Войти
| 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.
СОД катализируют диспропорционирование супероксида:
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:
Общая форма, применимая ко всем различным формам СОД, скоординированным с металлами, может быть записана следующим образом:
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.
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 |  Активный центр человеческого марганца SOD, марганец показан фиолетовым цветом |  Mn-SOD против димеров Fe-SOD |
Активный центр супероксиддисмутазы железа Железо или марганец - используются прокариотами и протистами, а также в митохондриях и хлоропластах.
|
|
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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.
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).
|
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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.
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.
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.
SOD1 - чрезвычайно стабильный белок. В холо-форме (связанная как с медью, так и с цинком) температура плавления составляетgt; 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.
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.
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).
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.
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.
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.
Биологический портал 
Димер Cu, Zn супероксиддисмутазы дрожжей
Структура домена 1 (цвет) митохондриальной супероксиддисмутазы марганца человека
Структура домена 2 (цвет) митохондриальной супероксиддисмутазы марганца человека
Структура гексамера супероксиддисмутазы 
Кристаллическая структура человеческого фермента SOD1 ( 
Активный центр митохондриальной супероксиддисмутазы Mn человека (SOD2).
Кристаллографическая структура тетрамерного фермента SOD3 человека (мультипликационная диаграмма) в комплексе с катионами меди и цинка (оранжевые и серые сферы соответственно).