Dysmutaza ponadtlenkowa - Superoxide dismutase
| Dysmutaza ponadtlenkowa | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Struktura ludzkiego tetrameru dysmutazy ponadtlenkowej 2 Mn.
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Nr WE | 1.15.1.1 | ||||||||
| Nr CAS | 9054-89-1 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| Struktury WPB | RCSB PDB PDBe Suma PDB | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Dysmutaza ponadtlenkowa ( SOD , EC 1.15.1.1 ) jest enzymem, który na przemian katalizuje dysmutację (lub podział) ponadtlenku ( O−
2) rodnik na zwykły tlen cząsteczkowy (O 2 ) i nadtlenek wodoru ( H
2O
2). Nadtlenek powstaje jako produkt uboczny metabolizmu tlenu i, jeśli nie jest regulowany, powoduje wiele rodzajów uszkodzeń komórek. Nadtlenek wodoru jest również szkodliwy i rozkładany przez inne enzymy, takie jak katalaza . Tak więc SOD jest ważną obroną antyoksydacyjną w prawie wszystkich żywych komórkach wystawionych na działanie tlenu. Jedynym wyjątkiem są Lactobacillus plantarum i pokrewne lactobacilli , które wykorzystują inny mechanizm zapobiegania uszkodzeniom wywołanym przez reaktywne O−
2.
Reakcja chemiczna
SOD katalizują dysproporcjonowanie ponadtlenku:
- 2 HO 2 → O 2 + H 2 O 2
W ten sposób O−
2 przekształca się w dwa mniej szkodliwe gatunki.
W szlaku, w którym SOD katalizowanej dysproporcjonowania z nadtlenku może być, na Cu, Zn SOD, z następującymi reakcjami:
- Cu 2+ -SOD + O−
2→ Cu + -SOD + O 2 (redukcja miedzi; utlenianie ponadtlenku) - Cu + -SOD + O−
2+ 2H + → Cu 2+ -SOD + H 2 O 2 (utlenianie miedzi; redukcja ponadtlenku)
Ogólny kształt, mający zastosowanie do wszystkich różnych form SOD skoordynowanych z metalem, można zapisać w następujący sposób:
- M (n+1)+ -SOD + O−
2→ Mn+ -SOD + O 2 - M n + -SOD + O−
2+ 2H + → M (n+1)+ -SOD + 0 H
2O
2
gdzie M = Cu (n=1); Mn (n=2); Fe (n=2); Ni (n=2) tylko u prokariontów.
W szeregu takich reakcji stopień utlenienia i ładunek kationu metalu oscylują między n i n+1: +1 i +2 dla Cu lub +2 i +3 dla innych metali.
Rodzaje
Ogólny
Irwin Fridovich i Joe McCord z Duke University odkryli aktywność enzymatyczną dysmutazy ponadtlenkowej w 1968 roku. SOD były wcześniej znane jako grupa metaloprotein o nieznanej funkcji; na przykład CuZnSOD był znany jako erytrokupreina (lub hemocupreina lub cytokupreina) lub jako weterynaryjny lek przeciwzapalny „Orgoteina”. Podobnie, Brewer (1967) zidentyfikował białko, które później stało się znane jako dysmutaza ponadtlenkowa jako oksydaza indofenolowa przez analizę białek w żelach skrobiowych przy użyciu techniki fenazyna-tetrazol.
Istnieją trzy główne rodziny dysmutazy ponadtlenkowej, w zależności od fałdu białka i kofaktora metalicznego : typ Cu/Zn (wiążący zarówno miedź, jak i cynk ), typy Fe i Mn (wiążące żelazo lub mangan ) oraz typ Ni (który wiąże nikiel ).
Schemat wstążkowy bydlęcej podjednostki Cu-Zn SOD
|
- Miedź i cynk – najczęściej używane przez eukarionty , w tym ludzi. W cytozolu praktycznie wszystkie eukariotyczne komórki zawierają enzym SOD z miedzi i cynku (Cu-Zn-SOD). Na przykład, dostępny w handlu Cu-Zn-SOD jest zwykle oczyszczany z czerwonych krwinek bydlęcych. Bydlęcy enzym Cu-Zn jest homodimerem o masie cząsteczkowej 32500. Był to pierwszy SOD, którego struktura krystaliczna szczegółów atomowych została rozwiązana w 1975 roku. Jest to 8-niciowa beczka typu „ grecki klucz ” z miejscem aktywnym utrzymywanym pomiędzy lufą a dwoma pętlami powierzchniowymi. Te dwie podjednostki są ściśle połączone plecami do siebie, głównie przez oddziaływania hydrofobowe i pewne oddziaływania elektrostatyczne. Ligandami miedzi i cynku jest sześć łańcuchów bocznych histydyny i jeden asparaginian ; jedna histydyna jest związana między dwoma metalami.
-
Żelazo lub mangan – używane przez prokariotów i protistów oraz w mitochondriach i chloroplastach
- Żelazo – Wiele bakterii zawiera formę enzymu z żelazem (Fe-SOD); niektóre bakterie zawierają Fe-SOD, inne Mn-SOD, a niektóre (takie jak E. coli ) zawierają oba. Fe-SOD można również znaleźć w chloroplastach roślin. Struktury 3D homologicznych dysmutaz ponadtlenkowych Mn i Fe mają taki sam układ alfa-helis, a ich miejsca aktywne zawierają ten sam typ i układ łańcuchów bocznych aminokwasów. Zwykle są to dimery, ale czasami tetramery.
- Mangan – Prawie wszystkie mitochondria i wiele bakterii zawiera formę z manganem (Mn-SOD): Na przykład Mn-SOD występujący w ludzkich mitochondriach. Ligandami jonów manganu są 3 łańcuchy boczne histydyny, łańcuch boczny asparaginianu i cząsteczka wody lub ligand hydroksylowy , w zależności od stopnia utlenienia Mn (odpowiednio II i III).
- Nikiel – prokariotyczny . Ma heksameryczną (6-kopiową) strukturę zbudowaną z prawoskrętnych wiązek 4-helisowych, z których każdy zawiera N-końcowe haczyki, które chelatują jon Ni. Hak Ni zawiera motyw His-Cys-XX-Pro-Cys-Gly-X-Tyr; zapewnia większość interakcji krytycznych dla wiązania metali i katalizy, a zatem jest prawdopodobną diagnostyką NiSOD.
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
W roślinach wyższych izozymy SOD zostały zlokalizowane w różnych przedziałach komórkowych. Mn-SOD występuje w mitochondriach i peroksysomach . Fe-SOD znaleziono głównie w chloroplastach, ale wykryto również w peroksysomach, a CuZn-SOD zlokalizowano w cytozolu , chloroplastach, peroksysomach i apoplaście .
Człowiek
Trzy formy dysmutazy ponadtlenkowej występują u ludzi, u wszystkich innych ssaków i większości strunowców . SOD1 znajduje się w cytoplazmie , SOD2 w mitochondriach , a SOD3 jest zewnątrzkomórkowy . Pierwszy to dimer (składa się z dwóch jednostek), podczas gdy pozostałe to tetramery (cztery podjednostki). SOD1 i SOD3 zawierają miedź i cynk, podczas gdy SOD2, enzym mitochondrialny, zawiera mangan w swoim centrum reaktywnym. Te geny znajdują się na chromosom 21, 6 i 4, odpowiednio (21q22.1, 6q25.3 i 4p15.3-p15.1).
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rośliny
W roślinach wyższych enzymy dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) działają jako przeciwutleniacze i chronią składniki komórkowe przed utlenianiem przez reaktywne formy tlenu (ROS). RFT mogą powstawać w wyniku suszy, urazów, herbicydów i pestycydów, ozonu, aktywności metabolicznej roślin, niedoborów składników odżywczych, fotoinhibicji, temperatury nad i pod ziemią, toksycznych metali oraz promieniowania UV lub gamma. Mówiąc konkretnie, cząsteczkowy O 2 jest redukowany do O−
2(ROS zwany nadtlenkiem), gdy absorbuje wzbudzony elektron uwolniony ze związków łańcucha transportu elektronów. Wiadomo, że nadtlenek denaturuje enzymy, utlenia lipidy i fragmentuje DNA. SOD katalizują produkcję O 2 i H
2O
2z nadtlenku ( O−
2), co skutkuje mniej szkodliwymi reagentami.
Podczas aklimatyzacji do podwyższonego poziomu stresu oksydacyjnego stężenie SOD zazwyczaj wzrasta wraz ze stopniem warunków stresowych. Kompartmentalizacja różnych form SOD w całej roślinie sprawia, że bardzo skutecznie przeciwdziałają one stresowi. Istnieją trzy dobrze znane i przebadane klasy koenzymów metalicznych SOD występujących w roślinach. Po pierwsze, Fe SOD składają się z dwóch rodzajów, jednego homodimeru (zawierającego 1–2 g Fe) i jednego tetrameru (zawierającego 2–4 g Fe). Uważa się, że są to najstarsze metaloenzymy SOD i można je znaleźć zarówno u prokariontów, jak i eukariontów. Fe SOD są najliczniej zlokalizowane wewnątrz chloroplastów roślinnych, gdzie są rodzime. Po drugie, Mn SOD składają się z homodimeru i homotetrameru, z których każdy zawiera jeden atom Mn(III) na podjednostkę. Występują głównie w mitochondriach i peroksysomach. Po trzecie, SOD Cu-Zn mają właściwości elektryczne bardzo różne od właściwości pozostałych dwóch klas. Są one skoncentrowane w chloroplastach , cytozolu , aw niektórych przypadkach w przestrzeni pozakomórkowej. Należy zauważyć, że SOD Cu-Zn zapewniają mniejszą ochronę niż SOD Fe, gdy są zlokalizowane w chloroplastach.
Bakteria
Ludzkie krwinki białe wykorzystują enzymy, takie jak oksydaza NADPH, do generowania ponadtlenku i innych reaktywnych form tlenu w celu zabicia bakterii. Podczas infekcji niektóre bakterie (np. Burkholderia pseudomallei ) wytwarzają dysmutazę ponadtlenkową, aby chronić się przed śmiercią.
Biochemia
SOD pokonuje szkodliwe reakcje nadtlenkowe, chroniąc w ten sposób komórkę przed toksycznością nadtlenkową. Reakcja nadtlenku z nierodnikami jest zabroniona wirowaniem . W układach biologicznych oznacza to, że jego główne reakcje zachodzą z samym sobą (dysmutacja) lub z innym rodnikiem biologicznym, takim jak tlenek azotu (NO) lub z metalem serii przejściowej. Anionowy rodnik ponadtlenkowy ( O−
2) samorzutnie dysmutuje do O 2 i nadtlenku wodoru ( H
2O
2) dość szybko (~10 5 M -1 s -1 przy pH 7). SOD jest konieczne, ponieważ ponadtlenek reaguje z wrażliwymi i krytycznymi celami komórkowymi. Na przykład reaguje z rodnikiem NO i wytwarza toksyczny peroksyazotyn .
Ponieważ niekatalizowana reakcja dysmutacji dla ponadtlenku wymaga reakcji dwóch cząsteczek ponadtlenku, szybkość dysmutacji jest drugiego rzędu w stosunku do początkowego stężenia ponadtlenku. Zatem okres półtrwania nadtlenku, chociaż bardzo krótki przy wysokich stężeniach (np. 0,05 sekundy przy 0,1 mM), jest w rzeczywistości dość długi przy niskich stężeniach (np. 14 godzin przy 0,1 nM). W przeciwieństwie do tego, reakcja ponadtlenku z SOD jest pierwszego rzędu w odniesieniu do stężenia ponadtlenku. Ponadto, dysmutazy ponadtlenkowej ma największą k cat / K M (przybliżenie wydajności katalitycznej) dowolnego znanego enzymu (7 x 10 ~ 9 M -1 y -1 ), reakcja ta jest ograniczona jedynie przez częstości kolizji między sobą i nadtlenek. Oznacza to, że szybkość reakcji jest „ograniczona dyfuzją”.
Wysoka skuteczność dysmutazy ponadtlenkowej wydaje się konieczna: nawet przy stężeniach subnanomolowych osiąganych przez wysokie stężenia SOD w komórkach, ponadtlenek inaktywuje enzym akonitazę cyklu kwasu cytrynowego , może zatruwać metabolizm energetyczny i uwalnia potencjalnie toksyczne żelazo. Akonitaza jest jedną z kilku (de)hydrataz zawierających żelazo-siarkę w szlakach metabolicznych, które są inaktywowane przez ponadtlenek.
Stabilność i mechanizm składania
SOD1 to niezwykle stabilne białko. W formie holo (zarówno związanej miedzią, jak i cynkiem) temperatura topnienia wynosi > 90 °C. W postaci apo (bez wiązania miedzi lub cynku) temperatura topnienia wynosi ~60°C. Dzięki różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), holo SOD1 rozwija się w mechanizmie dwustanowym: od dimeru do dwóch niesfałdowanych monomerów. W eksperymentach z denaturacją chemiczną holo SOD1 rozwija się według mechanizmu trójstanowego z obserwacją sfałdowanego monomerycznego produktu pośredniego.
Fizjologia
Nadtlenek jest jedną z głównych reaktywnych form tlenu w komórce. W konsekwencji SOD pełni kluczową rolę przeciwutleniającą. Fizjologiczne znaczenie SOD jest ilustrowane przez poważne patologie widoczne u myszy genetycznie zmodyfikowanych tak, aby nie posiadały tych enzymów. Myszy pozbawione SOD2 umierają kilka dni po urodzeniu, pod wpływem ogromnego stresu oksydacyjnego . Myszy pozbawione SOD1 rozwijają szeroki zakres patologii, w tym raka wątrobowokomórkowego, przyspieszenie utraty masy mięśniowej związanej z wiekiem, wcześniejszą częstość występowania zaćmy i skrócenie życia. Myszy pozbawione SOD3 nie wykazują żadnych widocznych wad i wykazują normalną długość życia, chociaż są bardziej wrażliwe na urazy hiperoksyczne. Myszy z nokautem dowolnego enzymu SOD są bardziej wrażliwe na śmiertelne działanie związków generujących ponadtlenki, takich jak parakwat i dikwat ( herbicydy ).
Drosophila pozbawiona SOD1 ma dramatycznie skróconą długość życia, podczas gdy muchy pozbawione SOD2 umierają przed urodzeniem. Wyczerpywanie SOD1 i SOD2 w układzie nerwowym i mięśniach Drosophila jest związane ze zmniejszoną długość życia. Wydaje się, że akumulacja nerwowych i mięśniowych ROS przyczynia się do upośledzenia związanego z wiekiem. Kiedy indukowana jest nadekspresja mitochondrialnego SOD2, długość życia dorosłego Drosophila jest wydłużona.
Wśród czarnych mrówek ogrodowych ( Lasius niger ) długość życia królowych jest o rząd wielkości większa niż robotnic, pomimo braku systematycznych różnic w sekwencji nukleotydów między nimi. Stwierdzono, że gen SOD3 wykazuje największą nadmierną ekspresję w mózgach mrówek królowych i robotnic. To odkrycie podnosi możliwość ważnej roli funkcji antyoksydacyjnej w modulowaniu długości życia.
Uderzenia SOD u robaka C. elegans nie powodują poważnych zaburzeń fizjologicznych. Jednak żywotność C. elegans można wydłużyć za pomocą mimetyków ponadtlenkowych/ katalazy, co sugeruje, że stres oksydacyjny jest głównym wyznacznikiem tempa starzenia .
Mutacje typu nokaut lub zerowe w SOD1 są wysoce szkodliwe dla wzrostu tlenowego u pączkujących drożdży Saccharomyces cerevisiae i powodują dramatyczne skrócenie długości życia po diauxie. W dzikiego typu S. cerevisiae , uszkodzenie DNA stopy wzrosła 3-krotnie z wiekiem, ale więcej niż 5-krotnie w mutantach usunięte albo dla SOD1 lub SOD2 genów. Poziomy reaktywnych form tlenu wzrastają wraz z wiekiem w tych zmutowanych szczepach i wykazują podobny wzór do wzoru uszkodzenia DNA wraz z wiekiem. Tak więc wydaje się, że dysmutaza ponadtlenkowa odgrywa istotną rolę w utrzymaniu integralności genomu w trakcie starzenia się w S. cerevisiae . SOD2 knockout lub mutacje zerowe powodują zahamowanie wzrostu źródeł węgla w układzie oddechowym, a także skróconą długość życia po diaux.
W drożdżach rozszczepialnych Schizosaccharomyces pombe niedobór mitochondrialnej dysmutazy ponadtlenkowej SOD2 przyspiesza starzenie chronologiczne.
Wytworzono kilka prokariotycznych mutantów zerowych SOD, w tym E. coli . Utrata peryplazmatycznego CuZnSOD powoduje utratę zjadliwości i może być atrakcyjnym celem dla nowych antybiotyków.
Rola w chorobie
Mutacje w pierwszym enzymie SOD ( SOD1 ) mogą powodować rodzinne stwardnienie zanikowe boczne (ALS, postać choroby neuronu ruchowego ). Najczęstszą mutacją w USA jest A4V , a najintensywniej badaną jest G93A . Pozostałe dwie izoformy SOD nie zostały powiązane z wieloma chorobami człowieka, jednak u myszy inaktywacja SOD2 powoduje okołoporodową śmiertelność, a inaktywacja SOD1 powoduje raka wątrobowokomórkowego . Mutacje w SOD1 mogą powodować rodzinne ALS (kilka dowodów wskazuje również, że SOD1 typu dzikiego w warunkach stresu komórkowego jest zaangażowany w znaczną część sporadycznych przypadków ALS, które stanowią 90% pacjentów z ALS). nie jest to obecnie zrozumiałe, ale nie z powodu utraty aktywności enzymatycznej lub spadku stabilności konformacyjnej białka SOD1. Nadekspresja SOD1 została powiązana z zaburzeniami nerwowymi obserwowanymi w zespole Downa . U pacjentów z talasemią SOD wzrośnie jako forma mechanizmu kompensacyjnego. Jednak w fazie przewlekłej SOD wydaje się nie wystarczać i ma tendencję do zmniejszania się z powodu niszczenia białek w wyniku masowej reakcji utleniacza z przeciwutleniaczem.
U myszy do rozwoju nadciśnienia przyczynia się zewnątrzkomórkowa dysmutaza ponadtlenkowa (SOD3, ecSOD). Zmniejszona aktywność SOD3 została powiązana z chorobami płuc, takimi jak zespół ostrej niewydolności oddechowej (ARDS) lub przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP).
Dysmutaza ponadtlenkowa nie ulega również ekspresji w komórkach grzebienia nerwowego rozwijającego się płodu . Stąd wysoki poziom wolnych rodników może powodować ich uszkodzenie i wywoływać anomalie dysraficzne (wady cewy nerwowej).
Działalność farmakologiczna
SOD ma silne działanie przeciwzapalne. Na przykład SOD jest wysoce skutecznym eksperymentalnym leczeniem przewlekłego zapalenia w zapaleniu jelita grubego . Leczenie SOD zmniejsza wytwarzanie reaktywnych form tlenu i stres oksydacyjny, a tym samym hamuje aktywację śródbłonka. Dlatego takie przeciwutleniacze mogą być ważnymi nowymi terapiami w leczeniu nieswoistego zapalenia jelit .
Podobnie SOD ma wiele działań farmakologicznych. Np. łagodzi nefrotoksyczność wywołaną cis-platyną u gryzoni. Jako „Orgoteina” lub „ontoseina”, farmakologicznie aktywna oczyszczona SOD wątroby bydlęcej, jest również skuteczna w leczeniu choroby zapalnej dróg moczowych u człowieka. Przez pewien czas SOD z wątroby bydlęcej posiadało nawet zezwolenie regulacyjne w kilku krajach europejskich na takie zastosowanie. Zostało to przerwane przez obawy dotyczące choroby prionowej .
Środek naśladujący SOD , TEMPOL , jest obecnie w badaniach klinicznych nad radioprotekcją i zapobieganiem zapaleniu skóry wywołanemu przez promieniowanie . TEMPOL i podobne nitroksydy naśladujące SOD wykazują wielorakie działania w chorobach związanych ze stresem oksydacyjnym.
Zastosowania kosmetyczne
SOD może zmniejszyć uszkodzenia skóry przez wolne rodniki – na przykład w celu zmniejszenia zwłóknienia po napromieniowaniu w przypadku raka piersi. Badania tego rodzaju należy jednak uznać za wstępne, ponieważ w badaniu nie było odpowiednich kontroli, w tym braku randomizacji, podwójnej ślepej próby lub placebo. Dysmutaza ponadtlenkowa jest znany odwrotnej zwłóknienia , ewentualnie z wycofaniem różnicowania z miofibroblasty powrotem do fibroblastów .
Źródła komercyjne
SOD jest komercyjnie pozyskiwany z fitoplanktonu morskiego , wątroby bydlęcej, chrzanu , kantalupa i niektórych bakterii. W celach terapeutycznych SOD jest zwykle wstrzykiwany miejscowo. Nie ma dowodów na to, że spożycie niezabezpieczonej żywności bogatej w SOD lub żywności bogatej w SOD może mieć jakiekolwiek skutki fizjologiczne, ponieważ całe spożyte SOD jest rozkładane na aminokwasy przed wchłonięciem . Jednak spożycie SOD związanego z białkami pszenicy może poprawić jego aktywność terapeutyczną, przynajmniej teoretycznie.
Zobacz też
- Katalaza
- Peroksydaza glutationowa
- Jiaogulan
- Oksydaza NADPH , enzym wytwarzający ponadtlenek
- Peroksydaza
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Online Mendlowskie dziedziczenie w człowieku (OMIM): 105400 (ALS)
- Internetowa baza danych ALS
- Krótki, ale merytoryczny przegląd SOD i jego literatury.
- Teorie starzenia się oparte na uszkodzeniach Zawiera omówienie ról SOD1 i SOD2 w starzeniu się.
- Komunikat lekarza Dla Odpowiedzialnej Med.
- Obraz SOD i ścieżki stresu oksydacyjnego
- Informacje historyczne na temat badań SOD „Ewolucja wolnej radykalnej biologii i medycyny : 20-letnia historia” oraz „ Wolna radykalna biologia i medycyna Ostatnie 20 lat: najczęściej cytowane artykuły”
- JM McCord omawia odkrycie SOD
- PDBe-KB zawiera przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla ludzkiej dysmutazy ponadtlenkowej [Cu-Zn]
- PDBe-KB zawiera przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla ludzkiej dysmutazy ponadtlenkowej [Mn], mitochondrialnej
- PDBe-KB zawiera przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla ludzkiej pozakomórkowej dysmutazy ponadtlenkowej [Cu-Zn]
