超氧化物歧化酶_SOD_及其研究进展

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内蒙古石油化工 2010 年第 16 期
超氧化物歧化酶( SOD ) 及其研究进展
张 欣
( 内蒙古工业大学化工学 院 , 内蒙古 呼和浩特 010051)
摘 要 : 超氧化物歧化酶首先由 M ann 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 的发现、 分类、 结构、 催化机理及研究进展 , 并对其应用前景进行了展望。 关键词 : 超氧化物歧化酶 ; 活性氧; SOD 中图分类号 : Q55 文献标识码: A 文章编号: 1006— 7981( 2010) 16—0014— 02 生物体内低浓度超氧阴离子自由基( O ) 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 ( Superox ide dismut ase, 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 [ 1] 酶 , 具有抗衰老、 抗癌、 防白内障等作用 , 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 [ 2] 产行业的一个热门研究课题 。 1 SOD 的发现 1938 年, Mann 和 Keilin 从牛红细胞中分离提 取出一种含Cu 的血铜蛋白 , 1953 年Keilin 又从小牛 肝、 鲸 肝 分 离 出 肝 铜 蛋 白。 1968 年 McCo rd 和 肝铜蛋白、 脑铜蛋白皆有 Fr idovich 根据血铜蛋白、 - 2 [ 3] O 歧化活性, 将此酶命名为超氧化物歧化酶 。 2 SOD 的分类和分布 [ 4] SOD 广泛存在于动、 植物及微生物中 。根据 其结合金属种类不同 , 可分为三类 : 第一类为 CuZn - 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 F e - 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 [ 3] 。 3 SOD 的结构与催化机理 3. 1 CuZn- SOD 的结构 CuZn - SOD 分子由两个相同的亚基通过非共 价键疏水相互作用缔合成一个“ 口袋” 状二聚体 , 每 2+ 2+ 个亚基含一个 Cu 和一个 Zn , 由半胱氨酸 Cy s55 和 Cys 144 的巯基构成的二硫键对亚基缔合起重要 作用。位于“ 口袋” 底部的 Cu2+ 与四个组氨酸残基 ( His - 44, - 46, - 61, - 118) 和一个 H 2 O 配位, 形 成一个畸变的四方锥结构, 构成该酶的活性中心。 而 2+ 则与三个组氨酸残基 ( 61, 69, 78) 的 Zn His 咪唑氮和一个天冬门氨酸残基 ( Asp- 81) 的羧基氧
收稿日期 : 2010- 04- 28
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原子配位 , 形成扭曲的四面体结构。Cu2+ 和 Zn 2+ 之 间通过共同连接的组氨 酸 His61 形成“ 咪唑桥” 结 构。位于活性中心的组氨酸直接影响酶的活性, 在 2+ “ 口袋” 边与 Cu 相距 6? 的位置, 有一个带正电荷的 - 2 精氨酸残基 Arg 143, 它能够吸引 O 进入口袋 , 并诱 - 2 导 O 进入活性中心, 为催化反应提供质子 , 加快反 2+ 2+ 应进行。实验证明 , Cu 和 Z n 对活性中心所起的 2+ 2+ 作用不同 , Cu 为 CuZn- SOD 活性所必需 , 而 Zn [ 2- 4] 与酶的稳定性有关 。 3. 2 Mn- SOD 的结构 不同来源的 M n- SOD 一级结构同一性很高 , 并且参与形成活性中心及与金属连接的氨基酸在所 [ 5] 有 M n- SOD 中都是保守的 。Mn- SOD 是由 203 [ 1] 个氨基酸残基构成的四面体 , 结构简单 , 每个亚基 [ 5] 只含一个金属离子 , M n( Ⅲ ) 处于三角双锥配位环 境中 , 其中一轴向配体为水分子, 另一轴向配体为蛋 白质辅基的配位基 His- 28, 另三个来自蛋白质辅基 的配基 His - 83、 His- 170 和 Asp- 166 位于赤道平 [ 6] 面 。 3. 3 Fe- SOD 的结构 F e- SOD 与 M n- SOD 具有序列相似性, 并且 含有相同的特征结构域。其活性中心由 3 个 H is 、 1 个 Asp 和 1 个 H 2O 扭曲配位四面体配位而成。 3. 4 SOD 的催化机理 超氧阴离 子 ( O 2 ) 是生物体内主要的自由基 , 很多情况下 O 2 对机体是有害的 , 它也是导致衰老 的原因之一。 而 SOD 是一类重要的清除氧自由基的 抗氧化酶 , 它能催化 O 2 使其发生歧化反应 , 生成 O 2 和 H 2O 2; H 2O 2 又在过氧化氢酶( CAT ) 的作用下, 生 成无毒的 H 2O 和 O2 , 从而起到抗衰老作用。 医学界普遍认为 , SOD 发挥作用时 , 首先是金 属离子与 O 2 形成内界络合物, 再发生后续反应。 因 此, SOD 的催化作用是通过其所含金属的氧化和还 原过程的电子得失来实现。 4 SOD 的研究进展
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超氧化物歧化酶是生物体防御氧化损伤重要的 酒等保健食品。 生物酶。近些年, 国内外学者除对动物 SOD 进行研 4. 3. 3 SOD 在化妆品行业中的应用 究外, 还对植物 SOD 和微生物 SOD 进行了研究。 由于 SOD 具有抗衰老作用, 它已被广泛应用于 4. 1 微生物 SOD 的研究进展 化妆品中 , 对于治疗皱纹、 雀斑、 粉刺、 色素沉着等具 近几 十年, SOD 一直是国 内外学 者研究 的热 有明显作用。因此, 含有 SOD 的化妆品倍受女性青 点。但他们的研究大多集中于从动物血液或脏器中 睐。 提取 SOD , 易受原料来源、 产品得率、 稳定性及安全 5 展望 性等方面的限制。 微生物具有原料便宜易得 , 可大规 目前, SOD 作为药用 酶用于 临床已 有深入 研 模生产的优势 , 因而, 近些年很多学者都致力于用微 究, 但由于其制备纯化工艺复杂, 生产成本高, 因而 生物发酵生产 SOD 的研究。上世纪 80 年代后, 美国 在食品中 应用不是 很广泛 , 鉴于 从微生 物中提 取 和 日本已先后开发了用发酵法生产 SOD , 大大降低 SOD 存在诸多优点, 因此用微生物发酵生产SOD 有 了生产成本。目前 , 国内外在微生物 SOD 的菌种选 可能不经过提纯直接用于食品、 化妆品及食品添加 育、 发酵工艺、 分离提纯、 生理学研究、 基因克隆表达 剂中。随着研究进一步加深, 利用微生物生产 SOD 及 SOD 应用方面都取得一定的研究进展[ 7, 8] 。 进入产业化阶段, 相信其在医药、 食品、 化妆品等方 4. 2 植物 SOD 的研究进展 面应用更加广泛。 植物细胞在正常代谢活动和逆境条件下均能产 [ 参考文献 ] 生活性氧。近年来, 国内外的专家学者主要研究了 [ 1] 丁书茂, 杨旭. 超氧化物歧化酶及其模拟化合 SOD 与植物抗逆性的关系。研究表明, 在逆境条件 物研究进展[ J] . 高等函授学报 ( 自然科学版 ) , 下 , 植物的抗性与植物体内能否维持较高的 SOD 活 2004, 17( 1) : 1～ 5. 性水平有关。环境胁迫能诱导植物 SOD 基因的表 [ 2] 张晓燕. 超氧化物歧化酶的研究现状及在食品 达。当前, 不同类型的 SOD 基因已被转化到多种植 中的应用综述 [ J] . 扬州职业大学学报, 2002, 6 物中, 有实验结果表明 , SOD 在转基因植物中的过 ( 1) : 34～ 37. 量表达可以不同程度地提高植物对环境胁迫的抵抗 [ 3] 王震宙, 陈红兰. SOD 的应用研究进展[ J] . 食 [ 9, 10] 能力 。 因此, 可利用基因工程方法来获得抗逆植 品科技 : 29 ～30. 株。 [ 4] 蔡敬杰 , 樊志 . 超氧化物 歧化酶的 研究进 展 4. 3 动物 SOD 的研究进展 [ J] . 天津化工 , 1997, 2: 2～ 4. 2目前, SOD 作为 O 特异清除剂 , 已被广泛应用 [ 5] 张艳红, 廖晓全 , 袁勤生 . 人锰超氧化物歧化酶 于医药、 食品及化妆品行业当中。 ( hMn - SOD) 研究进展 [ J] . 药物 生物技术 , 4. 3. 1 SOD 在医药行业中的应用 2001, 8( 6) : 352～356. SOD 由于半衰期短、 分子量大、 易失活等缺点, [ 6] 杜秀 敏, 殷文 旋 , 张 慧等 . 超 氧 化物 歧 化 酶 不利于临床使用, 而基因工程手段对 SOD 分子进行 ( SOD) 研 究进 展 [ J] . 中国 生 物 工 程 杂志 , 化学修饰则成为近些年的研究热点。 实验表明, 修饰 2003, 3( 1) : 48 ～50. 酶不仅完全保留了天然酶的活性 , 在耐热、 耐酸碱 [ 7] 王素芳, 蒋琳兰 , 赵树进 . 微生物超氧化物歧化 度、 抵抗蛋白酶水解以及稳定性方面也明显优于天 酶的研究进展 [ J] . 药物生物技术, 2002, 9( 6) : [ 3] 然酶, 大大延长了它在体内停留的时间 。 当前已有 378 ～380. 多种药用 SOD 应用于临床中, 主要集中于抗炎症、 [ 8] 杨明琰, 张晓琦等. 微生物产超氧化物歧化酶 抗衰老、 抗辐射、 抗肿瘤和自身免疫系统疾病等与活 的研究进展 [ J ] . 微生物学杂志, 2004, 24( 1) : 性氧损伤有密切关系的病症中。 49～ 51. 4. 3. 2 SOD 在食品工业中的应用 [ 9] 马旭俊 , 朱大海 . 植物超氧化物歧化酶( SOD ) 的研究进展[ J ] . 遗传, 2003, 25( 2) : 225～231. 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 [ 10] 覃鹏, 刘飞虎, 梁雪妮. 超氧化物歧化酶与植 蒜为原料生产的大蒜粉、 大蒜油 , 以猕猴桃为原料生 物抗逆性 [ J] . 黑龙江农业科学, 2002, ( 1) : 31 产的猕猴桃汁以及添加 SOD 的牛奶、 咖啡、 酸奶、 啤 ～34. Research Advances on Superoxide dismutase ( SOD) ZH A N G X in ( Chem ical Engineering Co lleg e of Inner Mo ng olia U niw ersit y of T echnolo gy , Huhhot 010051) Abstract: Super oxide dismutase ( SOD) w hich is an import ant ant iox idase for cleaning t he superox ide anion , w as isolat ed f irstly by M ann and Keilin in ox red blood cell. T his paper summarizes the research Adv ances on SOD and t he prospect o f applicat io n. Key words : Supero xide Dism ut ase ; Act iv e ox ygen ; SOD