超氧化物歧化酶的现状研究进展

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1、超氧化物歧化酶的现状研究进展关键词：超氧化物歧化酶；生理功能;特性;应用摘要:超氧化物歧化酶是生物体内清除超氧阴离子自由基的一种 重要酶，具有重要的生理功能，在医药、食品、化妆品中有广泛的应 用前景。现从分类、分布、结构、性质、催化机理、制备、应用等方 面探讨了超氧化物歧化酶的基础研究进展。关键词:超氧化物歧化酶；生理功能;特性;应用Advanceincurrentresearchofsuperoxidedismutase.Abstract:SuperoxideDismutase ( SOD ) isanimportantenzymeinorganism,whichcanremovesuper

2、oxidefreeradical.Itiswide-lyusedinclinica ltreatment，food，andcosmeticindustryforitsimportantphysiologicfunction.Thisr eviewpresentsabasicreseachoutlineofSOD，includingclassification， distribution ， structure ， property ，thecatalysemechanism， preparationandapplication.Keywords:Superoxidedismutase;Phys

3、iologicfunction;Property;Application1938年Mann和Keilin 1首次从牛红细胞中分离出一种蓝 色的含铜蛋白质(Hemocuprein ), 1969 年 Mccord 及 Fridovich2发现该蛋白有催化 O2,发生歧化反应的功能，故将此酶命名 为超氧化物歧化酶(SuperoxideDismutase , SOD, EC1.15.1.1 )。 该酶是体内一种重要的氧自由基清除剂，能够平衡机体的氧自由基， 从而避免当体内超氧阴离子自由基浓度过高时引起的不良反应，同时SOD是一种很有用途的药用酶。有关SOD的研究受到国内外学者的 广泛关注，涉及到化学

4、、生物、医药、日用化工、食品诸领域，是一 个热门研究课题。通过多年努力，在 SOD的基础研究方面取得了巨 大成果。目前，SOD临床应用主要集中在抗炎症方面(以类风湿以 及放射治疗后引起的炎症病人为主)，此外对某些自身免疫性疾病(如 红斑狼疮、皮肌炎)、肺气肿、抗癌和氧中毒等都有一定疗效；在食品 工业主要用作食品添加剂和重要的功能性基料；在其它方面也有相关 应用。现就有关SOD的基础研究进展及应用方面作以简述。1SOD的种类与分布SOD是一类清除自由基的蛋白酶，对需氧生物的生存起着重要 的作用，是生物体防御氧毒性的关键。迄今为止，科学家已从细菌、 真菌、原生动物、藻类、昆虫、鱼类、植物和哺乳动物

5、等生物体内都分离得到了 SOD。基于金属辅基不同，这些 SOD至少可以分为 Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、Fe-SOD 三种类型3。表1不同种类型的SOD分布（略）一般来说，Fe-SOD是被认为存在于较原始的生物类群中的一种 SOD类型;Mn-SOD是在Fe-SOD基础上进化而来的一种蛋白类型， 由于任何来源的Mn-SOD和Fe-SOD的一级结构同源性都很高，均 不同于Cu/Zn-SOD 的序列，可见它们来自同一个祖先；Cu/Zn-SOD 分布最广，是一种真核生物酶，广泛存在于动物的血、肝和菠菜叶、 刺梨等生物体中。除以上三种 SOD外，Sa-OukKang 等人最近又从链霉菌 Strep

6、tomycesspp.和 S.coelicotor 中发现了两种新的 SOD,一种是 含银酶即Ni-SOD ,另一种是含铁和锌的酶即 Fe/ZnSOD ,它们均为 四聚体，表观分子量分别是13KD和22KD,它们之间没有免疫交叉 反应46。2SOD的催化机理超氧化物歧化酶作用的底物是超氧阴离子自由基（ O -2 ）,它既带一个负电荷，又只有一个未成对的电子。在不同条件下，O-2既可作还原剂变成O2 ,又可作氧化剂变成H2O2 , H2O2又在过氧氢酶(Catalase , CAT)的作用下，生成 H2O和O2 ,由此可见，有 毒性的O -2在H2O2又在过氧氢酶(Catalase , CAT)

7、的作用下， 生成H2O和O2 ,由此可见，有毒性的O -2在SOD和CAT共同作 用下，变成了无毒的H2O 和O2。具作用机理如 下:SOD+O -2SOD-+O2SOD-+O -2+2H+SOD+H2O22O-2+2H+SODO2+H2O2H2O2CATH2O+O23SOD的结构和性质3.1 不同SOD的结构超氧化物歧化酶(SOD)从结构上可分为 两族:CuZn-SOD为第一族，Mn-SOD和Fe-SOD为第二族。天然 存在的SOD,虽然活性中心离子不同，但催化活性部位却具有高度 的结构同一性和进化的保守性，即活性中心金属离子都是与3或4个组氨酸(His)、咪噪基(Mn-SOD 含1个天门冬

8、氨酸竣基配位) 和1个H2O分子呈畸变的四方锥或扭曲的四面体配位。CuZn-SOD 作为SOD结构上的第一族，是人们对于 SOD结构 研究的突破口，也是人们了解最多的一种SOD。比较不同来源的CuZn-SOD的氨基酸序列可以发现，它们的同源性都很高7。有 些氨基酸还很保守，在所有序列中都不变，这暗示着这些氨基酸与活 性中心有关。如图1牛红细胞CuZn-SOD的结构所示：每个铜原子除 分别与4个组氨基酸残基(His44.46.61.118 )的咪噪氮配位外，还 与一轴向水分子形成远距离的第五配位，Zn则与3个组氨酸残基（His61.69.78 ）和1个天冬氨酸（D81 ）配位。Cu、Zn共同连接

9、组氨酸61组成“咪口坐桥”结构。图1牛红细胞CuZn-SOD的结构示意图8（略）Mn-SOD 和Fe-SOD同属于SOD结构上的第二族，Mn-SOD 是由203个氨基酸残基构成的四聚体，Mn （m）是处于三角双锥配 位环境中，其中一轴向配位为水分子，另一轴向被蛋白质辅基的配位 His-28占据，另3个配基His-83、His-170和Asp-166 位于赤道 平面。Fe-SOD的活性中心是由3个His , 1个Asp和1个H2O扭 曲四面体配位而成9。3.2 不同SOD的性质SOD是一种酸性蛋白，在酶分子上共价连 接金属辅基，因此它对热、pH以及某些理化性质表现出异常的稳定 性，其主要的理化性

10、质见表2。3.3 种SOD的理化性质（略）从上面可以看出，Mn-SOD、Fe-SOD的结构特征是不含半光氨 酸，含有较多的色氨酸和酪氨酸，因此紫外吸收光谱类似一般蛋白质， 在280nm附近有最大吸收峰，Mn-SOD的可见光谱在475nm处附 近有最大吸收，Fe-SOD在350nm处有最大吸收，这都反映了所含 金属离子的光学性质。4SOD的生产方式目前国内已开发的SOD产品绝大分都是Cu/Zn-SOD ,它们最 早是从动物的血、肝中分离提取的，主要有以下几个步骤：溶血液的制备、选择性热变性、超滤浓缩、丙酮沉淀、柱层析、冷冻干燥10。 但是由于这种方法不可避免地发生一些交叉感染，过敏性反应等现 象

11、，开发研究从植物中提取 SOD就显得尤为重要。我国近年来在植 物SOD的研究领域有大量相关报道。许平11、袁艺12、赵文 芝13、余旭亚14等分别从大蒜、桑叶、沙棘、仙人掌中提取 SOD并进行了相关研究。其提取方法主要有分步盐析法、有机溶剂 沉淀法、层析柱法等。除了从动植物中提取SOD外，选育SOD高产菌株进行发酵生 产也是比较有价值的一种方法。1997年王岁楼等人自然筛选出1株 SOD高产菌株Y-216 ,酶活可达600U/g湿菌体15,并对其形 成SOD的生理条件作了初步研究，为 SOD的工业化发酵生产打下 了基础。吴思芳等人研究了从啤酒废酵母生产、提取、纯化 SOD的 方法和条件，得到比

12、活为 3048U/mg的SOD酶，指出开展啤酒废 酵母生产SOD的综合利用具有经济价值和社会意义16。由于天然SOD来源有限，且具有异体蛋白免疫原性，外源SOD 不易被人体接受等缺陷，使之在应用方面受到很大限制。SOD基因工程是广开酶源，降低成本和获得无抗原性的人源 SOD的有效途径近年来，美、日、英、德相继开发了微生物SOD基因工程产品，并进行了临床实验17。我国医学科学院基础医学研究所和海军总医 院分子生物学研究室已成功将人血 CuZn-SOD克隆到大肠杆菌中， 表达率高达50%。施惠娟等18, 19分别以人胎肝组织及人肝细 胞株（L02）总RNA为模板，以RT-PCR法获得hCuZn-S

13、OD 和 hMn-SODcDNA ,构建表达质粒 pETSOD ,并导入E.coli细胞中使 之表达。分别获得了 38%和50%的高表达率，且表达的SOD有酶 活性。鉴于重组的人SOD在体内半衰期仍很短，施惠娟等20又 通过基因工程的方法将rhCuZn-SODcDNA 基因改造得到了更加稳 定的酶。以上说明了我国人源 SOD在微生物细胞中的克隆和表达已 达到了国际水平。目前，国内外在基因工程生产SOD方面均取得了可喜的成果。5SOD的模拟研究与天然SOD相比，SOD的模拟物有着更显著的优点21 首 先是获取和制备比天然SOD要简单得多。天然SOD要从人或其它 生物中提取，这就决定了天然 SOD

14、的提取必然困难重重，而且产量 不高。而模拟SOD可以用化学方法来人工合成，其物质和能量消耗 低，且产量不会受到限制。其次，天然 SOD作为一种生物大分子， 在进入体内时存在着诸如进入细胞能力弱、 细胞渗透性差、在血中半 衰期短（在人体中SOD只是在很短时间内稳定，其半衰期为分钟级）、不能口服、价格昂贵等缺点22。另外，对于非人体SOD还存在 着造成免疫损伤的可能。所以人们把目光投向了 SOD模拟物，尤其是低分子量模拟物上。目前，生物无机化学家们合成和表征了一系列含铜、镒、铁等金 属离子的小分子配合物来模拟 SOD ,期待将来能用小分子模拟化合 物代替SOD应用于临床。其中研究最多的含铜络合物是

15、3, 5-二异丙基水杨酸铜Cu (3, 5-DIPS ) 23,这是一种低分子量的亲脂 性络合物，具有天然CuZn-SOD样活性，可以起到抗炎及减轻由链 月尿菌素诱导产生的糖尿病。刘京萍等24合成的铁(H)-酪氨酸 模拟SOD金属酶，分子量比天然酶小得多，与天然 SOD活性差距 较小，且毒性小，从而大大推进了人工合成具有分子质量较小、稳定 性高、毒性较底、活性较高等优点的 SOD模拟物的研究工作。但是由于超氧化物歧化酶的模拟属于新型交叉学科， 需要化学和 生物学知识乃至技术的高度结合，目前的模拟还没有走向成熟，相信 随着21世纪化学生物学的崛起，这一新兴交叉学科将会对化学、生 物学及医学产生深

16、远的影响。6SOD的应用6.1SOD在食品中的应用与其它抗氧化剂一样，SOD可作为罐 头食品、果汁、啤酒等的抗氧化剂，防止过氧化酶引起的食品变质及 腐败现象;还可作为水果、蔬菜等的良好保鲜剂。由于绝大部分蔬菜、水果都含 SOD,其中含量较高的有：刺梨、 香蕉、猫猴桃、菠萝、山楂、大蒜等，水果果皮中SOD活性明显高于果肉，且水果SOD活性在储藏期内均呈下降趋势。人们就充分利 用这些富含SOD的原料开发天然保健食品如芦荟汁、大蒜素、刺梨 汁、菠萝汁、麦绿素等。其中麦绿素是以大麦嫩叶为原料经浓缩提取 的29。其它含SOD的食品有：食用菌、扇贝、鸡、调味品等。常见食用 菌中猴头菇SOD活性较强，达3120U/g湿菌丝。灵芝菌活性也很