Супероксид дисмутаза ферменттері

Кіріспе

Ферменттер класы

infobox фермент
| Атауы = Супероксид дисмутаза
| EC нөмірі = 1.15.1.1
| CAS нөмірі = 9054 89 1
| GO коды = 0004784
| Сурет = Супероксид дисмутаза 2 PDB 1VAR.png
| width =
| Сипаттама = Адамның Mn супероксид дисмутазасының 2 тетрамер құрылымы. Сутек пероксиді де зиянды және каталаза сияқты басқа ферменттермен ыдырайды. Осылайша, SOD оттегіге ұшыраған барлық тірі жасушаларда маңызды антиоксиданттық қорғаныс болып табылады. Бір ерекшелігі – Lactobacillus plantarum және оған жақын лактобациллалар реактивті О2 зиянынан қорғану үшін басқа механизмді қолданады.

Адам

Супероксид дисмутазаның адамдарда, барлық басқа сүтқоректілерде және көптеген хордалыларда үш түрі кездеседі. SOD1 цитоплазмада, SOD2 митохондрияда, ал SOD3 клетка сыртында орналасқан. Біріншісі димер (екі бөліктен тұрады), ал қалғандары тетрамер (төрт суббөлік). SOD1 және SOD3 мыс пен мырыштан тұрады, ал SOD2, митохондрия ферменті, реактивті орталығында марганецке ие. Гендер тиісінше 21, 6 және 4-хромосомаларда орналасқан (21q22.1, 6q25.3 және 4p15.3 p15.1).

Өсімдіктер

Жоғары сатыдағы өсімдіктерде супероксид дисмутаза ферменттері (SOD) антиоксиданттар ретінде әрекет етеді және жасуша компоненттерін реактивті оттегі түрлерінің (ROS) тотығуынан қорғайды. ROS құрғақшылық, жарақаттар, гербицидтер мен пестицидтер, озон, өсімдіктердің метаболизмі, қоректік заттардың жетіспеушілігі, фотоингибиция, жер үсті және жер асты температурасы, уытты металдар, сондай-ақ ультракөк сәуле немесе гамма сәулелері салдарынан түзілуі мүмкін. Нақтырақ айтқанда, молекулалық O2 электрондар тасымалдау тізбегінің қосылыстарынан босатылған күшті электронды сіңіре отырып, O2⁻ (супероксид деп аталатын ROS) -қа дейін тотықсыздандырылады. Супероксид ферменттердің құрылымын бұзады, липидтерді тотықтырады және ДНК-ны фрагменттейді.

Биохимия

SOD супероксидтің зиянды реакцияларымен бәсекелесіп, жасушаны супероксидтің уытты әсерінен қорғайды. Супероксидтің радикал емес заттармен реакциясы спин бойынша тыйым салынған. Биологиялық жүйелерде бұл оның негізгі реакциялары өзімен (дисмутация) немесе басқа биологиялық радикалдармен, мысалы, азот оксидімен (NO) немесе өтпелі металдармен болатынын білдіреді. Супероксид анион радикалы (O2•-) өздігінен O2 және сутек пероксидіне (H2O2) тез түрленеді (~105 M−1s−1, pH 7). SOD қажет, себебі супероксид жасушаның сезімтал және маңызды нысаналарымен әрекеттеседі. Мысалы, ол NO радикалымен әрекеттесіп, улы пероксинитрит түзеді. Супероксидтің катализсіз дисмутация реакциясы екі супероксид молекуласының бір-бірімен әрекеттесуін қажет етеді, сондықтан дисмутация жылдамдығы бастапқы супероксид концентрациясына қатысты екінші дәрежелі болып табылады. Осылайша, супероксидтің жартылай ыдырау мерзімі жоғары концентрацияларда өте қысқа (мысалы, 0,1 мМ концентрацияда 0,05 секунд), ал төмен концентрацияларда (мысалы, 0,1 нМ концентрацияда 14 сағат) ұзаққа созылады. Керісінше, супероксидтің SOD-мен реакциясы супероксид концентрациясына қатысты бірінші дәрежелі. Сонымен қатар, супероксид дисмутазасының kcat/KM көрсеткіші (каталитикалық тиімділіктің жуық шамасы) кез келген белгілі ферменттерге қарағанда жоғары (~7 x 109 M−1s−1), бұл реакция тек оның және супероксидтің арасындағы соқтығысу жиілігімен ғана шектеледі. Яғни, реакция жылдамдығы "диффузиялық шектеулі". Супероксид дисмутазаның жоғары тиімділігі қажет болып көрінеді: тіпті жасуша ішіндегі SOD-дың жоғары концентрациясымен қол жеткізілген субнаномолярлық концентрацияларда да супероксид лимон қышқылы циклының аконитаза ферментін инактивациялайды, энергия метаболизмін бұзады және потенциалды улы темірді босатады. Аконитаза – метаболизм жолдарында супероксидпен инактивацияланатын бірнеше темір-күкірт (де)гидратазаларының бірі.

Тұрақтылық және бүктеу механизмі

SOD1 – өте тұрақты ақуыз. Холо түрінде (мыс және мырыш байланысқанда) балқу температурасы > 90 °C. Апо түрінде (мыс немесе мырыш байланысқан жоқ) балқу температурасы ~ 60 °C. Дифференциалдық сканерлеу калориметриясы (DSC) арқылы холо SOD1 екі күйлі механизм арқылы ашылады: димерден екі ашылған мономерге.

Физиологиясы

Супероксид – жасушадағы негізгі реактивті оттегі түрлерінің бірі. Сәйкесінше, SOD маңызды антиоксиданттық рөл атқарады. SOD-тің физиологиялық маңыздылығы генетикалық түрлендіру арқылы осы ферменттерден айырылған тышқандарда байқалатын ауыр патологиялармен дәлелденеді. SOD2 жетіспейтін тышқандар туылғаннан кейін бірнеше күнде, күшті тотығу стресі кезінде өледі. SOD1 жетіспейтін тышқандарда гепатоцеллюлярлық карцинома, жасқа байланысты бұлшық ет массасының жоғалуының үдеуі, катарактаның ертерек пайда болуы және қысқарған өмір сүру ұзақтығы сияқты көптеген патологиялар дамиды. SOD3 жетіспейтін тышқандарда ешқандай айқын кемшіліктер байқалмайды және олар гипер оксигендік зақымдануға көбірек сезімтал болғанымен, қалыпты өмір сүреді. Кез келген SOD ферментінің жойылған тышқандары парақват және дикват (гербицидтер) сияқты супероксид түзілетін қосылыстардың өлімге әкелетін әсерлеріне көбірек сезімтал. SOD1 жетіспейтін дрозофиланың өмір сүру ұзақтығы күрт қысқарады, ал SOD2 жетіспейтін ұшқындар туылмай өледі. Дрозофиланың жүйке жүйесі мен бұлшық еттеріндегі SOD1 және SOD2 деңгейінің төмендеуі өмір сүру ұзақтығының қысқаруымен байланысты. Нейрондық және бұлшықеттегі ROS жинақталуы жасқа байланысты нашарлауға ықпал етеді. Митохондриялық SOD2 экспрессиясының артуы адухила-илт дрозофиланың өмір сүру ұзақтығын ұзартады. Қара бау-бақша құмырсқаларында (Lasius niger) патшайымдардың өмір сүру ұзақтығы жұмысшылардан әлдеқайда ұзақ, олардың арасындағы нуклеотидтік тізбектерде ешқандай жүйелі айырмашылық болмаса да. Зерттеулер патшайым және жұмысшы құмырсқалардың миында SOD3 генінің ең көп айырмашылықпен жоғары экспрессияланғанын көрсетті. Бұл жайт антиоксиданттық функцияның өмір сүру ұзақтығын реттеуде маңызды рөл атқару мүмкіндігін тудырады. SOD1-дегі нокаут немесе нөлдік мутациялар Saccharomyces cerevisiae ашытқысының аэробикалық өсуіне зиян келтіреді және диаксикалық өмір сүру ұзақтығын күрт қысқартады. Жабайы типтегі S. cerevisiae-да ДНК зақымдану деңгейі жасқа байланысты 3 есеге артса, ал SOD1 немесе SOD2 гендері жойылған мутанттарда 5 еседен астам артты. Реактивті оттегі түрлерінің деңгейі осы мутант штаммдардың жасы ұлғайған сайын артады және ДНК зақымдануының жасқа байланысты өсуімен ұқсас үлгіні көрсетеді. Осылайша, супероксид дисмутаза S. cerevisiae-да қартаю кезінде геномның тұтастығын сақтауда маңызды рөл атқарады. SOD2 нокаут немесе нөлдік мутациялары диаксиядан кейінгі өмір сүру ұзақтығының қысқаруымен қатар, тыныс алу субстраттарының өсуін тежейді. Schizosaccharomyces pombe бөлінетін ашытқысында митохондриялық супероксид дисмутаза SOD2 жетіспеушілігі хронологиялық қартаюды жеделдетеді. Бірнеше прокариоттық SOD нөлдік мутанттары жасалды, оның ішінде E. coli. Периплазмалық CuZnSOD жоғалуы вируленттіліктің жоғалуына әкеледі және жаңа антибиотиктер үшін тартымды нысана болуы мүмкін.

Superoxide is one of the main reactive oxygen species in the cell. As a consequence, SOD serves a key antioxidant role. The physiological importance of SODs is illustrated by the severe pathologies evident in mice genetically engineered to lack these enzymes. Mice lacking SOD2 die several days after birth, amid massive oxidative stress. Mice lacking SOD1 develop a wide range of pathologies, including hepatocellular carcinoma, an acceleration of age related muscle mass loss, an earlier incidence of cataracts, and a reduced lifespan. Mice lacking SOD3 do not show any obvious defects and exhibit a normal lifespan, though they are more sensitive to hyperoxic injury. Knockout mice of any SOD enzyme are more sensitive to the lethal effects of superoxide generating compounds, such as paraquat and diquat (herbicides). Drosophila lacking SOD1 have a dramatically shortened lifespan, whereas flies lacking SOD2 die before birth. Depletion of SOD1 and SOD2 in the nervous system and muscles of Drosophila is associated with reduced lifespan. The accumulation of neuronal and muscular ROS appears to contribute to age associated impairments. When overexpression of mitochondrial SOD2 is induced, the lifespan of aduhila ilt Drosops extended. Among black garden ants (Lasius niger), the lifespan of queens is an order of magnitude greater than of workers despite no systematic nucleotide sequence difference between them. The SOD3 gene was found to be the most differentially over expressed in the brains of queen vs worker ants. This finding raises the possibility of an important role of antioxidant function in modulating lifespan. Knockout or null mutations in SOD1 are highly detrimental to aerobic growth in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae and result in a dramatic reduction in post diauxic lifespan. In wild type S. cerevisiae, DNA damage rates increased 3 fold with age, but more than 5 fold in mutants deleted for either the SOD1 or SOD2 genes. Reactive oxygen species levels increase with age in these mutant strains and show a similar pattern to the pattern of DNA damage increase with age. Thus it appears that superoxide dismutase plays a substantial role in preserving genome integrity during aging in S. cerevisiae. SOD2 knockout or null mutations cause growth inhibition on respiratory carbon sources in addition to decreased post diauxic lifespan. In the fission yeast Schizosaccharomyces pombe, deficiency of mitochondrial superoxide dismutase SOD2 accelerates chronological aging. Several prokaryotic SOD null mutants have been generated, including E. coli. The loss of periplasmic CuZnSOD causes loss of virulence and might be an attractive target for new antibiotics.

Аурудың пайда болуындағы рөлі

SOD1 ферментінің мутациялары туыстық амиотрофиялық бүйірлік склерозға (АЛС, моторлық нейрон ауруының бір түрі) себеп болуы мүмкін. АҚШ-та ең көп кездесетін мутация A4V, ал ең көп зерттелгені – G93A. SOD1 белсенділігінің төмендеуі гепатоклеткалық карциномаға алып келеді. Супероксид дисмутаза дамушы ұрықтағы нейрокрест жасушаларында экспрессияланбайды. Сондықтан, еркін радикалдардың жоғары деңгейі оларға зақым келтіріп, дисрафиялық аномалияларды (нейро түтігінің кемістіктерін) тудыруы мүмкін. SOD1-ге мутациялар туыстық АЛС-ты тудырады (бірнеше деректерге сәйкес, жасушалық стресс жағдайындағы жабайы типті SOD1, АЛС-тың спорадикалық жағдайларының маңызды бөлігінде қатысады, бұл АЛС-пен ауыратын науқастардың 90% құрайды.), бірақ ферменттік белсенділіктің жоғалуынан немесе SOD1 ақуызының конформациялық тұрақтылығының төмендеуінен емес, қазіргі уақытта түсініксіз механизм арқылы. SOD1-дің жоғары экспрессиясы Даун синдромында байқалатын жүйке жүйесінің бұзылыстарымен байланысты. Талассемиясы бар науқастарда SOD компенсациялық механизм ретінде артады. Дегенмен, созылмалы сатысында SOD жеткіліксіз болып көрінеді және күшті тотығу-тотықсыздану реакциясынан ақуыздардың ыдырауына байланысты төмендеуге бейім. Тышқандарда клеткадан тыс супероксид дисмутаза (SOD3, ecSOD) гипертонияның дамуына үлес қосады. Тышқандарда SOD2 белсенділігін жою перинаталдық өлімге әкеледі.

Зерттеу

Ішек қабыну жағдайларындағы созылмалы қабынуды емдеуде SOD тәжірибелік түрде қолданылған. SOD цисплатина тудырған бүйрек токсикалық әсерін азайтуы мүмкін (егеуқұйрықтардағы зерттеулер). "Орготеин" немесе "онтозеин" аталатын, фармакологиялық белсенді тазартылған сиыр бауырының SOD ретінде, ол адамдардағы несеп жолдарының қабыну ауруларын емдеуде де тиімді. Бір кезде бірнеше еуропалық елде осындай мақсатта сиыр бауырынан алынған SOD қолдануға рұқсат берілген. Алайда, прион ауруына қатысты алаңдаушылықтар осы рұқсатты тоқтатты. SOD миметикалық зат, TEMPOL, қазіргі уақытта сәулеленуден қорғау және сәулелену тудырған дерматиттің алдын алу үшін клиникалық сынақтардан өтуде. TEMPOL және оған ұқсас SOD миметикалық нитроксидтер, окисдеу стресіне байланысты ауруларда көптеген әсерлерді көрсетеді.

Косметикалық қолданыстар

SOD теріге еркін радикалдардың зиянын азайтуға көмектеседі, мысалы, емшек қатерлі ісігі үшін сәулелік терапиядан кейін пайда болатын фиброзды азайтуға. Дегенмен, мұндай зерттеулерді әзірге болжамдық деп қарастыру керек, себебі зерттеуде тиісті бақылау шаралары болмаған – кездейсоқ таңдау, қос соқыр әдіс немесе плацебо қолданылмаған. Супероксид дисмутаза фиброзды миофибробластардың фибробластарға қайта дифференциациялануы арқылы кері қайтаруға қабілетті екені белгілі.

Коммерциялық көздер

SOD коммерциялық түрде теңіз фитопланктонынан, сиыр бауырынан, хреннен, канталуптан және кейбір бактериялардан алынады. Емдік мақсаттар үшін SOD көбінесе жергілікті түрде инъекцияланады. Қорғалмаған SOD немесе SOD-ға бай тағамдарды ішудің физиологиялық әсері бар екеніне ешқандай дәлел жоқ, себебі барлық ішілген SOD сіңірілгенге дейін аминқышқылдарына ыдырайды. Дегенмен, бидай ақуыздарымен байланысқан SOD-ны ішу, кем дегенде теориялық тұрғыдан, оның емдік тиімділігін арттыруы мүмкін.