Супероксиддисмутаза - Superoxide dismutase
| Супероксиддисмутаза | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Структура тетрамера супероксиддисмутазы 2 человека Mn.
| |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| ЕС нет. | 1.15.1.1 | ||||||||
| № CAS | 9054-89-1 | ||||||||
| Базы данных | |||||||||
| IntEnz | Просмотр IntEnz | ||||||||
| BRENDA | BRENDA запись | ||||||||
| ExPASy | Просмотр NiceZyme | ||||||||
| КЕГГ | Запись в KEGG | ||||||||
| MetaCyc | метаболический путь | ||||||||
| ПРИАМ | профиль | ||||||||
| Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Генная онтология | Amigo / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Супероксиддисмутаза ( SOD , EC 1.15.1.1 ) представляет собой фермент, который попеременно катализирует дисмутацию (или разделение) супероксида ( O-
2) радикал на обычный молекулярный кислород (O 2 ) и перекись водорода ( H
2О
2). Супероксид образуется как побочный продукт метаболизма кислорода и, если его не регулировать, вызывает многие типы повреждений клеток. Перекись водорода также разрушает и разрушается другими ферментами, такими как каталаза . Таким образом, СОД является важной антиоксидантной защитой почти всех живых клеток, подвергающихся воздействию кислорода. Единственным исключением является Lactobacillus plantarum и родственные лактобациллы , которые используют другой механизм для предотвращения повреждения реактивным O-
2.
Химическая реакция
СОД катализируют диспропорционирование супероксида:
- 2 НО 2 → О 2 + Н 2 О 2
Таким образом, O-
2 превращается в два менее вредных вида.
Путь , с помощью которого СОД-катализируемой дисмутация из супероксида может быть записана, для Cu, Zn SOD, со следующими реакциями:
- Cu 2+ -SOD + O-
2→ Cu + -SOD + O 2 (восстановление меди; окисление супероксида) - Cu + -SOD + O-
2+ 2H + → Cu 2+ -SOD + H 2 O 2 (окисление меди; восстановление супероксида)
Общая форма, применимая ко всем различным формам СОД, скоординированным с металлами, может быть записана следующим образом:
- М (п + 1) + -СОД + О-
2→ M n + -SOD + O 2 - M n + -SOD + O-
2+ 2H + → M (n + 1) + -SOD + 0 H
2О
2
где M = Cu (n = 1); Mn (n = 2); Fe (n = 2); Ni (n = 2) только у прокариот.
В серии таких реакций степень окисления и заряд катиона металла колеблются между n и n + 1: +1 и +2 для Cu или +2 и +3 для других металлов.
Типы
Общий
Ирвин Фридович и Джо МакКорд из Университета Дьюка открыли ферментативную активность супероксиддисмутазы в 1968 году. СОД ранее были известны как группа металлопротеинов с неизвестной функцией; например, CuZnSOD был известен как эритрокупреин (или гемокупреин, или цито-купреин) или как ветеринарный противовоспалительный препарат «Орготеин». Точно так же Брюэр (1967) идентифицировал белок, который позже стал известен как супероксиддисмутаза, как индофенолоксидаза, путем анализа белков крахмальных гелей с использованием феназин-тетразолиевого метода.
Существует три основных семейства супероксиддисмутазы, в зависимости от белковой складки и металлического кофактора : тип Cu / Zn (который связывает медь и цинк ), типы Fe и Mn (которые связывают железо или марганец ) и тип Ni. (который связывает никель ).
Ленточная диаграмма бычьей Cu-Zn-субъединицы СОД
|
- Медь и цинк - чаще всего используются эукариотами , в том числе людьми. В cytosols практически всех эукариотических клеток содержат фермент SOD с медью и цинком (Cu-Zn-СОД). Например, коммерчески доступный Cu-Zn-SOD обычно очищается от бычьих эритроцитов. Фермент Cu-Zn крупного рогатого скота представляет собой гомодимер с молекулярной массой 32 500. Это был первый SOD, чья кристаллическая структура атомных деталей была решена в 1975 году. Это 8-ми нитевой бета-цилиндр с « греческим ключом », активный центр которого находится между цилиндром и двумя поверхностными петлями. Две субъединицы тесно связаны друг с другом, в основном за счет гидрофобных и некоторых электростатических взаимодействий. Лиганды меди и цинка представляют собой шесть гистидиновых и одну аспартатную боковые цепи; один гистидин связан между двумя металлами.
-
Железо или марганец - используются прокариотами и протистами , а также в митохондриях и хлоропластах.
- Железо. Многие бактерии содержат фермент с железом (Fe-SOD); некоторые бактерии содержат Fe-SOD, другие Mn-SOD, а некоторые (например, E. coli ) содержат и то, и другое. Fe-SOD также можно найти в хлоропластах растений. Трехмерные структуры гомологичных супероксиддисмутаз Mn и Fe имеют одинаковое расположение альфа-спиралей, а их активные центры содержат одинаковый тип и расположение боковых цепей аминокислот. Обычно это димеры, но иногда и тетрамеры.
- Марганец - почти все митохондрии и многие бактерии содержат форму с марганцем (Mn-SOD): например, Mn-SOD, обнаруженный в митохондриях человека. Лиганды ионов марганца являются 3 гистидиновыми боковыми цепями, в аспартатах боковой цепи и молекула воды или гидрокси - лиганд , в зависимости от степени окисления Mn (соответственно II и III).
- Никель - прокариотический . Он имеет гексамерную (6-копийную) структуру, построенную из правых 4-спиральных пучков, каждый из которых содержит N-концевые крючки, которые хелатируют ион Ni. Ni-крючок содержит мотив His-Cys-XX-Pro-Cys-Gly-X-Tyr; он обеспечивает большинство взаимодействий, критических для связывания металлов и катализа, и, следовательно, является вероятной диагностикой NiSOD.
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
У высших растений изоферменты СОД локализованы в разных клеточных компартментах. Mn-SOD присутствует в митохондриях и пероксисомах . Fe-SOD был обнаружен в основном в хлоропластах, но также был обнаружен в пероксисомах, а CuZn-SOD был локализован в цитозоле , хлоропластах, пероксисомах и апопластах .
Человек
Три формы супероксиддисмутазы присутствуют у человека, всех других млекопитающих и большинства хордовых . SOD1 находится в цитоплазме , SOD2 - в митохондриях , а SOD3 - внеклеточный . Первый - димер (состоит из двух звеньев), а остальные - тетрамеры (четыре субъединицы). SOD1 и SOD3 содержат медь и цинк, тогда как SOD2, митохондриальный фермент, имеет марганец в своем реактивном центре. Эти гены расположены на хромосомах 21, 6 и 4, соответственно (21q22.1, 6q25.3 и 4p15.3-p15.1).
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Растения
У высших растений ферменты супероксиддисмутазы (СОД) действуют как антиоксиданты и защищают клеточные компоненты от окисления реактивными формами кислорода (АФК). АФК могут образовываться в результате засухи, травм, гербицидов и пестицидов, озона, метаболической активности растений, дефицита питательных веществ, фотоингибирования, температуры над и под землей, токсичных металлов, а также ультрафиолетовых или гамма-лучей. Чтобы быть конкретным, молекулярный O 2 восстанавливается до O-
2(АФК, называемая супероксидом), когда она поглощает возбужденный электрон, высвобождаемый из соединений цепи переноса электронов. Известно, что супероксид денатурирует ферменты, окисляет липиды и фрагментирует ДНК. SOD катализируют производство O 2 и H
2О
2из супероксида ( O-
2), что приводит к меньшему количеству вредных реагентов.
При адаптации к повышенным уровням окислительного стресса концентрации СОД обычно повышаются с увеличением степени стрессовых условий. Разделение различных форм СОД по всему растению позволяет им очень эффективно противодействовать стрессу. Существует три хорошо известных и изученных класса металлических коферментов СОД, которые существуют в растениях. Во-первых, СОД Fe состоят из двух видов, одного гомодимера (содержащего 1–2 г Fe) и одного тетрамера (содержащего 2–4 г Fe). Считается, что они являются самыми древними металлоферментами СОД и обнаруживаются как у прокариот, так и у эукариот. Fe СОД чаще всего локализуются внутри хлоропластов растений, где они являются коренными. Во-вторых, СОД Mn состоят из гомодимеров и гомотетрамеров, каждая из которых содержит по одному атому Mn (III) на субъединицу. Они находятся преимущественно в митохондриях и пероксисомах. В-третьих, Cu-Zn SOD имеют электрические свойства, сильно отличающиеся от свойств двух других классов. Они сконцентрированы в хлоропласте , цитозоле и в некоторых случаях во внеклеточном пространстве. Обратите внимание, что Cu-Zn SOD обеспечивают меньшую защиту, чем Fe SOD, когда они локализованы в хлоропласте.
Бактерии
Лейкоциты человека используют ферменты, такие как НАДФН-оксидаза, для выработки супероксида и других активных форм кислорода для уничтожения бактерий. Поэтому во время инфекции некоторые бактерии (например, Burkholderia pseudomallei ) вырабатывают супероксиддисмутазу, чтобы защитить себя от гибели.
Биохимия
СОД превосходит повреждающие реакции супероксида, защищая клетку от токсичности супероксида. Реакция супероксида с нерадикалами запрещена по спину . В биологических системах это означает, что его основные реакции происходят с самим собой (дисмутация) или с другим биологическим радикалом, таким как оксид азота (NO), или с металлом переходного ряда. Супероксид-анион-радикал ( O-
2) самопроизвольно распадается на O 2 и перекись водорода ( H
2О
2) довольно быстро (~ 10 5 M -1 с -1 при pH 7). СОД необходима, потому что супероксид реагирует с чувствительными и критическими клеточными мишенями. Например, он реагирует с радикалом NO и образует токсичный пероксинитрит .
Поскольку некаталитическая реакция дисмутации супероксида требует, чтобы две молекулы супероксида реагировали друг с другом, скорость дисмутации является вторым порядком по отношению к начальной концентрации супероксида. Таким образом, период полураспада супероксида, хотя и очень короткий при высоких концентрациях (например, 0,05 секунды при 0,1 мМ), на самом деле довольно велик при низких концентрациях (например, 14 часов при 0,1 нМ). Напротив, реакция супероксида с СОД имеет первый порядок по концентрации супероксида. Более того, супероксиддисмутаза имеет наибольшее значение k cat / K M (приблизительное значение каталитической эффективности) из всех известных ферментов (~ 7 x 10 9 M -1 с -1 ), причем эта реакция ограничивается только частотой столкновений между собой и супероксид. То есть скорость реакции «ограничена диффузией».
Высокая эффективность супероксиддисмутазы кажется необходимой: даже при субнаномолярных концентрациях, достигаемых высокими концентрациями SOD в клетках, супероксид инактивирует фермент цикла лимонной кислоты аконитазу , может отравлять энергетический обмен и высвобождать потенциально токсичное железо. Аконитаза - одна из нескольких железосеросодержащих (де) гидратаз в метаболических путях, которые, как было показано, инактивируются супероксидом.
Механизм стабилизации и складывания
SOD1 - чрезвычайно стабильный белок. В холо-форме (связанная как с медью, так и с цинком) температура плавления составляет> 90 ° C. В апо-форме (не связанной с медью или цинком) температура плавления составляет ~ 60 ° C. С помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) holo SOD1 разворачивается по механизму двух состояний: от димера к двум развернутым мономерам. В экспериментах по химической денатурации holo SOD1 разворачивается по механизму трех состояний с наблюдением свернутого мономерного промежуточного соединения.
Физиология
Супероксид является одним из основных активных форм кислорода в клетке. Как следствие, СОД играет ключевую антиоксидантную роль. Физиологическое значение SOD иллюстрируется серьезными патологиями, очевидными у мышей, генетически модифицированных без этих ферментов. Мыши, лишенные SOD2, умирают через несколько дней после рождения в условиях сильного окислительного стресса . У мышей, лишенных SOD1, развивается широкий спектр патологий, включая гепатоцеллюлярную карциному, ускорение возрастной потери мышечной массы, более раннюю заболеваемость катарактой и сокращение продолжительности жизни. Мыши, лишенные SOD3, не обнаруживают каких-либо явных дефектов и демонстрируют нормальную продолжительность жизни, хотя они более чувствительны к гипероксическим повреждениям. Мыши, лишенные какого-либо фермента SOD, более чувствительны к летальному исходу от соединений, вырабатывающих супероксид, таких как паракват и дикват ( гербициды ).
У дрозофилы, лишенной SOD1, продолжительность жизни резко сокращается, тогда как мухи, лишенные SOD2, умирают до рождения. Истощение SOD1 и SOD2 в нервной системе и мышцах дрозофилы связано с сокращением продолжительности жизни. Накопление нейрональных и мышечных АФК, по- видимому, способствует возрастным нарушениям. Когда индуцируется сверхэкспрессия митохондриальной SOD2, продолжительность жизни взрослых дрозофил увеличивается.
У черных садовых муравьев ( Lasius niger ) продолжительность жизни маток на порядок больше, чем у рабочих, несмотря на отсутствие систематических различий в нуклеотидной последовательности между ними. Было обнаружено, что ген SOD3 в наибольшей степени избыточно экспрессируется в мозге королевских и рабочих муравьев. Это открытие указывает на возможность важной роли антиоксидантной функции в модулировании продолжительности жизни.
Нокдауны SOD у червя C. elegans не вызывают серьезных физиологических нарушений. Однако продолжительность жизни C. elegans может быть увеличена за счет миметиков супероксида / каталазы, что позволяет предположить, что окислительный стресс является основным определяющим фактором скорости старения .
Нокаутные или нулевые мутации в SOD1 очень вредны для аэробного роста почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae и приводят к резкому сокращению продолжительности жизни в постдиуксийном периоде. В диком типе S.cerevisiae , , повреждение ДНК ставки увеличились в 3 раз с возрастом, но больше , чем 5-кратное у мутантов удалены ни для SOD1 или SOD2 генов. Уровни активных форм кислорода увеличиваются с возрастом у этих мутантных штаммов и демонстрируют картину, аналогичную паттерну повреждения ДНК, увеличивающемуся с возрастом. Таким образом, оказывается, что супероксиддисмутаза играет существенную роль в сохранении целостности генома во время старения у S. cerevisiae . Нокаут SOD2 или нулевые мутации вызывают ингибирование роста респираторных источников углерода в дополнение к сокращению продолжительности жизни в постдиуксийном периоде.
У делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe дефицит митохондриальной супероксиддисмутазы SOD2 ускоряет хронологическое старение.
Было создано несколько прокариотических нулевых мутантов SOD, включая E. coli . Утрата периплазматического CuZnSOD вызывает потерю вирулентности и может быть привлекательной мишенью для новых антибиотиков.
Роль в болезни
Мутации в первом ферменте SOD ( SOD1 ) могут вызывать семейный боковой амиотрофический склероз (БАС, форма болезни двигательных нейронов ). Самая распространенная мутация в США - это A4V , а наиболее интенсивно изучаемая - G93A . Две другие изоформы SOD не были связаны со многими заболеваниями человека, однако у мышей инактивация SOD2 вызывает перинатальную летальность, а инактивация SOD1 вызывает гепатоцеллюлярную карциному . Мутации в SOD1 могут вызывать семейный БАС (несколько доказательств также показывают, что SOD1 дикого типа в условиях клеточного стресса участвует в значительной части спорадических случаев БАС, которые составляют 90% пациентов с БАС) по механизму. это в настоящее время не изучено, но не из-за потери ферментативной активности или снижения конформационной стабильности белка SOD1. Избыточная экспрессия SOD1 связана с нервными расстройствами, наблюдаемыми при синдроме Дауна . У пациентов с талассемией СОД будет увеличиваться как форма механизма компенсации. Однако на хронической стадии СОД кажется недостаточным и имеет тенденцию к снижению из-за разрушения белков в результате массивной реакции окислитель-антиоксидант.
У мышей внеклеточная супероксиддисмутаза (SOD3, ecSOD) способствует развитию гипертонии. Снижение активности SOD3 было связано с заболеваниями легких, такими как острый респираторный дистресс-синдром (ОРДС) или хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ).
Супероксиддисмутаза также не экспрессируется в клетках нервного гребня у развивающегося плода . Следовательно, высокий уровень свободных радикалов может вызвать их повреждение и вызвать дисрафические аномалии (дефекты нервной трубки).
Фармакологическая активность
СОД обладает мощным противовоспалительным действием. Например, СОД - это высокоэффективное экспериментальное лечение хронического воспаления при колите . Лечение СОД снижает образование активных форм кислорода и окислительный стресс и, таким образом, ингибирует активацию эндотелия. Следовательно, такие антиоксиданты могут быть важными новыми методами лечения воспалительного заболевания кишечника .
Точно так же СОД обладает множеством фармакологических активностей. Например, он снижает нефротоксичность, вызванную цис-платиной, у грызунов. Как «Орготеин» или «онцеин», фармакологически активная очищенная СОД бычьей печени, он также эффективен при лечении воспалительного заболевания мочевыводящих путей у человека. Какое-то время СОД из бычьей печени даже имела одобрение регулирующих органов в нескольких европейских странах для такого использования. Это было прервано опасениями по поводу прионной болезни .
СОД-миметик агент, TEMPOL , в настоящее время в клинических испытаниях для радиозащиты и для предотвращения радиационно-индуцированного дерматита . TEMPOL и аналогичные SOD-миметики нитроксидов обладают множеством действий при заболеваниях, связанных с окислительным стрессом.
Косметическое использование
SOD может уменьшить повреждение кожи свободными радикалами, например, уменьшить фиброз после облучения при раке груди. Однако исследования такого рода следует рассматривать как предварительные, поскольку в исследовании не было адекватного контроля, включая отсутствие рандомизации, двойного ослепления или плацебо. Супероксиддисмутазы , как известно, обратный фиброз , возможно , за счетом де- дифференциации из миофибробластов назад в фибробласты .
Коммерческие источники
СОД коммерчески получают из морского фитопланктона , бычьей печени, хрена , дыни и некоторых бактерий. В терапевтических целях СОД обычно вводят местно. Нет никаких доказательств того, что употребление незащищенных SOD или продуктов, богатых SOD, может иметь какие-либо физиологические эффекты, так как вся проглоченная SOD расщепляется на аминокислоты перед тем, как абсорбироваться . Однако прием СОД, связанной с белками пшеницы, может улучшить ее терапевтическую активность, по крайней мере, теоретически.
Смотрите также
- Каталаза
- Глутатион пероксидаза
- Джиаогулан
- НАДФН-оксидаза , фермент, вырабатывающий супероксид.
- Пероксидаза
использованная литература
внешние ссылки
- Онлайн-менделевское наследование в человеке (OMIM): 105400 (ALS)
- Онлайн-база данных ALS
- Краткий, но содержательный обзор SOD и литературы по нему.
- Теории старения, основанные на повреждениях. Включает обсуждение роли SOD1 и SOD2 в старении.
- Комм. Врачей. For Responsible Med.
- Изображение пути SOD и окислительного стресса
- Историческая информация об исследовании SOD «Эволюция свободной радикальной биологии и медицины : 20-летняя история» и « Свободная радикальная биология и медицина за последние 20 лет: наиболее цитируемые статьи»
- Дж. М. МакКорд обсуждает открытие SOD
- PDBe-KB предоставляет обзор всей структурной информации, доступной в PDB для супероксиддисмутазы человека [Cu-Zn]
- PDBe-KB предоставляет обзор всей структурной информации, доступной в PDB для супероксиддисмутазы человека [Mn], митохондриальной
- PDBe-KB предоставляет обзор всей структурной информации, доступной в PDB для внеклеточной супероксиддисмутазы человека [Cu-Zn]
