超氧化物歧化酶

超氧化物歧化酶(SOD)简述

YB 2012级生物技术

摘要：超氧化物歧化酶首先由Mann和Keilin从牛红细胞中分离提取出,是生物体内一种重要的抗氧化酶,由于其具有清除生物体内超氧阴离子自由基的作用,而引起广大学者的关注。本文概述了SOD的分类、结构、理化性质及研究进展,并对其应用前景进行了展望。

关键词：超氧化物歧化酶;SOD;理化性质

生物体内低浓度超氧阴离子自由基(O-2)是维持生命活动所必需的,其浓度过高时,可引起机体组织细胞氧化损伤,导致机体发生疾病,甚至死亡。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,简称SOD)是清除生物体内超氧阴离子自由基的一种重要抗氧化酶,具有抗衰老、抗癌、防白内障等作用[1],因而受到全世界学术界广泛关注,使之成为涉及分子生物学、微生物学、医学等学科领域及医药、化工、食品等生产行业的一个热门研究课题[2]。

1.SOD的分类

SOD广泛存在于动、植物及微生物中[1]。根据其结合金属种类不同,可分为三类:第一类为Cu·Zn-SOD,呈蓝绿色,相对分子量约为32kDa,主要存在于真核细胞细胞浆、叶绿体和过氧化物酶体内;第二类为Mn- SOD,呈紫红色,相对分子量约为40kDa,主要存在于真核细胞线粒体和原核细胞中;第三类为Fe-SOD,呈黄褐色,相对分子量约为38.7kDa,主要存在于原核细胞及一些植物中[2]。

2.SOD的结构

1975年Richardson得到了Cu?Zn-SOD的三维结构[5],发现它是由2个基本相似的亚基组

成的二聚体,且每个亚基含有1个铜原子

和1个锌原子。2个相同亚基之间通过非

共价键的疏水相互作用而缔合,类似于圆

筒的端面。Cu?Zn-SOD的单个亚基活性中

心结构见图1。

从图中可知Cu与4个来自组氨酸残基

(His44,46,61,118)的咪唑氮配位呈现1个三角双锥畸变的四方锥构型,Zn则与3个来自组氨酸残基(His61,69,78)的咪唑氮和1个天门冬氨酸残基(Asp81)的羧基氧配位,呈畸变的四面体构型。

Mn-SOD和Fe-SOD的结构则比较简单,且二者相似,每个亚基的活性中心金属离子,都是与1个水分子和3个组氨酸(His)残基及1个天门冬氨酸(Asp)残基的羧基氧配位,呈畸变四方锥构型[6]。Mn-SOD和Fe-SOD一般为二聚体或四聚体,每个亚基含0.5一1.0个Mn和Fe 原子。它们在空间结构上与Cu·Zn-SOD不同,含有较高程度的。一螺旋,而件折登较少。

现已有多种生物中的SOD的三维结构登录到GenBank中,并且对其内部结构特征进行了分析。

3.SOD的理化性质

3.1 SOD的主要物化特性

近年来很多专家对SOD的物化特性进行了系统研究,研究结果表明:SOD属酸性蛋白酶,对pH、热和蛋白酶水解等反应比一般酶稳定[7]。将三类SOD的主要物化特性列于表1。Joan

等人指出不同来源的Cu·Zn-SOD具有较高的同源性,它们的物化特性也很相似,据推测它们可能由同一原始酶进化而来。不同来源的Mn-SOD和Fe-SOD也具有相似的物理性质和较高的同源性,它们可能由另一原始酶进化而成。

3.2SOD的活性中心和催化机理

三类SOD的活性中心都含有金属离子。如采用物理或化学方法除去金属离子，则酶活丧失;如重新加上金属离子，则酶活又恢复。

Cu·Zn - SOD的活性中心形态像个椭圆形口袋，口袋底部的Cu2+与4个His和1个H2O 配位，E2+与3个His和1个Asp配位。Cu和Zn离子之间通过共同连接1个His而构成咪唑桥结构[8]。口袋长15A°、宽9A°、深6A°，口袋底部是Cu2+和Zn2+存在的部位，底物就结合于口袋之中。活性中心的His对酶活性至关重要，该残基受损，酶活性丧失，位于活性

中心附近且与Cu2+相距6A°的精氨酸143，因具有正电荷，是进人活性中心的诱导者，并提供H+以加快歧化速度。如果该酶残基被修饰，大部分正电荷消失，不利的进人，酶活性降低99% 。Cu2+和Zn2+对活性中心的作用亦不同，Cu2+是必需的，任何金属取代Cu2+都可使酶失活，而Zn2+被Co2+, Hg2+、Cd2+取代而不影响活性[7]。

Mn-SOD和Fe-SOD的活性中心的金属离子与3个His,1个Asp和1个H2O配位。三类SOD 的活性中心均含有金属离子,His、Asp和H2O[8]。

氧化物可以与Cu2+和Zn2+配位而使酶失活,但不受乙醇、氯仿影响;金属的鳌合剂如EDTA 可除去Cu2+、Zn2+,导致酸失活;H2O2能与Cu2+反应,使Cu2+变成Cu+,导致酶失活;添加·OH清除剂可保护酶的天然结构。Mn-SOD具有抗CN-能力,但可被乙醇、氯仿破坏,Mn-SOD可由氧诱导产生,其增加是和高压氧的量有关,故认为Mn-SOD是内源性0夏的“清道夫”。Fe-SOD能抗CN-,但氧不能诱导Fe-SOD的产生,Fe-SOD是外源性的清除剂。

SOD是生物体内防御氧化损伤的一种十分重要的金属酶,它的作用底物是超氧阴离子,它催化超氧阴离子发生歧化反应,从而清除q。其催化机理是:SOD(氧化型)+ →SOD-（还原型）+，SOD-（还原型）+→ SOD(氧化型)+H2O2，总反应式：

3.3SOD的化学修饰

SOD作为药用酶用于临床受以下因素的影响:①半

衰期短,通常只有6~10min;②分子量大,不易透过细胞

膜;③抗原性;④如用于口服,易被蛋白水解酶水解。鉴

于上述不利因素,对SOD分子进行改造就显得十分重要,

近年很多专家对SOD分子的修饰进行了研究[9~11],目的是

为了提高SOD的稳定性。实验表明:修饰酶不仅完全保

留了天然酶的活性,而且在耐热、耐酸、耐碱和抗胃蛋

白酶水解能力等方面都明显地优于天然酶,修饰酶较天然酶稳定(表2,图2),特别是酶经修饰后大大延长了在体内停留时间[12]。

目前对SOD进行分子修饰改造的途径有:①对SOD氨基酸残基进行化学修饰;②用水溶性大分子对SOD进行共价修饰;③对SOD进行酶切修饰[7]。近年来用水溶性大分子对SOD修饰研究和应用较多,原因有3个方面:①反应条件温和,且酶活保持较好;②形成共价蛋白加合物水溶性好;③具有较好的生物相容性[10]。天然牛血SOD的t1/2的6min,而右旋糖酐SOD、低

分子聚蔗糖SOD、高分子聚蔗糖SOD、聚乙二醇SOD的t1/2;分别为7,14,24,35h[12]。并且聚乙二醇与SOD共价修饰后,除可使半衰期延长外,还可粘附于血管内皮细胞表面,增加了其抗自由基作用[13]。另据Michelson等人报道,SOD被脂质体包裹可明显延长半衰期。将SOD包人脂质质体后不但可提高SOD进人细胞的量,还可以选择性地将SOD导人到一定的器官中[14]。

4.SOD的研究进展

超氧化物歧化酶是生物体防御氧化损伤重要的生物酶。近些年,国内外学者除对动物SOD进行研究外,还对植物SOD和微生物SOD进行了研究。

4.1 微生物SOD的研究进展

近几十年,SOD一直是国内外学者研究的热点。但他们的研究大多集中于从动物血液或脏器中提取SOD,易受原料来源、产品得率、稳定性及安全性等方面的限制。微生物具有原料便宜易得,可大规模生产的优势,因而,近些年很多学者都致力于用微生物发酵生产SOD的研究。上世纪80年代后,美国和日本已先后开发了用发酵法生产SOD,大大降低

了生产成本。目前,国内外在微生物SOD的菌种选育、发酵工艺、分离提纯、生理学研究、基因克隆表达及SOD应用方面都取得一定的研究进展[15,16]。

4.2 植物SOD的研究进展

植物细胞在正常代谢活动和逆境条件下均能产生活性氧。近年来,国内外的专家学者主要研究了SOD与植物抗逆性的关系。研究表明,在逆境条件下,植物的抗性与植物体内能否维持较高的SOD活性水平有关。环境胁迫能诱导植物SOD基因的表达。当前,不同类型的SOD 基因已被转化到多种植物中,有实验结果表明,SOD在转基因植物中的过量表达可以不同程

度地提高植物对环境胁迫的抵抗能力[17,18]。因此,可利用基因工程方法来获得抗逆植株。4.3 动物SOD的研究进展

目前,SOD作为O2-特异清除剂,已被广泛应用于医药、食品及化妆品行业当中。

4.3.1 SOD在医药行业中的应用

SOD由于半衰期短、分子量大、易失活等缺点,不利于临床使用,而基因工程手段对SOD

分子进行化学修饰则成为近些年的研究热点。实验表明,修饰酶不仅完全保留了天然酶的活性,在耐热、耐酸碱度、抵抗蛋白酶水解以及稳定性方面也明显优于天然酶,大大延长了它在体内停留的时间[4]。当前已有多种药用SOD应用于临床中,主要集中于抗炎症、抗衰老、抗辐射、抗肿瘤和自身免疫系统疾病等与活性氧损伤有密切关系的病症中。

4.3.2 SOD在食品工业中的应用

SOD应用于食品工业中,主要是作为食品添加剂和重要的功能性基料。目前,已开发的产品有以大蒜为原料生产的大蒜粉、大蒜油,以猕猴桃为原料生产的猕猴桃汁以及添加SOD的牛奶、咖啡、酸奶、啤酒等保健食品。

4.3.3 SOD在化妆品行业中的应用

由于SOD具有抗衰老作用,它已被广泛应用于化妆品中,对于治疗皱纹、雀斑、粉刺、色素沉着等具有明显作用。因此,含有SOD的化妆品倍受女性青睐。

5.展望

目前,SOD作为药用酶用于临床已有深入研究,但由于其制备纯化工艺复杂,生产成本高,因而在食品中应用不是很广泛,鉴于从微生物中提取SOD存在诸多优点,因此用微生物发酵生产SOD有可能不经过提纯直接用于食品、化妆品及食品添加剂中。随着研究进一步加深,利用微生物生产SOD进入产业化阶段,相信其在医药、食品、化妆品等方面应用更加广泛。

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