Superoxiddismutase - Superoxide dismutase
| Superoxiddismutase | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Struktur af en human Mn superoxiddismutase 2 tetramer.
| |||||||||
| Identifikatorer | |||||||||
| EF -nr. | 1.15.1.1 | ||||||||
| CAS -nr. | 9054-89-1 | ||||||||
| Databaser | |||||||||
| IntEnz | IntEnz -visning | ||||||||
| BRENDA | BRENDA indgang | ||||||||
| ExPASy | NiceZyme udsigt | ||||||||
| KEGG | KEGG -indtastning | ||||||||
| MetaCyc | metabolisk vej | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| PDB -strukturer | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Genontologi | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Superoxiddismutase ( SOD , EC 1.15.1.1 ) er et enzym, der skiftevis katalyserer dismutationen (eller partitioneringen) af superoxidet ( O-
2) radikal til almindeligt molekylært oxygen (O 2 ) og hydrogenperoxid ( H
2O
2). Superoxid produceres som et biprodukt af iltmetabolisme og forårsager, hvis det ikke reguleres, mange typer celleskader. Hydrogenperoxid er også skadeligt og nedbrydes af andre enzymer, såsom katalase . Således er SOD et vigtigt antioxidantforsvar i næsten alle levende celler udsat for ilt. En undtagelse er Lactobacillus plantarum og beslægtede lactobaciller , som anvender en anden mekanisme til at forhindre skader som følge af reaktiv O-
2.
Kemisk reaktion
SOD'er katalyserer disproportioneringen af superoxid:
- 2 HO 2 → O 2 + H 2 O 2
På denne måde, O-
2 omdannes til to mindre skadelige arter.
Den vej, hvormed SOD-katalyseret dismutation af superoxid kan skrives for Cu, Zn SOD, med følgende reaktioner:
- Cu 2+ -SOD + O-
2→ Cu + -SOD + O 2 (reduktion af kobber; oxidation af superoxid) - Cu + -SOD + O-
2+ 2H + → Cu 2+ -SOD + H 2 O 2 (oxidation af kobber; reduktion af superoxid)
Den generelle form, der gælder for alle de forskellige metal-koordinerede former for SOD, kan skrives som følger:
- M (n+ 1)+ -SOD+ O-
2→ M n + -SOD + O 2 - M n + -SOD + O-
2+ 2H + → M (n + 1) + -SOD + 0 H
2O
2
hvor M = Cu (n = 1); Mn (n = 2); Fe (n = 2); Ni (n = 2) kun i prokaryoter.
I en række sådanne reaktioner svinger oxidationstilstanden og ladningen af metalkationen mellem n og n +1: +1 og +2 for Cu eller +2 og +3 for de andre metaller.
Typer
Generel
Irwin Fridovich og Joe McCord ved Duke University opdagede den enzymatiske aktivitet af superoxiddismutase i 1968. SOD'er var tidligere kendt som en gruppe metalloproteiner med ukendt funktion; for eksempel var CuZnSOD kendt som erythrocuprein (eller hemocuprein eller cytocuprein) eller som det veterinære antiinflammatoriske lægemiddel "Orgotein". På samme måde identificerede Brewer (1967) et protein, der senere blev kendt som superoxiddismutase som en indophenoloxidase ved proteinanalyse af stivelsesgeler ved hjælp af phenazin-tetrazoliumteknikken.
Der er tre store familier af superoxiddismutase afhængigt af proteinfolden og metalkofaktoren : Cu/Zn -typen (som binder både kobber og zink ), Fe- og Mn -typer (som binder enten jern eller mangan ) og Ni -typen (som binder nikkel ).
Bånddiagram over kvæg Cu-Zn SOD-underenhed
|
- Kobber og zink - mest almindeligt brugt af eukaryoter , herunder mennesker. De cytosol af praktisk talt alle eukaryote celler indeholder et SOD-enzym med kobber og zink (Cu-Zn-SOD). F.eks. Renses Cu-Zn-SOD, der er kommercielt tilgængeligt, normalt fra røde blodlegemer fra kvæg. Det kvæg Cu-Zn-enzym er en homodimer med molekylvægt 32.500. Det var den første SOD, hvis atom-detaljer krystalstruktur blev løst i 1975. Det er en 8-strenget " græsk nøgle " beta-tønde, hvor det aktive sted er holdt mellem tønden og to overfladesløjfer. De to underenheder er tæt forbundet bag-til-ryg, mest ved hydrofobe og nogle elektrostatiske interaktioner. Kobberne og zinkets ligander er seks histidin og en aspartatsidekæder ; et histidin er bundet mellem de to metaller.
-
Jern eller mangan - bruges af prokaryoter og protister , og i mitokondrier og kloroplaster
- Jern-Mange bakterier indeholder en form for enzymet med jern (Fe-SOD); nogle bakterier indeholder Fe-SOD, andre Mn-SOD, og nogle (f.eks. E. coli ) indeholder begge dele. Fe-SOD kan også findes i plantens kloroplaster . 3D-strukturerne for de homologe Mn- og Fe-superoxiddismutaser har det samme arrangement af alfa-helixer, og deres aktive steder indeholder den samme type og arrangement af aminosyresidekæder. De er normalt dimerer, men lejlighedsvis tetramerer.
- Mangan-Næsten alle mitokondrier og mange bakterier indeholder en form med mangan (Mn-SOD): For eksempel findes Mn-SOD i humane mitokondrier. Liganderne af manganioner er 3 histidin sidekæder, en aspartat -sidekæde og et vandmolekyle eller hydroxy ligand , afhængigt af Mn oxidationstrin (henholdsvis II og III).
- Nikkel - prokaryotisk . Dette har en hexamerisk (6 kopier) struktur bygget af højrehåndede 4-helix bundter, der hver indeholder N-terminale kroge, der kelaterer en Ni-ion. Ni-krogen indeholder motivet His-Cys-XX-Pro-Cys-Gly-X-Tyr; det giver de fleste af de interaktioner, der er kritiske for metalbinding og katalyse, og er derfor en sandsynlig diagnostik af NiSOD'er.
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
I højere planter er SOD -isozymer blevet lokaliseret i forskellige cellelokaler. Mn-SOD er til stede i mitokondrier og peroxisomer . Fe-SOD er hovedsageligt fundet i chloroplaster, men er også blevet påvist i peroxisomer, og CuZn-SOD er blevet lokaliseret i cytosol , chloroplaster, peroxisomer og apoplast .
Human
Tre former for superoxiddismutase er til stede hos mennesker, hos alle andre pattedyr og de fleste akkordater . SOD1 er placeret i cytoplasma , SOD2 i mitokondrierne , og SOD3 er ekstracellulær . Den første er en dimer (består af to enheder), hvorimod de andre er tetramerer (fire underenheder). SOD1 og SOD3 indeholder kobber og zink, hvorimod SOD2, mitokondrieenzymet, har mangan i sit reaktive centrum. De gener er placeret på kromosomerne 21, 6 og 4, henholdsvis (21q22.1, 6q25.3 og 4p15.3-p15.1).
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Planter
I højere planter fungerer superoxiddismutaseenzymer (SOD'er) som antioxidanter og beskytter cellulære komponenter mod at blive oxideret af reaktive iltarter (ROS). ROS kan dannes som følge af tørke, skade, herbicider og pesticider, ozon, plantemetabolsk aktivitet, mangel på næringsstoffer, fotoinhibering, temperatur over og under jorden, giftige metaller og UV- eller gammastråler. For at være specifik molekylær O 2 reduceres til O-
2(et ROS kaldet superoxid), når det absorberer en ophidset elektron frigivet fra forbindelser i elektrontransportkæden. Superoxid er kendt for at denaturere enzymer, oxidere lipider og fragmentere DNA. SOD'er katalyserer produktionen af O 2 og H
2O
2fra superoxid ( O-
2), hvilket resulterer i mindre skadelige reaktanter.
Når man tilpasser sig øgede niveauer af oxidativ stress, stiger SOD -koncentrationerne typisk med graden af stressbetingelser. Opdelingen af forskellige former for SOD i hele anlægget får dem til at modvirke stress meget effektivt. Der er tre velkendte og studerede klasser af SOD metalliske coenzymer, der findes i planter. For det første består Fe SOD'er af to arter, en homodimer (indeholdende 1-2 g Fe) og en tetramer (indeholdende 2-4 g Fe). De menes at være de ældste SOD -metalloenzymer og findes i både prokaryoter og eukaryoter. Fe SOD'er er mest udbredt lokaliseret inde i plantekloroplaster, hvor de er oprindelige. For det andet består Mn SOD'er af en homodimer og homotetramer -art, der hver indeholder et enkelt Mn (III) atom pr. Underenhed. De findes overvejende i mitokondrier og peroxisomer. For det tredje har Cu-Zn SOD'er elektriske egenskaber, der er meget forskellige fra dem i de to andre klasser. Disse er koncentreret i kloroplasten , cytosol og i nogle tilfælde det ekstracellulære rum. Bemærk, at Cu-Zn SOD'er giver mindre beskyttelse end Fe SOD'er, når de er lokaliseret i chloroplasten.
Bakterie
Menneskelige hvide blodlegemer bruger enzymer som NADPH oxidase til at generere superoxid og andre reaktive iltarter til at dræbe bakterier. Under infektion producerer nogle bakterier (f.eks. Burkholderia pseudomallei ) derfor superoxiddismutase for at beskytte sig mod at blive dræbt.
Biokemi
SOD konkurrerer skadelige reaktioner af superoxid og beskytter dermed cellen mod superoxidtoksicitet. Superoxids reaktion med ikke-radikaler er spin-forbudt . I biologiske systemer betyder det, at dets hovedreaktioner er med sig selv (dismutation) eller med en anden biologisk radikal, såsom nitrogenoxid (NO) eller med et metal i en overgangsserie. Superoxidanionradikalen ( O-
2) Spontant dismutes til O 2 og hydrogenperoxid ( H
2O
2) Ganske hurtigt (~ 10 5 M -1 s -1 ved pH 7). SOD er nødvendig, fordi superoxid reagerer med følsomme og kritiske cellulære mål. For eksempel reagerer det med NO -radikalen og danner giftig peroxynitrit .
Fordi den ukatalyserede dismutationsreaktion for superoxid kræver, at to superoxidmolekyler reagerer med hinanden, er dismutationshastigheden andenordens med hensyn til den oprindelige superoxidkoncentration. Således er halveringstiden for superoxid, selvom den er meget kort ved høje koncentrationer (f.eks. 0,05 sekunder ved 0,1 mM) faktisk ret lang ved lave koncentrationer (f.eks. 14 timer ved 0,1 nM). I modsætning hertil er reaktionen af superoxid med SOD første orden med hensyn til superoxidkoncentration. Desuden har superoxiddismutase den største k cat / K M (en tilnærmelse til katalytisk effektivitet) af ethvert kendt enzym (~ 7 x 109 M −1 s −1 ), idet denne reaktion kun begrænses af kollisionshyppigheden mellem sig selv og superoxid. Det vil sige, at reaktionshastigheden er "diffusionsbegrænset".
Superoxiddismutasens høje effektivitet synes nødvendig: selv ved de subnanomolære koncentrationer opnået ved de høje koncentrationer af SOD i celler inaktiverer superoxid citronsyrecyklusenzymet aconitase , kan forgifte energimetabolisme og frigive potentielt giftigt jern. Aconitase er en af flere jern-svovlholdige (de) hydrataser i metaboliske veje, der viser sig at være inaktiveret af superoxid.
Stabilitet og foldemekanisme
SOD1 er et ekstremt stabilt protein. I holoformen (både kobber og zinkbundet) er smeltepunktet> 90 ° C. I apo -formen (ingen kobber eller zinkbundet) er smeltepunktet ~ 60 ° C. Ved differentiel scanningskalorimetri (DSC) udfolder holo SOD1 sig med en to-tilstands mekanisme: fra dimer til to udfoldede monomerer. I kemiske denatureringsforsøg udfolder holo SOD1 sig ved en tre-tilstands mekanisme med observation af et foldet monomert mellemprodukt.
Fysiologi
Superoxid er en af de vigtigste reaktive iltarter i cellen. Som en konsekvens tjener SOD en vigtig antioxidantrolle. Den fysiologiske betydning af SOD'er illustreres af de alvorlige patologier, der er tydelige hos mus genetisk manipuleret til at mangle disse enzymer. Mus, der mangler SOD2, dør flere dage efter fødslen, midt i massivt oxidativt stress . Mus, der mangler SOD1, udvikler en bred vifte af patologier, herunder hepatocellulært karcinom, en acceleration af aldersrelateret muskelmassetab, en tidligere forekomst af grå stær og en reduceret levetid. Mus, der mangler SOD3, viser ikke nogen åbenlyse defekter og udviser en normal levetid, selvom de er mere følsomme over for hyperoksisk skade. Knockout-mus af ethvert SOD-enzym er mere følsomme over for de dødelige virkninger af superoxid-genererende forbindelser, såsom paraquat og diquat ( herbicider ).
Drosophila, der mangler SOD1, har en dramatisk forkortet levetid, hvorimod fluer uden SOD2 dør før fødslen. Udtømning af SOD1 og SOD2 i nervesystemet og musklerne i Drosophila er forbundet med reduceret levetid. Akkumuleringen af neuronal og muskulær ROS ser ud til at bidrage til aldersrelaterede svækkelser. Når overekspression af mitokondrielt SOD2 induceres,forlængeslevetiden for voksen Drosophila .
Blandt sorte havemyrer ( Lasius niger ) er dronningers levetid en størrelsesorden større end for arbejdere på trods af, at der ikke er nogen systematisk nukleotidsekvensforskel mellem dem. Den SOD3 genet viste sig at være den mest differentielt overudtrykt i hjernerne hos dronning vs arbejdstagere myrer. Dette fund øger muligheden for en vigtig rolle som antioxidantfunktion i modulerende levetid.
SOD -knockdowns i ormen C. elegans forårsager ikke større fysiologiske forstyrrelser. Imidlertid kan levetiden for C. elegans forlænges med superoxid/ katalasemimetik, hvilket tyder på, at oxidativ stress er en vigtig determinant for aldringshastigheden .
Knockout- eller nullmutationer i SOD1 er meget skadelige for aerob vækst i den spirende gær Saccharomyces cerevisiae og resulterer i en dramatisk reduktion i post-diauxisk levetid. I vildtype S. cerevisiae , DNA damage steget 3 gange med alderen, men mere end 5-fold i mutanter deleteret for enten SOD-1 eller SOD2 gener. Reaktive iltartniveauer stiger med alderen i disse mutantstammer og viser et lignende mønster som mønsteret for DNA -skade stiger med alderen. Det ser således ud til, at superoxiddismutase spiller en væsentlig rolle i bevarelsen af genomets integritet under ældning i S. cerevisiae . SOD2 knockout eller nullmutationer forårsager væksthæmning på respiratoriske carbonkilder ud over nedsat post-diauxisk levetid.
I fissionsgæren Schizosaccharomyces pombe fremskynder mangel på mitokondrielt superoxiddismutase SOD2 kronologisk aldring.
Flere prokaryote SOD -nullmutanter er blevet genereret, herunder E. coli . Tabet af periplasmatisk CuZnSOD forårsager tab af virulens og kan være et attraktivt mål for nye antibiotika.
Rolle i sygdom
Mutationer i det første SOD -enzym ( SOD1 ) kan forårsage familiær amyotrofisk lateral sklerose (ALS, en form for motorneuronsygdom ). Den mest almindelige mutation i USA er A4V , mens den mest intensivt undersøgte er G93A . De to andre isoformer af SOD har ikke været forbundet med mange menneskelige sygdomme, men i mus forårsager inaktivering af SOD2 perinatal dødelighed, og inaktivering af SOD1 forårsager hepatocellulært carcinom . Mutationer i SOD1 kan forårsage familiær ALS (flere beviser viser også, at vildtype SOD1 under betingelser for cellulær stress er impliceret i en betydelig brøkdel af sporadiske ALS-tilfælde, som repræsenterer 90% af ALS-patienter.), Ved en mekanisme der for øjeblikket ikke forstås, men ikke på grund af tab af enzymatisk aktivitet eller et fald i SOD1 -proteinets konformationsstabilitet. Overekspression af SOD1 er blevet forbundet med de neurale lidelser, der ses ved Downs syndrom . Hos patienter med thalassæmi vil SOD stige som en form for kompensationsmekanisme. På det kroniske stadium synes SOD imidlertid ikke at være tilstrækkeligt og har en tendens til at falde på grund af ødelæggelse af proteiner fra den massive reaktion af oxidant-antioxidant.
Hos mus bidrager den ekstracellulære superoxiddismutase (SOD3, ecSOD) til udviklingen af hypertension. Nedsat SOD3 -aktivitet har været forbundet med lungesygdomme som f.eks. Akut respiratorisk nødsyndrom (ARDS) eller kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL).
Superoxiddismutase udtrykkes heller ikke i neurale kamceller hos det udviklende foster . Derfor kan høje niveauer af frie radikaler forårsage skade på dem og forårsage dysrafiske anomalier (neurale rørfejl).
Farmakologisk aktivitet
SOD har kraftig antiinflammatorisk aktivitet. For eksempel er SOD en yderst effektiv eksperimentel behandling af kronisk betændelse i colitis . Behandling med SOD reducerer reaktiv iltartdannelse og oxidativ stress og hæmmer dermed endotelaktivering. Derfor kan sådanne antioxidanter være vigtige nye terapier til behandling af inflammatorisk tarmsygdom .
På samme måde har SOD flere farmakologiske aktiviteter. F.eks. Forbedrer det cis -platin -induceret nefrotoksicitet hos gnavere. Som "Orgotein" eller "ontosein", et farmakologisk aktivt renset kvæglever SOD, er det også effektivt til behandling af urinvejsinflammatorisk sygdom hos mennesker. For en tid havde kvæglever SOD endda lovgivningsmæssig godkendelse i flere europæiske lande til sådan brug. Dette blev afkortet af bekymringer om prionsygdomme .
Et SOD-mimetisk middel, TEMPOL , er i øjeblikket i kliniske forsøg med radiobeskyttelse og for at forhindre stråleinduceret dermatitis . TEMPOL og lignende SOD-mimetiske nitroxider udviser en mangfoldighed af handlinger ved sygdomme, der involverer oxidativ stress.
Kosmetiske anvendelser
SOD kan reducere skader på frie radikaler på huden - for eksempel at reducere fibrose efter stråling mod brystkræft. Undersøgelser af denne art må imidlertid betragtes som foreløbige, da der ikke var tilstrækkelige kontroller i undersøgelsen, herunder mangel på randomisering, dobbeltblinding eller placebo. Superoxiddismutase vides at reversere fibrose , muligvis gennem differentiering af myofibroblaster tilbage til fibroblaster .
Kommercielle kilder
SOD fås kommercielt fra marine fytoplankton , kvæglever, peberrod , cantaloupe og visse bakterier. Til terapeutisk formål injiceres SOD normalt lokalt. Der er ingen tegn på, at indtagelse af ubeskyttet SOD eller SOD-rige fødevarer kan have nogen fysiologiske virkninger, da alt indtaget SOD nedbrydes til aminosyrer, før det absorberes . Indtagelse af SOD bundet til hvedeproteiner kan imidlertid forbedre dets terapeutiske aktivitet, i det mindste i teorien.
Se også
- Catalase
- Glutathionperoxidase
- Jiaogulan
- NADPH oxidase , et enzym der producerer superoxid
- Peroxidase
Referencer
eksterne links
- Online Mendelsk arv i mennesket (OMIM): 105400 (ALS)
- ALS Online Database
- En kort, men substantiel oversigt over SOD og dets litteratur.
- Skader-Based Teorier om Aging Inkluderer en diskussion af de roller SOD-1 og SOD2 i aldring.
- Lægers komm. For Ansvarlig Med.
- SOD og Oxidative Stress Pathway Image
- Historisk information om SOD-forskning "The evolution of Free Radical Biology & Medicine : A 20-year history" og " Free Radical Biology & Medicine De sidste 20 år: De mest citerede artikler"
- JM McCord diskuterer opdagelsen af SOD
- PDBe-KB giver en oversigt over alle de strukturoplysninger, der er tilgængelige i FBF for human superoxiddismutase [Cu-Zn]
- PDBe-KB giver en oversigt over alle de strukturoplysninger, der er tilgængelige i FBF for human superoxiddismutase [Mn], mitokondrie
- PDBe-KB giver en oversigt over alle de strukturoplysninger, der er tilgængelige i FBF for human ekstracellulær superoxiddismutase [Cu-Zn]
