超氧化物歧化酶的研究进展

超氧化物歧化酶的研究进展

在漫长的生物进化过程中，为了预防和破坏氧气自由基对身体生命活动的影响，身体建立了一个完整的氧化防御系统，并将其配置为完整的氧化防御系统。超氧化物（sod）是一种重要的抗逆剂。它的变化或变化对身体的生长、发育、成熟、衰老和死亡起到了不可低估的生理和病理控制作用。由于超氧化物阴离子自由基与许多种疾病的形成、发生、发展及其变化有密切关系,因此SOD对超氧化物阴离子自由基及其质子化产物作为底物的歧化反应,是它在临床医学、预防医学和基础医学中广为流传并令人瞩目的关键之所在。11.1超氧化物歧化酶1938年Mann等首次从牛红细胞中得到一种含铜金属酶,1969年McCord和Fridovich发现该金属蛋白具有催化超氧阴离子自由基作用,称作超氧化物歧化酶。超氧化物歧化酶是一类金属酶,依据金属辅基的成分不同可分为3类,第1类含铜和锌,称为铜锌超氧化物歧化酶,主要存在于真核细胞和细胞浆中;第2类含锰,称为锰超氧化物歧化酶,存在于真核细胞的线粒体和原核细胞中;第3类含铁,称为铁超氧化物歧化酶,只存在于原核细胞中。1.2结构在三种超氧化物歧化酶中,以铜锌超氧化物歧化酶研究最多,结构也较清楚。1.2.1铜、锌超氧化物诱导酶的结构铜锌超氧化物歧化酶的分子量为31200,每个酶分子由两个亚基通过非共价键的疏水相互作用缔合成二聚体,肽链内部由半胱氨酸C1.2.2区域间连接的配合物该酶是由203个氨基酸残基构成的四聚体。亚基主链形成两个主区域,N端区域主要是两个长的反平行螺旋(残基21到45、69到89),C端区域(残基100到203)为一个拧成三股的α+β结构。cis-脯氨酸、残基30和两个区域间的连接基团即β-片基交叉连接附近的甘氨酸和脯氨酸对保持折叠结构和酶功能发挥着重要作用。维持两个区域间连接的作用力包括精氨酸残基与酸性支链间盐键,界面间强烈的疏水作用和至少10个氢键的作用。它的活性部位中,Mn(III)具有五配位的三角双锥结构,其中一个轴向配位为水分子,来自蛋白质辅基的4个配位基为His28、His83、Asp166和His170。后3个配位基位于赤道平面,His28的咪唑基占据着另一个轴向位置。其活性部位处于一个主要由疏水残基构成的疏水壳子里,两个亚基链共同形成一个通道,是底物或其它内界配体接近Mn(II)离子的经由之路。FeSOD的活性中心的金属离子与3个His、1个Asp和1个H22.1超氧阴离子自由基的防护作用超氧阴离子自由基的生成途径有以下几个方面:(1)自氧化作用;(2)酶或酶复合物的作用;(3)外源性物质的作用;(4)物理因素如紫外线、超声波、X射线的作用;(5)其它生理因素如高温环境、烟尘、剧烈运动、组织供氧或供血不足的作用。以上因素均会使生物体的组织或细胞中产生超氧阴离子自由基,而其对生物体的毒害作用表现在下述几方面:(1)对脂质的损害作用,影响正常的神经系统功能;(2)对核酸的破坏作用,影响蛋白质合成的准确性;(3)对蛋白质的损害作用,加速生物体的衰老;(4)其它损害作用,如会引起高分子聚合物的降解,对机体造成损伤2.2酶催化木质子转移通过研究铜锌超氧化物歧化酶催化超氧阴离子自由基的动力学,发现超氧阴离子自由基与活性中心的键合过程是速率控制过程,在pH=5.2~9.6之间结合速率与pH无关,并且酶在水中催化歧化超氧阴离子自由基的反应速率与在重水溶剂中是相同的,说明质子转移不是结合过程的一部分,质子传递并非催化反应的决速步骤。由此可推出这一反应的反应机理为以下两步:第一步为第一个超氧阴离子自由基将氧化态酶中Cu(II)还原成Cu(I),本身被氧化为一分子O3sod的修饰如前所述,超氧阴离子自由基可对生物体造成极大的危害,并导致多种疾病,而超氧化物歧化酶作为它的特异清除剂,无论是在医学研究还是临床应用中都具有极为重要的意义。经过大量研究表明超氧化物歧化酶有着广阔的临床应用前景,它可用于自身免疫性疾病、缺血再灌注综合症、氧中毒和某些心血管疾病以及部分老年病的病情变化监测及判断这些疾病的严重程度。此外,超氧化物歧化酶还可用于肾脏、肝脏和心脏等器官的保存和移植,而且还可用于断肢再植,整形、整容手术及辐射防护等方面。但若要使SOD作为药物酶应用于临床,受以下因素的影响:(1)从动物的血液中提取工艺复杂,含量低,成本高;(2)半衰期短,通常只有6~10min;(3)分子量大,不易透过细胞膜,不易被人体所吸收;(4)抗原性;(5)如用于口服,易被蛋白酶水解。鉴于以上不利因素,对SOD分子进行改造就显得十分必要。近来,有许多医学界的科研人员正致力于SOD的修饰工作,以期能提高其半衰期,降低其分子量,使其更易溶于体液,以发挥天然SOD的最大作用。对SOD进行修饰的途径有:(1)对SOD氨基酸残基进行修饰;(2)用水溶性大分子(如聚乙二醇、聚蔗糖、右旋糖苷)等对SOD进行共价修饰;(3)对SOD进行酶切修饰,可以设法去掉SOD分子的部分肽段而仍保留其活性,以达到降低其分子量和抗原性的目的。近几年来,美、日、意、德等国对SOD作为药品开发应用进行了一系列研究和临床试验。现举几例:(1)重组生产人Mn-SOD,作为治疗心肌梗塞再灌流时的心肌保护剂,对风湿性关节炎、溃疡性肠炎等进行临床试验;(2)大肠杆菌基因重组生产SOD,以血虚性再回流障碍为治疗对象进行临床试验;(3)聚合物SOD,作为肾脏移植时再循环障碍的治疗药进行第二、三阶段临床试验。4金属酶的模拟合成化学界的科研人员也表现出对SOD的极大兴趣,他们正致力于用化学方法模拟合成有SOD活性的配合物,以克服天然SOD的缺点,并使模拟合成的配合物能最终应用于临床,来解除病人的痛苦。模拟酶的设计原理是从酶的生物化学出发,了解酶的反应机理及其活性中心的结构和功能的关系,探讨化学力怎样才能有类似于酶的作用,即寻求在温和(常温、常压、液相)条件下,迅速反应,节省试剂,并且无副反应(即专一性强)的合成方法。而前人运用血红蛋白、肌红蛋白及铁硫蛋白活性中心模拟物来研究金属酶的生物活性所取得的巨大成功,也为化学家们模拟合成SOD奠定了理论基础,并增强了他们的信心。酶的模拟合成工作可分为3个层次:(1)合成有类似酶活性的简单配合物;(2)酶活性中心的模拟;(3)整体模拟,即包含酶的微环境在内的模拟。其中,酶活性中心的模拟最为化学家所重视,也是酶模拟的关键步骤。80年代初,Lippard等比较。通过许多化学家的努力,已初步得到以下结论:(1)含铜的咪唑桥配合物均有一定的活性;(2)SOD模拟配合物的活性优劣取决于其活性中心金属配位结构与天然SOD活性中心结构的相似程度,而与核的多寡无关。结构越相似,活性越强。(3)许多SOD模拟化合物同时具有过氧化氢酶的性质,可使过氧化氢分解成氧气和水。近来,许多科学家又在利用大环多胺化合物及环糊精为配体模拟合成SOD,并已取得一定进展。尽管目前已经确定许多SOD模拟物均有催化活性,但其活性与天然SOD相比仍然很低,还不能真正应用于实际当中。因此,选择更加适合的配体以达到其配合物的活性与天然SOD相接近,半衰期延长,对温度、酸碱性有较强的抵抗性和耐