соединений Se наиболее часто в живой природе встречаются SeMet, SeCys, метилированные формы этих аминокислот (SeMe-SeMet, SeMe-SeCys, γ-Glu-SeMe-SeCys) и летучие соединения (DMSе и DMDSе). Показано существование полисахаридных производных Se (в обогащенном картофеле) [6]. Установлена возможность образования эфиров Se с длинноцепочечными углеводородами, объясняющая накопление микроэлемента в растительных восках и воске пчел [7]. По нашим данным, уровень Se в пчелином воске (Курская область) составляет около 150 мкг/кг.
)
Общепризнано, что образование летучих DMSe и DMDSe у растений и животных при значительной нагрузке Se отражает защиту организмов от токсического действия Se. Особый интерес вызывают метилированные формы Se-содержащих аминокислот и пептидов, обладающие выраженным антиканцерогенным действием [2].
Обращает внимание принципиальное различие в химических формах Se продуктов растительного и животного происхождения. Так, неотъемлемыми компонентами органов и тканей животных является наличие SeCys и SeMet как в свободном виде, так и в составе соответствующих белков, в то время как в растениях преобладает SeMet. Если синтез SeCys кодируется в организме млекопитающих и рыбы генетически (SeCys является, таким образом, 21-й эссенциальной аминокислотой), то SeMet синтезируется исключительно в растениях из неорганических селенатов и селенитов, включаясь в белки организма человека неспецифически и образуя так называемый селеновый пул. Интересно, что в куриных яйцах SeMet накапливается предпочтительно в белке (>50%), а SeCys - в желтке (>50%). В коровьем молоке Se в равной степени присутствует в виде SeCys и SeMet, однако при внесении в корма Se-содер-жащих премиксов в продукте преобладает SeMet.
Растения - важнейшие организмы на Земле, отличающиеся максимально выраженной способностью превращать неорганические формы Se в органические. В зависимости от устойчивости организма к высоким концентрациям Se и способности накапливать определенные уровни микроэлемента без видимых явлений токсикозов все растения делят на неаккумуляторы, вторичные аккумуляторы и гипераккумуляторы Se. Типичными местами произрастания последних растений являются районы селенозов, а уровни накопления Se в растительной ткани в этих регионах достигают 10 г на 1 кг сухой массы [8]. Важнейшими представителями гипераккумуляторов являются некоторые астровые, отдельные представители астрагалов и Stanleya pinnata. Группу вторичных аккумуляторов селена составляют, как правило, представители рода Allium и Brassica - растений, накапливающих значительные количества аналога Se -серы. В обычных условиях вегетации концентрация Se в этих растениях невелика, однако при нагрузке Se уровень аккумулирования микроэлемента может достигать 1 г на 1 кг сухой массы. Однако большинство сельскохозяйственных растений крайне чувствительны к повышенным концентрациям Se и аккумулируют, как правило, не более 100 мкг/кг, лишь при нагрузке этим микроэлементом увеличивая содержание Se до 1-5 мг на 1 кг сухой массы. Наиболее изученными вторичными аккумуляторами Se служат чеснок, лук, брокколи, получившая широкое распространение в европейских странах китайская листовая капуста пак-чой, брюссельская капуста.
Вопрос обогащения сельскохозяйственных растений Se диктуется как возможностью эффективной оптимизации селенового статуса населения путем повышения содержания Se в основных пищевых продуктах, так и возможностью защиты организма от сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. Объектами первого направления являются: 1) пшеница и рис, являющиеся основными продуктами в питании более половины населения мира; 2) кукуруза, наиболее широко используемая в большинстве стран Африки и Центральной Америки; 3) фасоль - традиционная культура Африки и Латинской Америки. Объектами второго направления служат овощные культуры.
В настоящее время общепризнано, что агрохимическое обогащение растений Se - наиболее перспективный прием решения проблемы недостаточности Se у человека и животных [2]. В зависимости от метода внесения микроэлемента (в почву, опрыскивание раствором солей селена, вымачивание семян в растворе солей Se) и формы вносимого Se (селенат, селенит, органический селен) компонентный состав Se-содержащих соединений и концентрации последних в растениях будут изменяться. Тем не менее можно выделить предпочтительные формы микроэлемента в конечных продуктах (табл. 3). Практически во всех сельскохозяйственных растениях обогащение Se приводит к образованию значительных количеств SeMet, в то время как у овощных культур наряду с SeMet также интенсивно синтезируются метилированные формы.
)
Известные исследования биологического действия таких продуктов подтверждают перспективность рассматриваемого направления. Листья зеленого чая после биофортификации растений Se проявляют антиканцерогенную активность по отношению к раку прямой кишки, легких, а также обладают пребиотическими свойствами, способствуя росту и развитию бифидо-и лактобактерий в кишечнике более интенсивно, чем чай, не обогащенный микроэлементом [22]. В крупномасштабных исследованиях [23] было установлено, что обогащенные пекарские дрожжи, в которых основной формой Se является SeMet, в дозе 200 мкг Se в день снижают риск возникновения и развития рака предстательной железы и рака желудка. Выявлен дозозависимый ингибирующий эффект бразильских орехов (в интервале 1-3 мг Se на 1 кг корма) на подавление химически индуцируемой опухоли молочной железы у крыс [2]. Аналогичные результаты были получены при введении в корм лабораторным животным обогащенного селеном чеснока в дозе 3 мг Se на 1 кг корма [24]. Селеноцистин в дозе 0,3 г Se на 1 т корма уменьшал уровень аккумулирования As, Pb и Sn в мышечной ткани перепелов соответственно на 21, 69 и 63% [25].
Использование селеноцистина в составе подкормки семей-стартеров повышало выход маток пчел [26]. На раковых клетках предстательной железы человека установлено, что проростки брокколи, обогащенные Se, ингибируют пролиферацию клеток, уменьшают секрецию простатического специфического антигена и индуцируют апоптоз раковых клеток [27]. Потребление брокколи, обогащенной Se, в дозе 2 мкг Se на 1 г корма достоверно снижало число случаев химически индуцированного рака прямой кишки у крыс [28], а также уменьшало частоту случаев опухолей тонкой (в 1,4 раза) и толстой кишки (в 4,5 раза) в опыте на множественной кишечной неоплазии мышей [29]. Показано значительное снижение частоты случаев химически индуцированной опухоли молочной железы (на 46%) у крыс при введении в корм проростков дайкона (ближайший родственник редиса), обогащенных Se [30]. Установлено, что потребление паприки, обогащенной Se, в дозе 90 мкг Se/день на фоне ежедневного приема 300 мг ацетата витамина Е позволяет сократить время лечения и увеличить продолжительность ремиссии больных с острым алкогольным гепатитом [31].
В связи с важной биологической ролью производных Se овощных культур в настоящее время в ряде стран налажено промышленное производство отдельных продуктов растениеводства, обогащенных Se: чеснока в США (фирма "Sabinsa"), зеленого чая в Китае (Yulu green tea, фирма "Enshi Lizheng Trade Co."), томатов в Великобритании (фирма "Marks&Spencer"). В России единственным, наверное, выпускаемым в промышленном масштабе функциональным продуктом питания с повышенным содержанием Se являются куриные яйца. Продукты растениеводства, обогащение которых обеспечивает накопление в продуктах биологически активных метилированных форм Se-содержащих аминокислот, в стране отсутствуют, а разработки в этом направлении до сих пор не выходят за рамки вегетационных/лабораторных исследований.
Очевидно, с позиции практики разработка технологии обогащения овощной продукции Se и промышленное внедрение таких технологий в России может стать важным этапом в снижении уровня смертности от кардиологических и онкологических заболеваний и улучшении здоровья населения.
Литература
1. Combs G.F. Selenium in global food systems // Br. J. Nutr. 2001. Vol. 85. P. 517-547.
2. Fairweather-Tait S.J., Bao Y., Broadley M.R., Collings R. et al. Selenium in human health and disease // Antioxid. Redox Signal. 2011. Vol. 14, N 7. P. 1337-1383.
3. Golubkina N.A., Alfthan G.V. The human selenium status in 27 regions of Russia // J. Trace Elem. Med. Biol. 1999. Vol. 13, N 1-2. P. 15-20.
4. Голубкина Н.А., Папазян Т.Т. Селен в питании. Растения, животные, человек. 2006. М. : Печатный город, 269 с.
5. B'Hymer C., Caruso J.A. Selenium speciation analysis using inductively coupled plasma-mass spectrometry // J. Chromatogr. A. 2006. Vol. 1114. P. 1-20.
6. Cuderman P., Kreft I., Germ M., Kova M. et al. Selenium species in selenium-enriched and drought-exposed potatoes // J. Agric. Food Chem. 2008. Vol. 56. P. 9114-9120.
7. Rosenfeld I., Beath O.A. Selenium Geobotany, Biochemistry, Toxicity and Nutrition. New York; London : Acad. Press, 2013. 411 р.
8. Pilon-Smith E.A.H., Quinn C.F. Selenium metabolism in plants // Cell Biology of Metals and Nutrients. Plant Cell Monographs. Berlin : Springer, 2010. Vol. 17. P. 225-241.
9. Pyrzynska K. Selenium speciation in enriched vegetables // Food Chem. 2009. Vol. 114. P. 1183-1191.
10. Zhao Y.Q., Zheng J.P., Yang M.W., Yang G.D. et al. Speciation analysis of selenium in rice samples by using capillary electrophoresis-inductively coupled plasma mass spectrometry // Talanta. 2011. Vol. 84, N 3. P. 983-988.
11. Golob A., Germ M., Kreft I., Zelnik I. et al. Selenium uptake and Se compounds in Se-treated Buckwheat // Acta Bot. Croat. 2016. Vol. 75, N 1. P. 17-24.
12. Smrkolj P., Osvald M., Osvald J., Stibilj V. Selenium uptake and species distribution in selenium-enriched bean (Phaseolus vulgaris L.) seeds obtained by two different cultivations // Eur. Food Res. Technol. 2007. Vol. 225. P. 233-237.
13. Ogra Y., Ishiwata K., Ruiz Encinar J., Lobinski R. et al. Speciation of selenium in selenium-enriched shiitake mushroom, Lentinula edodes // Anal. Bioanal. Chem. 2004. Vol. 379. P. 861-866.
14. Eiche E., Bardelli F., Nothstein A.K., Charlet L. et al. Selenium distribution and speciation in plant parts of wheat (Triticumaestivum) and Indian mustard (Brassica juncea) from a seleniferous area of Punjab, India // Sci. Total Environ. 2015. Vol. 505. P. 952-961.
15. Thosaikham W., Jitmanee K., Sittipout R., Maneetong S. et al. Evaluation of selenium species in selenium-enriched pakchoi (Brassica chinensis Jus lvar parachinensis (Bailey) Tsen& Lee) using mixed ion-pair reversed phase HPLC-ICP-MS // Food Chem. 2014. Vol. 145. P. 736-742.
16. Kapolna E., Laursen K.H., Husted S., Larsen E.H. Bio-fortification and isotopic labeling of Se metabolites in onions and carrots following foliar application of Se and 77Se // Food Chem. 2012. Vol. 133, N 3. P. 650-657.
17. Vonderheide A.P., Wrobel K., Kannamkumarath S.S., B'Hymer C. et al. Characterization of selenium species in Brazil nuts by HPLC-ICP-MS and ES-MS // J. Agric. Food. Chem. 2002. Vol. 50, N 20. P. 5722-5728.
18. fapolna E., Fodor P. Bioavailability of selenium from selenium-enriched green onions (Allium fistulosum) and chives (Allium schoenoprasum) after in vitro gastrointestinal digestion // Int. J. Food Sci. Nutr. 2007. Vol. 58, N 4. P. 282-296.
19. Kapolna E., Hillestrom P.R., Laursen K.H., Husted S. et al. Effect of foliar application of selenium on its uptake and speciation in carrot // Food Chem. 2009. Vol. 115, N 4. P. 1357-1363.
20. Funes-Collado V., Morell-Garcia A., Rubio R., Lopez-Sanchez J. Fermin Study of selenocompounds from Se-enriched culture of edible sprouts // Food Chem. 2013. Vol. 141, N 4. P. 3738-3743.
21. Arulselvi N.D., Arulselvi P.I. Effect of selenium fortification on biochemical activities of tomato (Solanum Lycopersicum) plants // Indo Am. J. Pharm. Res. 2014. Vol. 4, N 10. P. 3997-4005.
22. Liang J., Puligundla P., Ko S., Wan X.-C. A Review on Selenium-Enriched Green Tea: Fortification Methods, Biological Activities and Application Prospect // Sains Malaysiana. 2014. Vol. 43, N 11. P. 1685-1692.
23. Clark L.C., Combs G.F., Turnbull D.W. et al Effects of selenium supplementation for cancer prevention in patients with carcinoma of the skin // JAMA. 1996. Vol. 276, N 24. P. 1957-1963.
24. Ip C., Lisk K.D., Stoewsand G.S. Mammary cancer prevention by regular garlic and selenium-enriched garlic // Nutr. Cancer. 1992. Vol. 17. P. 279-284.
25. Полубояринов П.А., Голубкина Н.А., Глебова Н.Н. Перспективность использования селеноцистина для получения обогащенных селеном мяса и яиц перепела японского (Coturnix coturnix japonica) // Вестн. ОрГУ. 2016. № 10 (198). С. 74-78.
26. Полубояринов П.А., Невитов М.Н., Остапчук А.В., Цыганов С.В. Вывод пчелиных маток с использованием селен содержащих препаратов // Пчеловодство. 2016. № 3. С. 16-18.
27. Abdulah R., Faried A., Kobayashi K., Yamazaki C., Suradji W. et al. Selenium enrichment of broccoli sprout extract increases chemosensitivity and apoptosis of LNCaP prostate cancer cells // BMC Cancer. 2009. Vol. 9. P. 414-418.
28. Finley J.W., Davis C.D., Feng Y. Selenium from high selenium broccoli protects rats from colon cancer // J. Nutr. 2000. Vol. 130, N 9. P. 2384-2389.
29. Davis C.D., Zeng H., Finley J.W. Selenium-enriched broccoli decreases intestinal tumorigenesis in multiple intestinal neoplasia mice // J. Nutr. 2002. Vol. 132, N 2. P. 307-309.
30. Yamanoshita O., Ichihara S., Hama H., Ichihara G. et al. Chemopreventive effect of selenium-enriched Japanese radish sprout against breast cancer induced by 7,12-dimethylbenz[a]anthracene in rats // Tohoku J. Exp. Med. 2007. Vol. 212, N 2. P. 191-198.
31. Рудь С.С., Буякова Н.Г., Голубкина Н.А., Ковальский Ю.Г. и др. Пат. РФ № 2555536. Способ комбинированного лечения острого алкогольного гепатита органическим селеном и витамином Е. 2015.
32. Khairia M. Al-Ahmary selenium content in selected foods from Saudi Arabian market and estimatiom of the daily intake // King Saud University Arabian J. Chem. 2009. Vol. 2. P. 95-99.
33. Choi Y., Kim J., Lee H-S., Kim Cho-il et al. Selenium content in representative Korean foods // J. Food Comp. Anal. 2009. Vol. 22. P. 117-122.