超氧化物歧化酶的研究
年级：大三
专业：化学
学号：189940012
姓名：邢敏
超氧化物歧化酶的研究
超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，简称SOD)是一种能够催化超氧化物通过歧化反应转化为氧气和过氧化氢的酶。
它广泛存在于各类动物、植物、微生物中，是一种重要的抗氧化剂，保护暴露于氧气中的细胞，可清除生物体内超氧阴离子自由基,有效地抗御氧自由基对有机体的伤害。
氧化还原反应是生命体最重要的代谢途径，它不仅为生物提供能量，同时还决定着生命体的衰老和死亡。
氧对于生命活动极其重要，但氧参与的代谢经常产生一些对细胞有毒害作用的副产物———氧自由基，即通常所说的活性氧(reactiveoxygen species，ROS)。
细胞产生的活性氧包括:超氧根阴离子(O·－2)、氢氧根离子(OH－)、羟自由基(·OH)、过氧化氢(H2O2)、单线态氧(·2)和过氧化物自由基(ROO·)。
它们都能通过氧化应激损伤细胞大分子，引起一系列有害的生化反应，造成蛋白质损伤、脂质过氧化、DNA突变和酶失活等。
为了防止氧自由基对细胞体的破坏，几乎所有细胞都有一套完整的保护体，来清除细胞新陈代谢产生的各种活性氧。
其中，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)在保护细胞免受氧自由基的毒害中发挥着重要作用。
早在1969年，Mc Cord和Fridovich发现了一种血球铜蛋白能清除自由基(O·－2)，并且将这种血球铜蛋白命名为超氧化物歧化酶(SOD)。
SOD几乎存在于所有生物细胞中，通过把O·－2转化为
H2O2，H2O2再被过氧化氢酶和氧化物酶转化为无害的水(H2O)，从而达到清除细胞内氧自由基，保护细胞的目的。
1.超氧化物歧化酶的作用机理
SOD是一种重要的抗氧化剂，保护暴露于氧气中的细胞。
其能够催化超氧化物通过歧化反应转化为氧气和过氧化氢主要通过以下两步完成:
这里M代表金属辅因子，M3+代表金属辅因子的最高价，M2+代表金属辅因子被氧化以后的价位。
这种逐步递增机制从反应动力学来说，具有如下优点:首先，一个分子反应能克服两个分子同时反应之间产生的静电排斥作用，且带正电荷的活性金属特异性结合带副电荷的超氧阴离子(O·2)。
其次，活性位点的金属离子静电引力被一个质子吸收并保存，在这种机制中，歧化反应的产物是中性的，不互相约束。
第三，第一步反应释放的能量能提供给第二步来还原超氧阴离子(O·2)，然后H2O2再被过氧化氢酶还原成H2O。
2.超氧化物歧化酶的分类及结构
SOD 是一种十分重要的抗氧化剂，在生命系统中分布广泛。
根据其活性中心离子的不同，SOD分为Cu，Zn-SOD，Mn-SOD，Fe-SOD 及Ni-SOD等几种，其中前3种较为常见。
目前，对SOD 的结构研究较为深入，人们已较充分地掌握了SOD活性部位的相关信息，如:在Cu，Zn-SOD中，处于四方锥环境的Cu(Ⅱ)分别与44，46，61和118位组氨酸(His)及1个水分子
配位;Zn(Ⅱ)处于四面体配位环境中，与3个组氨酸和1个天门冬氨酸( Asp)配位;Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)之间通过1个His-61咪唑基相连接，从而形成以咪唑桥扩展结构为基础的Cu，Zn-SOD活性部位，
结构如下所示
在Mn-SOD结构中，活性部位为Mn(Ⅲ)的五配位三角双锥结构，其中1个轴向配体为水分子;蛋白质辅基的配位基His-28处于另一轴向位置，同样来自蛋白质辅基的3个配位基His-83，Asp-166和His-170则占据了赤道平面，结构如下
在Fe-SOD结构中，活性部位是由1个水分子、1个天门冬氨酸和3个组氨酸形成的扭曲四面体配位结构，结构如下
3.超氧化物歧化酶的作用机理
超氧化物歧化酶是金属酶，存在于许多生物体中，它可专一性地催化O－·2歧化为O2和H2O2，在生物体氧代谢过程中，O－·2是最先形成的自由基，进一步的产物涉及过氧化氢(H2O2)、羟自由基(·OH)及单线态氧等，统称为活性氧物种(ROS)ROS是一类具有很高生物活性的含氧化合物，由外源性氧化剂产生和细胞内的有氧代谢过程产生，后者是主要来源适量的ROS可作为细胞信号转导和基因表达调控分子，调控细胞的生长、生存和凋亡;过量的ROS则对机体有害，临床上主要表现为:摧毁细胞膜、干扰免疫系统及损伤DNA等由于O－·2是机体耗氧过程中最先形成的自由基，故O－·2的清除在ROS损伤的防治方面具有十分重要的意义。
通过对Cu，Zn-SOD催化O－·2歧化反应的动力学研究发现，反应机理由两部分组成:(1)Cu(Ⅱ)与一个O－·2反应得到Cu(Ⅰ)和
O2，同时在Cu侧，His-61咪唑桥开裂并质子化;(2)另一个O－·2在将还原态酶中的Cu(Ⅰ)氧化为Cu(Ⅱ)后，自身变为过氧阴离子，同时获得质子化His-61咪唑提供的质子而生成过氧氢根离子(HO
－2)，同时His-61的咪唑桥重新形成。
Mn-SOD 的催化作用是通过所含金属不同价态间电子的交替得失来实现的，Fe-SOD的作用机制与Mn-SOD类似此外，Fe-SOD 中Fe(Ⅲ)与O－·2结合时生成的氢离子会随O－·2的还原而被吸收，同时Stallings等发现Fe-SOD的活性易受N－3抑制，其原因可能是N－3占据了O－·2配位点而导致酶的失活。
4.超氧化物歧化酶的功能
生存环境的变化是不可避免的,任何生物必须去适应各种变化.以植物为例,经研究发现,不同条件、不同物种、不同的发育时期及不同器官发生胁迫后,SOD活性表现有升有降。
然而SOD活性不论是升高还是降低,都表现出抗性强的品种比抗性弱的品种活性高.即当SOD活性降低时,抗性强的品种下降幅度小;而当SOD活性升高时,抗性强的品种升高幅度大;或者抗逆性强的品种活性升高而抗逆性弱的品种降低。
这说明在逆境条件下植物的抗性强弱与植物体内能否维持较高的SOD活性水平有关。
SOD的作用底物是生物体内产生的超氧阴离子自由基O厂,作用机理是
之后H2O2被抗坏血酸和过氧化氮酶(前者是主要的)分解为H2O和O2,从而解除O2-所造成的氧化胁迫。
5.超氧化物歧化酶的应用
由于人的皮肤直接与氧气接触,会造成皮肤的老化和损伤。
SOD 在保护皮肤、防止氧化等方面的效果比较突出。
为此,也开发了一些富含SOD的保健品,通过食用来抵抗衰老。
此外,国内外不少化妆品都添加了SOD,如国内的大宝SOD、康妮SOD、SOD康舒达箱等产品,对保养皮肤、防止衰老、阻止老年斑的生成有一定的效果。
正常健康机体内自由基的形成和清除处于一种动态平衡中，但随着年龄的增长，体内SOD的含量呈下降趋势，相应的，增长的自由基会破坏机体的平衡，使机体产生各种疾病。
所以，保持体内适量的SOD是维护健康和延缓衰老的有效途径。
根据这一原理，作为自由基清除剂之一的SOD现已被用于临床治疗研究，并取得一定的效果。
SOD在食品中应用相对于医药应用来说比较简单，之前SOD
不能大规模应用于食品工业，可能在于不同来源的SOD本身稳定性的差异。
从动物、植物或者一般的微生物里提取出来的SOD稳定性较差，不能耐高温和酸。
要想把各种来源的SOD做成食品，需要对SOD本身及载体进行改造，例如，口服SOD的时候同时服用酶抑制剂，应用膜透过促进剂，脂质体和微囊包埋等。
另一方面，也可以从SOD的来源着手，中国科学院微生物所从极端环境中筛选到一种产耐热SOD的菌株，该SOD能耐高温，耐酸耐碱，稳定性强，在食品工业中可以有很好的突破。
6.展望
人类的衰老与人体内的ROS的生成密切相关，且已有研究表明，
超氧化物歧化酶与人的大脑记忆、表达和调控能力有关。
进一步研究控制SOD表达量在癌症中发挥的作用，可以作为一种临床诊断的指标，成为判定及治疗肿瘤中的药物靶点。
在存在适当的稳定剂及基质的条件下，补充外源的超氧化物歧化酶可以调节人体代谢、提高免疫力，对防止某些疾病、抗辐射治疗对机体的损伤、延缓人体衰老有一定的作用，可以考虑将其作为食品中的保鲜剂、抗氧化剂以及营养强化剂，有着很大的开发潜力。
随着现代生物技术的快速发展，SOD的生产已大多由原来的动植物提取过渡到基因工程技术来生产，从而使得SOD的产率、质量和安全性得到进一步提高。
SOD的应用主要技术瓶颈仍然是传统的SOD稳定性较差，很难在商品中长期保持活性。
由中国科学院微生物研究所利用元基因组技术开发的新型耐高温SOD彻底解决了SOD稳定性问题，为SOD的真正应用开辟了一条新的途径，相信在不久的将来，高稳定性、高品质的SOD产品将为人类健康带来重大福音。