铜锌超氧化物歧化酶在氧自由基平衡中的作用

铜锌超氧化物歧化酶在氧自由基平衡中的作用

sod是一种广泛存在于生物中的金属酶。根据金属化合物的不同，它主要分为cuzn-sod、mnsod、fe-sod和ni-sod。已有研究表明,在生物体内存在着两种类型的铜锌超氧化物歧化酶:一种是细胞内形式,叫细胞内铜锌超氧化物歧化酶(CuZnSOD);另一种是细胞外形式,称之为细胞外铜锌超氧化物歧化酶(EC-SOD),二者在催化歧化反应时有着相同的速率和相似的动力学常数。本文对这两种酶在生物体内的分布、蛋白结构、生物学功能等方面进行了综述。1cuzn-sod的制备从SOD的定向进化角度来说,CuZn-SOD是真核生物酶,主要存在于真核生物的细胞质、植物叶绿体的基质和过氧化物酶体中。但研究发现,在某些原核生物中,也存在有CuZn-SOD。EC-SOD是1982年Marklund等首先在动物血浆中发现的,在人体中主要分布在组织外基质和细胞表面上,是细胞外液如血浆、淋巴液、关节液及脑脊液中最主要的SOD同工酶,也是清除细胞外O2结构2.1x-射线衍射晶体结构分析cuzn-sod的结构一般由两个相同亚基构成,每个亚基含一个Cu原子和一个Zn原子。CuZnSOD结构上的同源性表现为:与金属辅基相连的氨基酸残基和参与肽链内部二硫键形成部位附近的氨基酸残基相同;富含甘氨酸残基,它们的大量存在和均匀分布有利于形成酶分子的高级结构;氨基酸序列中都有一个位于分子结构表面的超可变区,可能与免疫学性质有关;羧基末端有一序列同源性很高的区域,在此区域有一个精氨酸(Arg141),对酶活力的维持起关键作用。CuZn-SOD高级结构的信息来源于X-射线衍射晶体结构分析。以牛红细胞CuZn-SOD为例,该酶由两个结构相同的亚基构成,亚基结构核心是一个由八股反平行的β折叠和3个无代表性结构的环组成的具有拓扑性的桶(β桶),整个结构含α-螺旋较少。两个亚基之间通过非共价键的疏水作用结合,两个Cu原子之间相距3.38nm,同一亚基中Cu、Zn相距0.63nm。CuZn-SOD的活性部分是一个椭圆形的口袋,Cu、Zn与6个组氨酸(His)残基和1个天冬氨酸(Asp)形成狭长的袋底,其中Cu原子分别与His44、His46、His61、His118配位,Zn则与His61、His69、His78和Asp81配位,Cu、Zn共同连接His61组成“咪唑桥”结构。Cu靠近溶剂面,β桶边缘的Arg141有辅助引导底物向Cu离子靠近的作用;Zn则包埋于疏水基团中,起稳定酶结构的作用。半胱氨酸Cys55和Cys144-SH基之间形成的二硫键是CuZn-SOD中唯一的一对链内二硫键,对维持酶结构的稳定也起着重要作用。2.2ec-sod及trp1ile95这是一种分泌型糖蛋白,一般由4个相同亚基组成,每个亚基含有一个Cu原子和一个Zn原子,双亚基间通过半胱氨酸的二硫键连接。人EC-SOD的cDNA编码30kD大小的亚基,它是由240个氨基酸残基组成的多肽,包括18个氨基酸组成的信号肽和222个氨基酸组成的成熟蛋白。EC-SOD主要由3个功能结构域组成:N-端序列(Trp1~Ile95),在Asn89处有一糖基化位点,主要有助于酶的溶解;活性中心区域(His96~Gly193),与CuZn-SOD后2/3部分有高度同源性;C-端结构域(Val194~Ala222),其中包含有9个氨基酸残基组成的带正电荷的区域。2.2.1ec-sod-四聚体EC-SOD的N-末端存在一段α-螺旋结构,进一步的结构分析发现,在Ala14~Met32之间形成了一段两性的α-螺旋,这一结构的主要作用是介导形成EC-SOD四聚体。在小鼠EC-SOD中,由于Asp24改变为Val24,使其形成二聚体而不是通常的四聚体,由此证明,EC-SOD的N-末端主要是依赖这一段α-螺旋的相互作用而形成四聚体的。Edlund等将Asn89变为Gln以去除糖基化,结果发现没有糖基的EC-SOD其溶解度大幅下降。2.2.2半胱氨酸衍生物及其他类化合物EC-SOD和CuZn-SOD的活性中心的同源性达50%,两者有许多相同的特点:都有着相同的金属辅基,以及相同的与催化活性相关的必需氨基酸;在CuZn-SOD中起稳定结构作用的半胱氨酸也存在于EC-SOD中;有相同的抑制剂如氰化物、叠氮化合物等;两者都可以耐受极端pH、高温以及强变性剂如尿素、盐酸胍。在活性中心中,Zn存在于蛋白内部,不参与活性反应;Cu则在反应中起重要作用。2.2.3ec-sod的纯化在C-末端的26个氨基酸中含有6个Arg和3个Lys及其他亲水性氨基酸,因此这一部分是暴露在溶剂中的。二级结构的预测和分析均表明这部分也是α-螺旋。C-末端主要表现为对肝素和Ⅰ型胶原蛋白的亲和力,使EC-SOD可以结合于细胞间质上。由于含有较多的Arg和Lys,所以C-末端较易被水解。早在1987年,Tibell等对EC-SOD进行SDS分析时就发现,在相应分子量位置出现了两条着色带,但最初人们认为是在纯化时被蛋白酶水解所致的,后来随着研究的深入才逐渐发现EC-SOD在组织内就已经被水解,甚至是在细胞内刚被合成时就立即被水解了。2002年,研究人员发现EC-SOD也存在于细胞内,研究表明这一过程是由C-端介导的,因此C-末端具有核转位信号的作用。2.2.4硫键的结合方式EC-SOD的一级结构中有6个Cys(Cys45、Cys107、Cys189、Cys190、Cys195和Cys219),分析发现,EC-SOD中存在两种不同的二硫键结合方式:一种有活性(aEC-SOD),形成Cys45-Cys190和Cys107-Cys189两个二硫键,Cys195不参与二硫键形成;一种没有活性(iEC-SOD),形成Cys107-Cys195和Cys189-Cys190两个二硫键,Cys45不参与二硫键形成。推测iEC-SOD没有活性的主要原因是由于没有形成和CuZn-SOD相同的二硫键结合方式(Cys107-Cys189)。在CuZn-SOD中,这个二硫键的主要作用是稳定活性中心。3ec-sod与认知能力SOD是机体活性氧清除反应过程中第一个发挥作用的抗氧化酶,对防止氧自由基破坏细胞的组成、结构和功能,保护细胞免受氧化损伤具有十分重要的作用。作为生物体细胞中最主要的抗氧化酶,SOD是通过催化下列反应:O3.1EC-SOD在体内有着重要的生理作用和生物学功能,研究表明,EC-SOD主要在NO信号传导、心脑血管疾病、糖尿病及抗衰老方面发挥着重要作用。自由基在体内的积累会引起蛋白质氧化,细胞膜结构破坏,酶功能丧失等机体损伤。EC-SOD可以清除体内多余的O3.2氧化应激在许多神经性疾病如老年痴呆症、肌萎缩性脊髓侧索硬化症和帕金森综合症中起着重要作用。因此,抗氧化剂在预防和治疗这类疾病的过程中被认为具有重要作用。最近的研究表明,大脑中EC-SOD的表达量和调控与认知能力有密切联系。野生型小鼠与EC-SOD过表达小鼠相比,其学习和记忆能力随着年龄的增长有不同程度的削弱,在对其进行走迷宫实验时可以清楚地发现两者年轻时没有明显的区别,但是到了老年则有了明显差别,EC-SOD过表达组的学习和记忆能力明显优于野生型。而对EC-SOD转基因小鼠的实验则发现,过量的EC-SOD会减弱其形成某些长期记忆的能力。因此必须调节EC-SOD的生理浓度以维持机体功能正常。3.3随着对严重创伤、休克、感染等疾病的抢救技术水平的提高,肺部疾病患者不直接死于原发性疾病,而是死于继发性急性肺损伤(ALI)或急性呼吸窘迫综合症(ARDS)。有研究表明,肺组织中嗜中性粒细胞分泌出的活性氧自由基(ROS)在引发ARDS中起到了关键作用。向动物模型中注入SOD可以有效保护肺组织,减少伤害。在对EC-SOD转基因小鼠的实验中发现,EC-SOD的过表达可以有效地减少肺组织在高氧高压诱导中的损伤,且EC-SOD可以减少肺损伤中嗜中性粒细胞的堆积,从而减轻肺部急性炎症。最近一项研究表明,人体关节中含有大量的EC-SOD,它们结合在关节软骨中的Ⅰ型胶原蛋白上,并且可以有效地清除ROS保护胶原蛋白。可以设想,在不久的将来EC-SOD可能会成为预防和治疗关节炎的有效药物。3.4现代医学已经证明,人类的衰老与人体内ROS的生成密切相关。有实验指出,胎儿未出生时体内就含有大量EC-SOD,以备出生时接触高氧环境,新生儿一岁后体内EC-SOD含量达到最高;而在后来的20年内EC-SOD含量则以每年2%的速度下降。随着时间的推移,体内抗氧化酶的含量越来越少,ROS的产生却越来越多,随之对机体各器官的损害也会越来越大。当ROS对机体的损伤积累到一定程度就会引起机体疾病的发生。有研究显示,生物体内SOD含量与ROS的积累呈负相关。可以认为,在体内专一清除ROS的SOD可以有效减慢衰老,提高人类的生活质量。4cuzn-sod的模拟研究CuZn-SOD是一种疗效广泛的药用酶,但天然酶分子量大且难透过细胞膜,稳定性较差,体内半衰期短,且具有免疫原性,功能相对单一,从而限制了其应用。为了改变这种情况,近些年来国内外学者在CuZnSOD的化学修饰、酶的模拟等方面进行了大量研究。经化学修饰后的CuZn-SOD,其耐热、耐酸碱、抗蛋白酶水解的能力均有显著提高。Cu