超氧化物歧化酶研究进展_胡一鸿

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NO+ H 2O 2 H 2 N 2O 2 ( H2 N 2 O 2 随 后 水 解
NO + NO + 2H 成 N 2 O 和 H 2O)
生物学教学 2005 年( 第 30 卷) 第 1 期
Stefan 认 为, 在 有 氧 条 件 下, NO - 与 NO 形 成
N 2O 2
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SOD 和 FeSOD, 线 粒 体中 为 M nSOD 。烟 草的 这 三 种 SOD 的表达调节机理各不相同, 胞浆中的 CuZnSOD 受 热激和超氧化物自由 基的 调控; FeSOD 主要 受光合 作 用的调控; MnSOD 主要与线粒体的呼吸代谢有关。 4 SOD 的基因工程 目前, 在基因库中已经 登记的 SOD 基 因已有上 千 个, 来自各种微生物、 动物 和植物 等, 并有多 种 SOD 已 经在大肠杆菌、 酵母等载体中得到表 达, 在植物中也 得 到多种 SOD 的 cDNA 克隆并转化 成功了 不同的植 株, 获得了 SOD 活性增强 转基因 植株。通 过对转 SOD 基 因种子的水培 试验, 发现转 基因 烟草植 株能在 叶绿 体 中过量 表 达 FeSOD, 在 叶 绿 体 和 线 粒 体 中 过 量 表 达 MnSOD, 其 SOD 活 性都 比 没经 转 化的 对 比植 株 高 许 多。在缺 Mn 的 环境 中, 转 化后 的植株 的耐 受 力高 于 未经转化的植株, 说明转基因植株中 SOD 的过量表 达 能够有效抵御由于缺 M n 造成 的氧化胁 迫。从水稻 中 克隆的 CuZnSOD 基 因, 能在 大 肠 杆 菌 中 表 达, CuZn SOD 的含量增加 20% , 得到的融合 蛋白对 脂质过氧 化 的抗性高于水稻中的胞 质 CuZnSOD, 并且能 通过得 到 的融合蛋白来制备 SOD 酶的抗血 清, 用以 检测其他 植 物品种的 SOD 。 5 SOD 分子进化 从分子进化的水平对 SOD 进 行研究, 有助于进 一 步了解不同种类 SOD 的起源、 结构 与功能 的关系以 及 它们面对不同胁迫环境的作用机理。SOD 的分子进 化 主要通过分 析不 同物 种 SOD 基 因编 码序 列和 内含 子 的数量、 位 置以 及 SOD 的 氨基酸 残基 的排 列 顺序, 研 究不同物种的亲 源关 系, 绘制 进化树。F ink 等
达, 他们在玉米中找到 9 种 SOD 同工酶: 在细胞质中 4 种 CuZnSOD 同 工 酶 ( SOD - 2, SOD - 4, SOD - 4A 和 SOD- 5 ) , 线粒 体中 4 种 M nSOD 同工 酶( SOD - 3. 1, SOD- 3. 2, S OD - 3. 3 和 SOD- 3. 4) , 叶绿 体中 1 种 CuZnSOD 同工酶 ( SOD- 1) 。通过 对编 码 SOD- 4 和 SOD- 4A 的基 因 Sod4 和 Sod4A 的研 究发 现, ABA 能 够在胚和幼叶中 提高 Sod4A 的转 录水平。他 们认 为, 响应 ABA 造成的 Sod4 mRNA 量的上升是由于与 ABA 代谢相关的变 化造 成超氧 化物 自由基 水平发 生变 化, 诱导抗氧化保护酶系统的表达。而渗 透胁迫并不能 提 高 SOD 基因的表达水平, 故玉米对 渗透胁迫 的应答 机 制与对 ABA 的应答机制并不相同。 Camp 等的实验 表明, 烟 草胞 浆中 为 CoZnSOD 严 格地受生长发育和环境因子的调控。烟草有 3 种 SOD 同工酶 形 式: 胞 浆中 为 CuZnSOD, 叶绿 体 中 为 CuZn
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研究
了包括动物、 植物、 微生物在内的一百多个物种的 SOD 认为植物内 源激素 能够调 节 SOD 的 表 及其编码基因, 发现不同植 物 CuZnS OD 的氨基残基 的 序列有很高的同源性, 且植 物的 CuZnSOD 与其他物 种 的 CuZnSOD 也有较 高的 同源 性, 在 进化 上较 为保 守。 植物胞浆与叶绿体 中的 CuZnSOD 氨 基酸 残基 排列 各 有不同的 特点, 但 从对 玉米叶 绿体 SOD- 1 的分析 发 现, 该酶在一级结构上同时 具有叶绿体 CuZnSOD 和 胞 质 CuZnSOD 的 特 点, 提 示 胞 质和 叶 绿 体中 CuZnSOD 可能源于同一 祖先, 后来在 进化 过程中 被细胞 隔开 而 产生了变 异。植物 CuZnSOD 基 因内 含子 的数 量和 位 置相当保守, 例如编码胞浆中 SOD 的基因 有 7 个内 含 子, 编码叶绿体 SOD 基因一般 有 8 个内 含子。编码 植 物 M nSOD 的基因的内含子 的数量和 位置也 不 同 物种的 M nSOD 同源性高于 FeSOD 。真核 生物的 M n SOD 与某些 细菌 特别 是 古细 菌的 M nSOD 相似, 这 一 事实有力地支持了内共生学说。该学说认为, 真核细
生物体在正常生命活动过程中伴随着氧代谢会 产 生活性氧。生物 体具 有十分 完善 的活性 氧清 除体 系, 包括各种抗氧 化酶 类和抗 氧化 物, 故正 常生理 条件 下 机体的活性氧处于动态平衡状态。但 在病理状态下 或 逆境条件下, 机体内活性氧代谢有可 能失衡, 导致活 性 氧积累而引 发氧 化损伤, 加速衰 老或 导致疾 病。超 氧 化物歧化酶( SOD) 是 生物 抗氧 化酶 类的 重要 成员, 它 能够清除 生物 氧 化过 程中 产 生的 超 氧阴 离 子自 由 基 ( O 2 ) , 是生物体 有效 清除 活性 氧的 重要 酶类 之一, 被 称为 生 物 体 抗 氧 化 系 统 的 第 一 道 防 线。自 1969 年 M cCord 和 Fridovich[ 1] 从牛红血细胞中发现 SOD 以来, SOD 的研究就成为了生物学的前沿课题之一。人们 通 过对 SOD 的广泛深入的研究, 极大 地丰富和 推动了 自 由基生物学的飞速发展。目前, 对 SOD 的研 究已从 抗 氧化及抗衰老 机制 拓展到 化妆 品、 食品 和医药 等方 面 的应用研究, 并已开始应用于研究新一代生物传感器。 1 SOD 的种类 1938 年 M ann 和 Keilin 从牛血 红细胞中 分离出 含 Cu 的蛋 白, 并命 名为 血 Cu 蛋 白。1969 年, M cCord 和 Fridovich 发现血 Cu 蛋白是 一种能 将 O 2 催化成 H 2O 2 的酶, 并正式命名为超氧化物歧化酶。 按照 SOD 中金属辅基的不同, 大致可将 SOD 分为 三大类; 第一类 是 CuZnSOD, 广 泛存在 于真 核生物 中, 一个酶分子的亚 基含一 分子 Cu 和一 分子 Zn, Cu 位 于 酶的活性 中心, 酶 的形 状呈 一椭 圆 形狭 长 的口 袋, Cu 位于 口袋 的底部, 与一分 子水和 4 个组氨酸 ( His) 残 基形成配位键, Zn 则 通过咪 唑基 与其中 之一 的 His 残 基相连; 第二类是 M nSOD, 存在 于真 核生 物的 线粒 体 和原核生物的胞浆中; 第三类是 FeSOD, 存在于叶绿 体 和原核生物中。 此外, 人们还从牛 肝中发 现了 一种 CoZnSOD。 将 Co 与 CuZnSOD 中的 Zn 置 换, 形 成 CuCoSOD, 仍 能 保 持原来酶活性 的 90% , 但 在生物体内 目前还没有发 现 CuCoSOD 。 还有报 导称 生物 体 内 可能 还 有一 种 与 CuZnSOD 结构相似的 N iSOD, 但 与 CuZnSOD 无同 源性, 为二 聚 体, 其中每个亚 基含一 分子 N i, Ni 与 一分 子的 蛋氨 酸 ( M et) 残基和两分 子半 胱氨酸 ( Cys) 的 S 形 成配位 键,
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, N 2 O 2 才是氧化型 SOD 的电子供体。
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SOD 活性的影响因素 在同一时期不同的组织器官中和不同时期同一 组
织器官中, SOD 同 工酶 的活性 表达 有很大 的差异。 就 杂交水稻 SOD 同工酶谱带而言, CuZnSOD 为 2 到 4 条 不等, M nSOD 为 1 条 或没 有, 不同 的水 稻品 种的 SOD 同工酶谱带有所不同, 同一 品种在不 同蹬时 期 SOD 同 工酶谱带也有所不同, 且这 两种 SOD 同工酶 在水稻 中 表现出很强的器官 特异性, 即它 们在根、 茎、 叶 中的 活 性和电泳谱带有所不同。上面这些研 究结果反映了 各 种水稻品种不同的遗传背景, 也反映 了 SOD 基因在 植 物的生长发育的不同时期表达的先后顺序及表达的 程 度不同。也有人认为这种表达差异与 细胞在生长发 育 的不同时期受到不同程度的氧化胁迫有关。 对植物干旱的脱落酸( ABA) 应答 途径已有了比 较 深入的研究。干旱信号首先激发 ABA 合成, ABA 再 使 细胞的 Ca 水 平上 升, 激 活反 式 作用 因子, 反式 作 用 因子与特 定 的顺 式 作用 元 件结 合, 诱导 基 因的 表 达。 有人认为, 干旱 胁迫 的基因 产物 能诱 导 SOD 的表 达, 提高细胞的抗氧化排毒能力。 Yu 等对羽扇豆的研究 表明, Zn、 Cu、 M n 可 明显 调 节 SOD 的活性。 当植 物处 于缺 乏 Zn、 Cu、 Mn 的 环 境 中, SOD 活性下 降; 当 处于富 含 Zn、 Cu、 Mn 的 环境 中, SOD 活性上升。因此, Zn、 Cu、 M n 的含量 与 SOD 的 活 性有很强的相 关性, 但到底 是由于 微量 元素的 缺乏 造 成活性氧 的增 多, 再 由活性 氧激 活 SOD 的 表 达, 还 是 这些元素通过其他的途径调控 SOD 活性, 目 前还不 十 分清楚。 Guan 等
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生物学教学 2005 年( 第 30 卷) 第 1 期
超氧化物歧化酶研究进展
胡一鸿
摘 要
牛健康
( 湖南省常德市湖南文理学院生命科学系
415000)
超氧化物歧化酶广泛存在于动物、 植物、 微生物体内 , 它能够专一性地清除生物氧化过程中产生的超氧化物自由基, 是生物