超氧化物歧化酶的研究与应用-论文

超氧化物歧化酶的研究与应用

霍荣辉

运城学院，运城，2006142121

摘要：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，简称SOD)，是一类广泛存在于生物体内的金属酶，能够催化超氧阴离子自由基(O2-)发生歧化反应，平衡机体内的氧自由基，己成为化学及生物化学研究领域中热门的研究课题。作为生物体内超氧阴离子自由基的清洁剂，SOD 在防辐射、抗衰老、消炎、抑制肿瘤和癌症、自身免疫治疗等方面显示出独特的功能，在医学、食品、化妆品等领域得到越来越多的应用。目前，世界各地学者对SOD的研究方兴未艾，深入研究SOD不仅有着重大的理论意义，也有着重大的实际应用价值。现从分类、分布、结构、性质、催化机理、制备、应用等方面探讨了超氧化物歧化酶的基础研究进展。

关键字：超氧化物歧化酶；SOD；自由基；应用；研究

1SOD概述：

超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)是一种广泛存在于生物体内，能清除生物体内的超氧阴离子自由基(O2-)维持机体中自由基产生和清除动态平衡的一种金属酶。具有保护生物体，防止衰老和治疗疾病等作用。

1938年Mann和Keilin[1]首次从牛红细胞中分离出一种蓝色的含铜蛋白质(Hemocuprein)，1969年Mccord及Fridovich[2]发现该蛋白有催化O2，发生歧化反应的功能，故将此酶命名为超氧化物歧化酶(SuperoxideDismutase，SOD，EC1.15.1.1)。现已发现了3种类型的SOD：Cu/Zn SOD、Mn-SOD、Fe-SOD[3]。

2SOD的分布、分类及理化性质

2.1SOD的分布与分类

SOD是一类清除自由基的蛋白酶，对需氧生物的生存起着重要的作用，是生物体防御氧毒性的关键。迄今为止，科学家已从细菌、真菌、原生动物、藻类、昆虫、鱼类、植物和哺乳动物等生物体内都分离得到了SOD。基于金属辅基不同，这些SOD至少可以分为Cu/ Zn-SOD、Mn-SOD、Fe-SOD三种类型。

表1 SOD的分类及分布

注: Fe- SOD 也可能存在于真核藻类及植物叶绿体基质中[4]

2.2SOD的催化机理

超氧化物歧化酶作用的底物是超氧阴离子自由基(O2-)，它既带一个负电荷，又只有一个未成对的电子。在不同条件下，O2-既可作还原剂变成O2，又可作氧化剂变成H2O2，H2O2又在过氧氢酶(Catalase，CAT)的作用下，生成H2O和O2，由此可见，有毒性的O2-在H2O2又在过氧氢酶(Catalase，CAT)的作用下，生成H2O 和O2，由此可见，有毒性的O2-在SOD和CAT共同作用下，变成了无毒的H2O 和O2。超氧化物歧化酶是机体内天然的自由基清除剂，催化超氧阴离子自由基(O2-)发生歧化反应，清除的超氧阴离子自由基(O2-)对机体的作用。SOD催化O2-的反应如下：

2O2-+2H+ SOD H2O2+O2

2H2O2CAT 2H2O+O2(CAT为过氧化物酶)

H2O2+2GSH GSHPX GSSG+2H2O(GSHPX为谷胱甘肽过氧化物酶)

3SOD的结构和活性影响因素

3.1SOD的结构

超氧化物歧化酶(SOD)从结构上可分为两族：Cu/Zn-SOD为第一族，Mn-SOD 和Fe-SOD为第二族。天然存在的SOD，虽然活性中心离子不同，但催化活性部位却具有高度的结构同一性和进化的保守性，即活性中心金属离子都是与3或4个组氨酸(His)、咪唑基(Mn-SOD含1个天门冬氨酸羧基配位)和1个H2O分子呈畸变的四方锥或扭曲的四面体配位。CuZn-SOD作为SOD结构上的第一族，是人们对于SOD结构研究的突破口，也是人们了解最多的一种SOD。比较不同来源的Cu/Zn-SOD的氨基酸序列可以发现，它们的同源性都很高[6]。有些氨基酸还很保守，在所有序列中都不变，这暗示着这些氨基酸与活性中心有关。Cu/Zn-SOD每个分子由两个亚基通过疏水作用和氢键力缔合成二聚体,肽链内部由半胱氨酸C55和C144的巯基构成的二硫桥对亚基缔合起重要作用。Richardson用0.2nmX-射线衍射晶体结构分析得到Cu/Zn-SOD三维结构，指出SOD的活性部位是以Cu为中心的一个“疏水口袋”(见图1)[5]。

图1 天然Cu/Zn-SOD活性中心结构

Cu和Zn处在疏水口袋底部，相距约0.63nm。Cu(Ⅱ)与四个组氨酸残基咪唑环上N原子配位形成变形的平面四方形结构，其轴向位置上还结合着一个水分子，Zn(Ⅱ)则与三个组氨酸和一个天冬氨酸配位形成畸变的四面体结构，Cu(Ⅱ)与Zn(Ⅱ)之间通过共同连接一分子组氨酸而形成“咪唑桥”结构。

Mn-SOD和Fe-SOD同属于SOD结构上的第二族，Mn-SOD是由203个氨基酸残基构成的四聚体，Mn(Ⅲ)是处于三角双锥配位环境中，其中一轴向配位为水分子，另一轴向被蛋白质辅基的配位His-28占据，另3个配基His-83、His-170和Asp-166位于赤道平面。Fe-SOD的结构比较简单且与Mn-SOD类似，且活性中心是由3个His，1个Asp和1个H2O扭曲四面体配位而成[7]。

3.2SOD的活性影响因素

SOD的催化活性主要与SOD活性中心的氨基酸残基、金属离子及其配位环境、“咪唑桥”的变化有关。SOD活性中心的精氨酸和组氨酸对SOD的催化活性具有极其重要的意义。这两个氨基酸离中心金属离子非常近,而且均带有正电荷,能诱导底物O2-.，进入活性中心，并可在催化过程中提供H+以加快歧化反应速度。如这两个氨基酸残基被破坏或修饰，SOD将会失活。SOD中心金属离子的作用也不相同。对于Cu/Zn SOD，Zn(Ⅱ)的作用一是调节咪唑基与Cu的相互作用，二是稳定活性中心的结构。若除去酶分子中Zn (Ⅱ)而保留原有环境中时Cu(Ⅱ)，SOD 仍有相当高的活性。Cu(Ⅱ)与酶催化作用有关,起着传递电子的作用。若除去Cu(Ⅱ)，则SOD将会失活，重新加入Cu(Ⅱ)后SOD的酶活性恢复。另一方面，Cu(Ⅱ)所处的环境对活性有重要影响。若以其它金属离子代替Cu(Ⅱ)，同时用Cu(Ⅱ)代替Zn(Ⅱ)，则酶失去全部活性。另外，只有结合态的Cu(Ⅱ)才直接与活性有关，但在一定浓度范围内，增加游离的Cu(Ⅱ) 的浓度可显著提高SOD活性[8]。

对“咪唑桥”配合物进行催化的研究表明，在催化过程中，“咪唑桥”在与铜相