گلوتاتیون پراکسیداز آنتی اکسیدان قوی در طیور

مقدمه

گلوتاتیون پراکسیداز (GPx) یک آنزیم سیتوزولی است که کاهش پراکسید هیدروژن به آب و اکسیژن و همچنین کاهش رادیکال‌های پراکسید به الکل و اکسیژن را کاتالیز می‌کند. گلوتاتیون پراکسیداز نام کلی یک خانواده آنزیمی با فعالیت پراکسیداز است که نقش اصلی بیولوژیکی آن محافظت از ارگانیسم‌ها در برابر آسیب اکسیداتیو است.

گلوتاتیون پراکسیداز به عنوان یک سلنوپروتئین در سال 1973 توصیف شد و از آن زمان، اطلاعات زیادی برای تأیید نقش مهم آن در شبکه دفاعی آنتی اکسیدانی در همه حیوانات، از جمله طیور جمع آوری شده است.

ایزوآنزیم‌های گلوتاتیون پراکسیداز

چندین ایزوآنزیم درگلوتاتیون پراکسیداز وجود دارد که توسط ژن‌های مختلف کد گذاری می‌شوند. ایزوآنزیم‌ها در جایگاه‌های متفاوتی از سلول قرار گرفته‌اند و دارای ویژگی سوبسترایی متفاوتی هستند. گلوتاتیون پراکسیداز 1 (GPX1) فراوان ترین ایزوآنزیم است و تقریبا در سیتوپلاسم تمام بافت‌های پستانداران وجود دارد و سوبسترای ترجیحی آن پراکسید هیدروژن است. گلوتاتیون پراکسیداز2(GPX2) آنزیم روده ای وخارج سلولی می‌باشد و در لومن روده وجود دارد. گلوتاتیون پراکسیداز 3 (GPX3) نیز خارج سلولی بوده و در پلاسما به فراوانی یافت می‌شود.

گلوتاتیون پراکسیداز سلولی در همه بافت‌های بدن حضور دارد اما بیماری‌های مختلف روی فعالیت و سطح آن تأثیرمنفی می‌گذارند. گلوتاتیون پراکسیداز 4 (GPX4) تأثیربالایی بر هیدروپراکسیدهای لیپیدی دارد و تقریبا در تمام سلول‌های پستانداران است اما در سطح بسیار پایین مطرح می‌شود. سنجش فعالیت آنزیم گلوتاتیون پراکسیداز می‌تواند ابزار تشخیصی برای تعدادی از بیماری‌ها نیزباشد.

واکنش شیمیایی

ترکیبات لیپیدی سلول نسبت به رادیکال‌های آزاد حساس هستند و در اثر واکنش، لیپید پراکسید تولید می‌کنند. آنزیم‌های GPX با استفاده از گلوتاتیون، پراکسیدها را به الکل کاهیده و از تشکیل رادیکال های آزاد جلوگیری می‌کنند. در واقع گلوتاتیون پراکسیدازها کاهش پراکسید هیدروژن (آب اکسیژنه) و طیف گسترده ای از پراکسیدهای آلی به الکل و آب را با استفاده از گلوتاتیون سلولی کاتالیز می‌کنند.

سلنوسیستئین به طور مستقیم به سوبسترای پراکسیدی الکترون می‌دهد و طی فرآیند، اکسید می‌شود. سپس آنزیم از گلوتاتیون کاهش یافته، به عنوان دهنده‌ی هیدروژن استفاده می‌کند تا سلنوسیستئین بازسازی شود. واکنش اصلی که توسط گلوتاتیون پراکسیداز کاتالیز می‌شود عبارت است از:

2GSH + H₂O₂ → GS–SG + 2H₂O

که در آن GSH نشان دهنده گلوتاتیون مونومر کاهش یافته و GS-SG نشان دهنده گلوتاتیون دی سولفید است. این مکانیسم شامل اکسیداسیون سلنول باقیمانده سلنوسیستئین توسط پراکسید هیدروژن است. این فرآیند مشتق را با یک گروه اسید سلنیک (RSeOH) می‌دهد. سپس سلنیک اسید توسط یک فرآیند دو مرحله ای به سلنول تبدیل می شود که با واکنش با GSH شروع می‌شود تا GS-SeR و آب تشکیل شود. مولکول دوم GSH، واسطه GS-SeR را به سلنول کاهش می‌دهد و GS-SG را به عنوان محصول جانبی آزاد می‌کند.

یک نمایش ساده در زیر نشان داده شده است:

RSeH + H₂O₂ → RSeOH + H₂O

RSeOH + GSH → GS-SeR + H₂O

GS-SeR + GSH → GS-SG + RSeH

گلوتاتیون ردوکتاز سپس گلوتاتیون اکسید شده را کاهش می دهد تا چرخه کامل شود

GS–SG + NADPH + H⁺ → 2 GSH + NADP⁺

نقش بیولوژیکی و مقابله با استرس اکسیداتیو

پیشرفت‌های اخیر در شناسایی و تعیین خصوصیات سلنوپروتئین در رابطه با وضعیت سلنیوم طیور، منابع غذایی سلنیوم و شرایط استرس می‌تواند نقش GSH-Px را در بیولوژی پرندگان روشن کند. ژن NCBI برای ژن GPX3 پروتئین کدگذاری شده توسط این ژن متعلق به خانواده گلوتاتیون پراکسیداز است که اعضای آن کاهش هیدروپراکسیدهای آلی و پراکسید هیدروژن (H2O2) توسط گلوتاتیون را کاتالیز می‌کنند و در نتیجه از سلول‌ها در برابر آسیب اکسیداتیو محافظت می‌کنند.

گلوتاتیون پراکسیداز جهت محافظت ارگانیسم‌ها در برابر آسیب‌های اکسیداتیو عمل می‌کند. GSH-Px با عملکرد بیوشیمیایی باعث کاهش هیدروپراکسیدهای لیپیدی به الکل‌های مربوطه و کاهش پراکسید هیدروژن آزاد به آب می‌ شود. آنزیم‌های GPx با استفاده از گلوتاتیون، پراکسیدها را به الکل کاهیده و از تشکیل رادیکال‌های آزاد جلوگیری می‌کنند.

در واقع گلوتاتیون پراکسیدازها کاهش پراکسید هیدروژن (آب اکسیژنه) و طیف گسترده ای از پراکسیدهای آلی به الکل مربوطه و آب را با استفاده از گلوتاتیون سلولی کاتالیز می‌کنند. گلوتاتیون فراوان‌ترین ترکیب تیول دار غیرپروتئینی با جرم مولکولی پایین می‌باشد که نقش مهمی را در دفاع سلولی علیه استرس اکسیداتیو به عنوان کوفاکتور گلوتاتیون پراکسیداز برعهده دارد؛ همچنین گلوتاتیون درتنظیم بیان ژن،‌ انتقال سیگنال، تکثیر و مرگ سلولی، تولید سیتوکین‌ها و پاسخ ایمنی دخیل می‌باشد. نسبت گلوتاتیون احیا به گلوتاتیون اکسید مهمترین شاخص کارایی و سلامتی یک سلول می‌باشد.

ساختار شیمیایی گلوتاتیون

گلوتاتیون پراکسیداز حاوی چهار اتم سلنیوم است وپس از ویتامین E یک خط دفاعی ثانویه تشکیل می‌دهد. اکثر گلوتاتیون پراکسیدازهای سلولی تترامر هستند و از مونومرهای 22 کیلو دالتونی تشکیل شده‌اند که یک جزء سلنوسیستئین در جایگاه فعال خود دارند. خانواده GSH-Px شامل حداقل هشت عضو است و چهار عضو از آنها (GSH-Px1، GSH-Px2، GSH-Px3 و GSH-Px4) در حیوانات سلنوپروتئین هستند.

آنها با ویژگی گونه و بافت در بیان و فعالیت خود مشخص می‌شوند. وضعیت بهینه سلنیوم در بافت‌های بدن برای حداکثر بیان GSH-Px کلیدی است و بنابراین، در تحقیقات پرندگان، فعالیت GSH-Px به طور گسترده به عنوان نشانگر زیستی برای تعیین وضعیت و نیازهای Se استفاده می‌شود. از طرفی GSH-Px یک آنزیم القایی است و فعالیت آن به سطح استرس بستگی دارد و می تواند به عنوان شاخص دفاع آنتی اکسیدانی مورد استفاده قرار گیرد. در پرورش طیور گوشتی دو شکل GSH-Px وابسته به Se (GSH-Px1) و GSH-Px4)) بیشترین توجه را به خود جلب کرده است. چندین ایزوآنزیم از این خانواده ژن، در مهره داران وجود دارد که از نظر مکان سلولی و ویژگی سوبسترا متفاوت است.

این ایزوآنزیم به وفور در پلاسما یافت می‌شود و یک سلنوپروتئین است که حاوی اسید آمینه کمیاب سلنوسیستئین (Sec) در محل فعال خود است. Sec توسط کدون UGA کدگذاری می شود که معمولاً سیگنال پایان ترجمه را نشان می‌دهد. سیستم آنتی اکسیدانی مرغ پیچیده و به خوبی تنظیم شده است. گلوتاتیون پراکسیداز (GSH-Px) متعلق به سطوح اول و دوم شبکه آنتی اکسیدانی است و در تنظیم بسیاری از مسیرهای سلولی مهم از جمله حفظ تعادل ردوکس و سیگنال دهی نقش دارد.

تنها GSH-Px1 و GSH-Px4 به خوبی مشخص می‌شوند و به عنوان آنزیم های مهم شرکت کننده در سازگاری مرغ با تنش‌های تجاری مرتبط توجه را به خود جلب کرده‌اند. در طیور خانواده GSH-Px شامل چهار شکل وابسته به Se از آنزیم است. در واقع طیف وسیعی از عوامل تغذیه‌ای مختلف (مکمل سل، آنتی اکسیدان‌ها، عصاره‌های گیاهی، پروبیوتیک‌ها، داروها، مایکوتوکسین‌ها) و محیطی (استرس دما، حمل‌ونقل، بیماری) وجود دارد که فعالیت GSH-Px را تعدیل می‌کند. این آنزیم‌های القایی در سازگاری با استرس و مکمل‌سازی سلنیوم در غلظت‌های بهینه نقش دارند که به موجب آن برای حفظ سیستم آنتی‌اکسیدانی در شرایط تنش در تولید تجاری طیور کلیدی هستند.

اهمیت بالینی گلوتاتیون

آنزیم گلوتاتیون پراکسیداز به همراه ویتامین  E از سلولها در برابر صدمات اکسیداتیو ناشی از رادیکال‌های آزاد محافظت می‌کند. رادیکال‌های آزاد ضمن متابولیسم سلولی تشکیل شده و بدلیل توانایی وارد آوردن آسیب در غشاهای سلولی ،آنزیم‌ها و مواد هسته ای سلول برای تداوم حیات حیوان باید به ترکیباتی با فعالیت کمتر تبدیل شود.

فعالیت این آنزیم در صورت کمبود مس در کبد و پلاسما کاهش می‌یابد. حفظ تعادل عملکرد ردوکس سلول برای تعیین سرنوشت سلول کلیدی است. در سیستم ردوکس حیاتی سلول‌ها، گلوتاتیون پراکسیداز (GPX) برجسته‌ترین خانواده پروتئین‌ها با عملکرد چندوجهی است که تقریباً بر تمام فرآیندهای سلولی تأثیر می‌گذارد. در مجموع گلوتاتیون پراکسیدازها مدت‌هاست به عنوان آنزیم‌های آنتی اکسیدانی برای ایفای نقش مهمی در مبارزه با استرس اکسیداتیو و حفظ تعادل ردوکس استفاده می شوند. با این حال، هر یک از اعضای خانواده GPX مکانیسم عمل و مکان عمل متفاوتی در حفظ تعادل ردوکس دارند.

GPX1 وGPX4 از سلنوسیستئین به عنوان مرکز فعال برای کاتالیز کردن کاهش H2O2 یا هیدروپراکسیدهای آلی به آب یا الکل‌های مربوطه استفاده می‌کنند و در نتیجه سمیت آنها را کاهش می‌دهند و تعادل ردوکس را حفظ می‌کنند. GPX4 علاوه بر کاهش H2O2 و هیدروپراکسیدهای مولکولی کوچک، توانایی کاهش ترکیبات لیپیدی پیچیده را نیز دارد. این تنها آنزیمی از خانواده GPX است که به طور مستقیم هیدروپراکسیدهای لیپیدی را کاهش و از بین می‌برد. با درک عمیق از نقش اعضای خانواده GPX در توسعه سلامت و بیماری، تعادل ردوکس به هسته عملکردی خانواده GPX تبدیل شده است.

نگارنده: دکتر محمدرضا قهرمانیان، متخصص تغذیه طیور

ویرایش: رضا یزدی