化学世界超氧化物歧化酶(SoD的研究和应用进展林庆斌,廖升荣,熊亚红,乐学义’(华南农业大学理学院,广东广州5106402006年摘要:超氧化物歧化酶(s0D是一类广泛存在于动物、植物、微生物中的金属酶,是化学生物界研究的热点之一。
作为生物体内自由基的清洁剂,SOD对生物体(包括人体具有重要的功能作用。
关键词:超氧化物歧化酶;超氧阴离子自由基;生物活性中图分类号:Q554文献标识码:A文章编号:0367.6358(200606—378.04Pmgress in t11e Study and Application of Superoxide DismutasesUN Qing.bin,UAO Sheng—rong,XIONG Ya-hong,LE Xue—yi’(cDf妇e旷Scfe,lce,s0眦^饥i舱Ag—c“zf“mf踟挑措访,G嬲,lg幽,lg‰,29=幻u5∞静2,c越MAbst豫ct:Superoxide dismutases are a kind of metal—chelated enzymes Whi曲exist widely one of in animals,plants,and micmorganisms.They are the cleanser of the reactive oxygen speeies inthe bodies.The enzymes are the research hotspots in chemistry and biochemistry.The study and application of superoxide dismutases are reViewed in this p印er.Key、_rords:SOD(supe mxide disHmtase;0f‘f南e radical;biological actiVity超氧化物歧化酶(supemxide dismutase,简称sOD,是一类广泛存在于生物体内的金属酶,能够催化超氧阴离子自由基发生歧化反应,平衡机体内的氧自由基,己成为化学及生物化学研究领域中热门的研究课题。
作为生物体内超氧阴离子自由基的清洁剂,sOD在防辐射、抗衰老、消炎、抑制肿瘤和癌症、自身免疫治疗等方面显示出独特的功能,在医学、食品、化妆品等领域得到越来越多的应用。
目前,世界各地学者对sOD的研究方兴未艾,深入研究sOD不仅有着重大的理论意义,也有着重大的实际应用价值。
1SOD的分布、分类及理化性质到现在为止,人们已从细菌、原生动物、藻类、霉菌、植物、昆虫、鸟、鱼类和哺乳动物等生物体内分离得到s0D。
根据活性中心结合的金属离子不同, sOD主要分为:①Cu/zn.SOD,主要存在于真核细胞的细胞质中;②Fe—s0D,主要存在于原核细胞和真核细胞的基质t},:、1¨.sOD,主要存在原核细胞及少数植物细胞。
}I二类主要SOD 的理化特性如表l 所示。
表1三类主要soD的理化特性2SOD的结构和活性影响因素2.1sOD的结构cu/Zn.SOD每个分子由两个亚基通过疏水作用和氢键力缔合成二聚体,肽链内部由半胱氨酸c,,和收稿日期:2005.05一19;修回日期:2006—04—20・基金项目:广东省自然科学基金重点项目(04105986。
作者简介:林庆斌(1982~,男,硕士生,主要从事生物无机化学研究。
*通讯联系人,E.mail:1exy@ 万方数据第6期化学世界C。
骈的巯基构成的二硫桥对亚基缔合起重要作用…。
Richardson用O.2nm X.射线衍射晶体结构分析得到Cu,Zn.SOD三维结构,指出sOD的活性部位是以Cu 为中心的一个“疏水口袋”(见图1㈨。
一N●o图1天然Cu,zn.SOD活性中心结构Cu和zn处在疏水口袋底部,相距约0.63nm。
cu(Ⅱ与四个组氨酸残基咪唑环上N原子配位形成变形的平面四方形结构,其轴向位置上还结合着一个水分子,Zn(Ⅱ则与三个组氨酸和一个天冬氨酸配位形成畸变的四面体结构,cu(Ⅱ与zn(Ⅱ之间通过共同连接一分子组氨酸而形成“咪唑桥”结构‘1|。
Mn—SOD由203个氨基酸残基构成。
中心金属Mn(Ⅲ具有五配位的三角双锥结构,其中3个配位基位于赤道平面,两个轴向位置上分别为一个水分子和一个为His28的咪唑基。
酶的活性部位在一个主要由疏水残基构成的环境里,两个亚基链组成一个通道,构成了底物或其它内界配体接近Mn(Ⅱ离子的必经之路【31。
Fe.sOD的结构比较简单且与Mn—sOD类似,活性中心中Fe(Ⅱ离子与3个His、1个Asp和1个H20配位,形成畸变四方锥结构H1。
2.2sOD的活性影响因素sOD的催化活性主要与s0D活性中心的氨基酸残基、金属离子及其配位环境、“咪唑桥”的变化有关。
sOD活性中心的精氨酸和组氨酸对soD的催化活性具有极其重要的意义。
这两个氨基酸离中心金属离子非常近,而且均带有正电荷,能诱导底物Of・,进入活性中心,并可在催化过程中提供H+以加快歧化反应速度。
如这两个氨基酸残基被破坏或修饰,SOD将会失活。
sOD中心金属离子的作用也不相同。
对于cu/ zn—sOD,zn(Ⅱ的作用一是调节咪唑基与cu的相互作用,二是稳定活性中心的结构。
若除去酶分子中zn(Ⅱ而保留原有环境中时cu(Ⅱ,SOD仍有相当高的活性。
cu(Ⅱ与酶催化作用有关,起着传递电子的作用。
若除去cu(Ⅱ,则sOD将会失活,重新加入cu(Ⅱ后s0D的酶活性恢复。
另一方面,Cu (Ⅱ所处的环境对活性有重要影响。
若以其它金属离子代替cu(Ⅱ,同时用cu(Ⅱ代替zn(Ⅱ,则酶失去全部活性。
另外,只有结合态的cu(Ⅱ才直接与活性有关,但在一定浓度范围内,增加游离的Cu (Ⅱ的浓度可显著提高sOD活性"1。
对“咪唑桥”配合物进行催化的研究表明,在催化过程中,“咪唑桥”在与铜相连的一侧的N原子迅速地发生了质子化和去质子化的变化№o,对酶的催化活性有重要影响。
2.3SOD活性测定s0D的活性测定方法一般分直接测定法和间接测定法。
直接测定法的原理是直接测定sOD催化反应的底物反应速度或产物生成速度。
常见的直接测定方法有EPR法、脉冲辐解法、超氧化钾法等。
直接法需专用的仪器,故此类方法一般实验室较难应用。
间接测定法是通过某种能产生0f・的系统,使Of・进行另一个便于检测的反应,测定特征波长下的光吸收变化速率,计算sOD对这个反应的抑制程度从而间接定量SOD活性。
常见的间接测定方法有黄嘌呤氧化酶.细胞色素c法、邻苯三酚自氧化法、微量邻苯三酚自氧化法、黄嘌呤氧化酶一NBT法、NBT光还原法等。
3SOD的研究动态国内外有关SOD的研究方兴未艾,比较活跃的领域主要有以下几个方面。
3.1结构性能改造由于受到①半衰期短;②相对分子质量大,不易透过细胞膜;③口服时易受胃蛋白酶分解;④体内特异性等因素的限制,sOD很难作为药用酶广泛应用于临床中。
对sOD进行化学修饰,既能保留天然酶的活性,又能提高其稳定性。
sOD化学修饰的方法主要有:①对s0D的氨基酸残基进行化学修饰,主要是对非活性部位进行修饰,目的是提高其稳定性同时保留较高的生物活性;②用水溶性大分子(如聚乙二醇、聚蔗糖、右旋糖酐和聚烯属烃基氧化物等对sOD进行共价修饰以提高酶学特性;③对sOD进行酶切改造,降低相对分子质量、减小抗原性n]。
研究表明旧、9。
:经过化学修饰后的SOD基本上保持了天然酶的活性,在耐热、耐酸碱和抗胃蛋白酶分解等方面均有很大提高。
3.2s0D模拟研究3.2.1活性中心模拟由于天然sOD自身存在的缺点,因此寻找和合万方数据化学世界成一类既能避免天然sOD不足,又具有sOD催化活性的物质——SOD模拟物的研究非常活跃。
sOD模拟物具有相对分子质量小、稳定性高、在体内半衰期长及脂溶性好的优点。
最令人感兴趣的是Cu/Zn.sOD活性中心的模拟,可视为以咪唑桥联的cu(Ⅱ、zn(Ⅱ异双核配合物¨0|。
现今对Mn.sOD模拟物的研究逐渐增多,而Fe—sOD模拟物合成难度较大且sOD活性较低,故其模拟研究较少¨“。
近年来国内外学者对氨基酸配合物和大环类配合物进行了广泛探讨。
谢英等人合成了以二肽为配体的铜.(Ⅳ. 正十二碳酰双甘肽配合物,这是一个带功能基的长链铜(Ⅱ氨基酸配合物,同时用脉冲辐解法测定了其sOD活性,较好地模拟了sODu2i。
毛宗万等人研究了具有cu/zn.sOD酶活性中心类似结构的模型化合物,深入地讨论了不同的咪唑桥联方式和不同配位构型对模型化合物催化of・活性的影响。
结果表明,咪唑桥N原子沿四方锥配位底面位置与cu (Ⅱ配位的模拟物活性大大高于眯唑桥N原子沿四方锥轴向与cu(Ⅱ配位的模拟物,活性差异的原因很可能与生成cu(I中间体的稳定性有关¨3I。
在多核配合物方面,廖展如等根据天然soD活性部位结构合成了多种含苯并咪唑的cu(Ⅱ、Fe (Ⅱ、Mn(Ⅱ、co(Ⅱ、Ni(Ⅱ、zn(Ⅱ的配合物,指出配合物活性与其模拟天然sOD结构微环境程度的大小有关,并将其应用于植物抗冷胁迫实验。
在进行低温胁迫后,经过SOD模拟物处理对水稻幼苗成活率明显的高于未处理的幼苗¨4“…,这些研究成果为研究开发新型农药开辟了新的途径。
Patel等合成了一系列以水杨醛丙氨酸席夫碱为配体的cu (Ⅱ.cu(Ⅱ,cu(Ⅱ一Ni(Ⅱ,cu(Ⅱ一zn(Ⅱ咪唑桥联的双核配合物和相关的单核配合物并测定其sOD活性。
结果表明,双核配合物比单核配合物具有更高的s0D活性,这可能与双核配合物的结构更加类似于天然SOD的活性中心有关旧0;。
3.2.2胶束模拟由于soD在生物体内发挥其效用时所处的环境大多是非均相的,一些学者采用表面活性剂在水中形成的胶束体系来模拟上述非均相反应环境。
金虬等人的研究表明由cTAB(阳离子型表面活性剂和SDs(阴离子型表面活性剂形成的胶束体系可使多种Cu(Ⅱ.氨基酸配合物的sOD活性得到提高[21【。
但该体系结构比较复杂,较难弄清其催化Of・歧化的机理,这方面的研究有待进一步拓展和深化。
3.3SOD与植物抗逆性2006年植物在生长发育过程中可能受到诸如病原菌、水份、大气污染、辐射、温度、光照盐碱度和重金属等因素的胁迫。
这些胁迫均能使植物产生过量的活性氧和自由基,引起细胞结构和功能的破坏。
SOD是清除活性氧过程中第一个发挥作用的抗氧化酶,在植物体内起重要作用。
近年来,国内外学者对SOD与植物抗逆性之间的关系做了大量研究。
任安芝等人对干旱胁迫下内生真菌感染的黑麦草叶中的sOD及其同工酶进行了系统的研究。
研究表明:随着干旱程度的提高,黑麦草叶片中sOD及其同工酶活性显著提高,内生真菌的感染使宿主植物sOD活性对于旱胁迫的反应更为敏锐m]。