Супероксиддисмутаза: структура, функции и роль в защите клеток от окислительного стресса.

Введение

Класс ферментов

infobox фермент
| Название = Супероксиддисмутаза
| EC номер = 1.15.1.1
| CAS номер = 9054 89 1
| GO код = 0004784
| изображение = Superoxide dismutase 2 PDB 1VAR.png
| width =
| caption = Структура тетрамера Mn-супероксиддисмутазы 2 человека. Перекись водорода также наносит вред и расщепляется другими ферментами, такими как каталаза. Таким образом, супероксиддисмутаза является важной антиоксидантной защитой почти всех живых клеток, подвергающихся воздействию кислорода. Исключение составляют Lactobacillus plantarum и родственные лактобациллы, которые используют другой механизм для предотвращения повреждений, вызванных реактивными формами кислорода.

Человек

Существует три формы супероксиддисмутазы, присутствующие у человека, у всех других млекопитающих и у большинства хордатов. SOD1 локализована в цитоплазме, SOD2 – в митохондриях, а SOD3 – внеклеточная. Первая является димером (состоит из двух субъединиц), тогда как остальные – тетрамерами (четыре субъединицы). SOD1 и SOD3 содержат медь и цинк, в то время как SOD2, митохондриальный фермент, содержит марганец в своем активном центре. Гены расположены на хромосомах 21, 6 и 4 соответственно (21q22.1, 6q25.3 и 4p15.3-p15.1).

Растения

В высших растениях ферменты супероксид-дисмутазы (SOD) действуют как антиоксиданты и защищают клеточные компоненты от окисления реактивными формами кислорода (ROS). ROS могут образовываться в результате засухи, повреждений, гербицидов и пестицидов, озона, метаболической активности растений, недостатка питательных веществ, фотоингибирования, температурных воздействий как над, так и под землей, токсичных металлов, а также УФ- или гамма-излучения. В частности, молекулярный O2 восстанавливается до O2⁻ (ROS, называемый супероксидом), когда он захватывает возбужденный электрон, высвобождаемый соединениями электрон-транспортной цепи. Супероксид способен денатурировать ферменты, окислять липиды и разрушать ДНК.

Биохимия

SOD конкурирует с деструктивными реакциями супероксида, тем самым защищая клетку от токсичности супероксида. Реакция супероксида с нерадикалами спин-запрещена. В биологических системах это означает, что его основные реакции происходят с самим собой (дисмутация) или с другим биологическим радикалом, таким как оксид азота (NO), либо с металлами переходного ряда. Супероксидный анион-радикал (O2•-) спонтанно дисмутирует в O2 и перекись водорода достаточно быстро (~10⁵ M⁻¹s⁻¹ при pH 7). SOD необходим, поскольку супероксид реагирует с чувствительными и критически важными клеточными мишенями. Например, он реагирует с радикалом NO, образуя токсичный пероксинитрит. Поскольку некатализируемая реакция дисмутации супероксида требует взаимодействия двух молекул супероксида, скорость дисмутации является второго порядка относительно начальной концентрации супероксида. Таким образом, период полураспада супероксида, хотя и очень короткий при высоких концентрациях (например, 0,05 секунды при 0,1 мМ), на самом деле довольно длительный при низких концентрациях (например, 14 часов при 0,1 нМ). В отличие от этого, реакция супероксида с SOD является первого порядка относительно концентрации супероксида. Более того, супероксиддисмутаза обладает наибольшим значением kcat/KM (приблизительной оценкой каталитической эффективности) среди всех известных ферментов (~7 x 10⁹ M⁻¹s⁻¹), и эта реакция ограничена лишь частотой столкновений между ферментом и супероксидом. То есть, скорость реакции «ограничена диффузией». Высокая эффективность супероксиддисмутазы представляется необходимой: даже при субнаномолярных концентрациях, достигаемых высокими концентрациями SOD внутри клеток, супероксид инактивирует фермент цикла Кребса – аконитазу, может нарушать энергетический метаболизм и высвобождать потенциально токсичное железо. Аконитаза является одним из нескольких железо-серных (дегидратаз) в метаболических путях, показано, что они инактивируются супероксидом.

Стабильность и складный механизм

SOD1 – чрезвычайно стабильный белок. В голо-форме (при связывании меди и цинка) температура плавления превышает 90 °C. В апо-форме (без связывания меди или цинка) температура плавления составляет около 60 °C. По данным дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), голо-SOD1 разворачивается по двухстадийному механизму: от димера к двум развернутым мономерам.

Физиология

Супероксид является одним из основных реактивных видов кислорода в клетке. Следовательно, SOD выполняет ключевую антиоксидантную роль. Физиологическая важность SOD иллюстрируется тяжелыми патологиями, наблюдаемыми у мышей с генетически индуцированным дефицитом этих ферментов. Мыши, лишенные SOD2, погибают через несколько дней после рождения из-за массивного окислительного стресса. У мышей, у которых отсутствует SOD1, развивается широкий спектр патологий, включая гепатоцеллюлярную карциному, ускоренную потерю мышечной массы, связанную с возрастом, более раннее развитие катаракты и сокращение продолжительности жизни. Мыши, не имеющие SOD3, не проявляют очевидных дефектов и имеют нормальную продолжительность жизни, хотя они более чувствительны к повреждениям, вызванным гипербарическим кислородом. Мыши с нокаутом по любому гену SOD более чувствительны к летальному воздействию соединений, генерирующих супероксид, таких как паракват и дикват (гербициды). Дрозофилы, лишенные SOD1, имеют значительно сокращенную продолжительность жизни, в то время как мухи, лишенные SOD2, погибают до рождения. Снижение уровней SOD1 и SOD2 в нервной системе и мышцах дрозофилы связано с уменьшением продолжительности жизни. Накопление реактивных видов кислорода в нейронах и мышцах, по-видимому, способствует возрастным нарушениям. Индукция сверхэкспрессии митохондриальной SOD2 приводит к увеличению продолжительности жизни *aduhila ilt Drosops*. У черных садовых муравьев (*Lasius niger*) продолжительность жизни маток в десять раз превышает продолжительность жизни рабочих особей, несмотря на отсутствие систематических различий в нуклеотидной последовательности между ними. Ген SOD3 был обнаружен как наиболее дифференциально экспрессируемый в мозге маток и рабочих муравьев. Это открытие предполагает важную роль антиоксидантной функции в модуляции продолжительности жизни. Нокаутные или нуль-мутации в SOD1 сильно угнетают аэробный рост дрожжей *Saccharomyces cerevisiae* и приводят к резкому сокращению продолжительности жизни после диауксического роста. У дикого типа *S. cerevisiae* скорость повреждения ДНК увеличивалась в 3 раза с возрастом, но более чем в 5 раз у мутантов с делецией генов *SOD1* или *SOD2*. Уровни реактивных видов кислорода увеличиваются с возрастом в этих мутантных штаммах и демонстрируют аналогичную динамику увеличения повреждения ДНК с возрастом. Таким образом, супероксиддисмутаза, по-видимому, играет существенную роль в поддержании целостности генома в процессе старения *S. cerevisiae*. Нокаут или нуль-мутации SOD2 вызывают ингибирование роста на дыхательных субстратах, в дополнение к сокращению продолжительности жизни после диауксии. У расщепляющихся дрожжей *Schizosaccharomyces pombe* дефицит митохондриальной супероксиддисмутазы SOD2 ускоряет хронологическое старение. Было получено несколько прокариотических мутантов с нулем по SOD, включая *E. coli*. Потеря периплазматического CuZnSOD приводит к потере вирулентности и может быть привлекательной мишенью для разработки новых антибиотиков.

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.

Роль в болезни

Мутации первого фермента SOD (SOD1) могут вызывать семейный амиотрофический боковой склероз (АЛС, форма заболевания двигательных нейронов). Наиболее распространенной мутацией в США является A4V, а наиболее интенсивно изучаемой – G93A. Инактивация SOD1 вызывает гепатоцеллюлярную карциному. Супероксиддисмутаза не экспрессируется в клетках нервного гребня развивающегося плода. Следовательно, высокий уровень свободных радикалов может повреждать эти клетки и вызывать дисрафические аномалии (дефекты нервной трубки). Мутации в SOD1 могут вызывать семейный АЛС (ряд данных также свидетельствует о том, что SOD1 дикого типа, в условиях клеточного стресса, участвует в значительной доле случаев спорадического АЛС, составляющего 90% всех пациентов с АЛС), посредством механизма, который в настоящее время не установлен, но не из-за потери ферментативной активности или снижения конформационной стабильности белка SOD1. Сверхэкспрессия SOD1 связана с неврологическими расстройствами, наблюдаемыми при синдроме Дауна. У пациентов с талассемией уровень SOD повышается как компенсаторный механизм. Однако на хронической стадии SOD, по-видимому, оказывается недостаточным и имеет тенденцию к снижению из-за разрушения белков в результате интенсивной окислительно-восстановительной реакции. У мышей внеклеточная супероксиддисмутаза (SOD3, ecSOD) способствует развитию гипертензии. Инактивация SOD2 у мышей приводит к перинатальной летальности.

Исследования

SOD использовался в экспериментальном лечении хронического воспаления при воспалительных заболеваниях кишечника. SOD может ослаблять нефротоксичность, вызванную цисплатином (исследования на грызунах). В виде "Орготеина" или "Онтозеина", фармакологически активного очищенного SOD печени крупного рогатого скота, он также эффективен при лечении воспалительных заболеваний мочевыводящих путей у человека. В течение некоторого времени SOD из печени крупного рогатого скота даже был одобрен регулирующими органами в нескольких европейских странах для этих целей. Однако это одобрение было отозвано из-за опасений, связанных с прионными заболеваниями. Миметик SOD, TEMPOL, в настоящее время проходит клинические испытания для радиопротекции и профилактики радиационно-индуцированного дерматита. TEMPOL и подобные миметики SOD, относящиеся к классу нитроксидов, проявляют многообразие эффектов при заболеваниях, связанных с окислительным стрессом.

Косметическое применение

SOD может снижать повреждение кожи, вызванное свободными радикалами, например, уменьшать фиброз после лучевой терапии рака молочной железы. Однако к подобным исследованиям следует относиться с осторожностью, поскольку в них отсутствовали надлежащие контроли – рандомизация, двойное слепое исследование или плацебо. Известно, что супероксиддисмутаза способна обращать вспять фиброз, возможно, посредством дедифференцировки миофибробластов обратно в фибробласты.

Коммерческие источники

SOD коммерчески получают из морского фитопланктона, печени крупного рогатого скота, хрена, дыни и некоторых бактерий. В терапевтических целях SOD обычно вводят местно. Нет доказательств того, что употребление незащищенного SOD или продуктов, богатых SOD, может оказывать какое-либо физиологическое воздействие, поскольку весь принимаемый с пищей SOD расщепляется на аминокислоты до всасывания. Однако, по крайней мере теоретически, употребление SOD, связанного с белками пшеницы, может повысить его терапевтическую активность.