超氧化物歧化酶的研究進(jìn)展

超氧化物歧化酶的研究進(jìn)展

在漫長的生物進(jìn)化過程中，為了預(yù)防和破壞氧氣自由基對身體生命活動的影響，身體建立了一個完整的氧化防御系統(tǒng)，并將其配置為完整的氧化防御系統(tǒng)。超氧化物（sod）是一種重要的抗逆劑。它的變化或變化對身體的生長、發(fā)育、成熟、衰老和死亡起到了不可低估的生理和病理控制作用。由于超氧化物陰離子自由基與許多種疾病的形成、發(fā)生、發(fā)展及其變化有密切關(guān)系,因此SOD對超氧化物陰離子自由基及其質(zhì)子化產(chǎn)物作為底物的歧化反應(yīng),是它在臨床醫(yī)學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)中廣為流傳并令人矚目的關(guān)鍵之所在。11.1超氧化物歧化酶1938年Mann等首次從牛紅細(xì)胞中得到一種含銅金屬酶,1969年McCord和Fridovich發(fā)現(xiàn)該金屬蛋白具有催化超氧陰離子自由基作用,稱作超氧化物歧化酶。超氧化物歧化酶是一類金屬酶,依據(jù)金屬輔基的成分不同可分為3類,第1類含銅和鋅,稱為銅鋅超氧化物歧化酶,主要存在于真核細(xì)胞和細(xì)胞漿中;第2類含錳,稱為錳超氧化物歧化酶,存在于真核細(xì)胞的線粒體和原核細(xì)胞中;第3類含鐵,稱為鐵超氧化物歧化酶,只存在于原核細(xì)胞中。1.2結(jié)構(gòu)在三種超氧化物歧化酶中,以銅鋅超氧化物歧化酶研究最多,結(jié)構(gòu)也較清楚。1.2.1銅、鋅超氧化物誘導(dǎo)酶的結(jié)構(gòu)銅鋅超氧化物歧化酶的分子量為31200,每個酶分子由兩個亞基通過非共價鍵的疏水相互作用締合成二聚體,肽鏈內(nèi)部由半胱氨酸C1.2.2區(qū)域間連接的配合物該酶是由203個氨基酸殘基構(gòu)成的四聚體。亞基主鏈形成兩個主區(qū)域,N端區(qū)域主要是兩個長的反平行螺旋(殘基21到45、69到89),C端區(qū)域(殘基100到203)為一個擰成三股的α+β結(jié)構(gòu)。cis-脯氨酸、殘基30和兩個區(qū)域間的連接基團(tuán)即β-片基交叉連接附近的甘氨酸和脯氨酸對保持折疊結(jié)構(gòu)和酶功能發(fā)揮著重要作用。維持兩個區(qū)域間連接的作用力包括精氨酸殘基與酸性支鏈間鹽鍵,界面間強(qiáng)烈的疏水作用和至少10個氫鍵的作用。它的活性部位中,Mn(III)具有五配位的三角雙錐結(jié)構(gòu),其中一個軸向配位為水分子,來自蛋白質(zhì)輔基的4個配位基為His28、His83、Asp166和His170。后3個配位基位于赤道平面,His28的咪唑基占據(jù)著另一個軸向位置。其活性部位處于一個主要由疏水殘基構(gòu)成的疏水殼子里,兩個亞基鏈共同形成一個通道,是底物或其它內(nèi)界配體接近Mn(II)離子的經(jīng)由之路。FeSOD的活性中心的金屬離子與3個His、1個Asp和1個H22.1超氧陰離子自由基的防護(hù)作用超氧陰離子自由基的生成途徑有以下幾個方面:(1)自氧化作用;(2)酶或酶復(fù)合物的作用;(3)外源性物質(zhì)的作用;(4)物理因素如紫外線、超聲波、X射線的作用;(5)其它生理因素如高溫環(huán)境、煙塵、劇烈運動、組織供氧或供血不足的作用。以上因素均會使生物體的組織或細(xì)胞中產(chǎn)生超氧陰離子自由基,而其對生物體的毒害作用表現(xiàn)在下述幾方面:(1)對脂質(zhì)的損害作用,影響正常的神經(jīng)系統(tǒng)功能;(2)對核酸的破壞作用,影響蛋白質(zhì)合成的準(zhǔn)確性;(3)對蛋白質(zhì)的損害作用,加速生物體的衰老;(4)其它損害作用,如會引起高分子聚合物的降解,對機(jī)體造成損傷2.2酶催化木質(zhì)子轉(zhuǎn)移通過研究銅鋅超氧化物歧化酶催化超氧陰離子自由基的動力學(xué),發(fā)現(xiàn)超氧陰離子自由基與活性中心的鍵合過程是速率控制過程,在pH=5.2~9.6之間結(jié)合速率與pH無關(guān),并且酶在水中催化歧化超氧陰離子自由基的反應(yīng)速率與在重水溶劑中是相同的,說明質(zhì)子轉(zhuǎn)移不是結(jié)合過程的一部分,質(zhì)子傳遞并非催化反應(yīng)的決速步驟。由此可推出這一反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理為以下兩步:第一步為第一個超氧陰離子自由基將氧化態(tài)酶中Cu(II)還原成Cu(I),本身被氧化為一分子O3sod的修飾如前所述,超氧陰離子自由基可對生物體造成極大的危害,并導(dǎo)致多種疾病,而超氧化物歧化酶作為它的特異清除劑,無論是在醫(yī)學(xué)研究還是臨床應(yīng)用中都具有極為重要的意義。經(jīng)過大量研究表明超氧化物歧化酶有著廣闊的臨床應(yīng)用前景,它可用于自身免疫性疾病、缺血再灌注綜合癥、氧中毒和某些心血管疾病以及部分老年病的病情變化監(jiān)測及判斷這些疾病的嚴(yán)重程度。此外,超氧化物歧化酶還可用于腎臟、肝臟和心臟等器官的保存和移植,而且還可用于斷肢再植,整形、整容手術(shù)及輻射防護(hù)等方面。但若要使SOD作為藥物酶應(yīng)用于臨床,受以下因素的影響:(1)從動物的血液中提取工藝復(fù)雜,含量低,成本高;(2)半衰期短,通常只有6~10min;(3)分子量大,不易透過細(xì)胞膜,不易被人體所吸收;(4)抗原性;(5)如用于口服,易被蛋白酶水解。鑒于以上不利因素,對SOD分子進(jìn)行改造就顯得十分必要。近來,有許多醫(yī)學(xué)界的科研人員正致力于SOD的修飾工作,以期能提高其半衰期,降低其分子量,使其更易溶于體液,以發(fā)揮天然SOD的最大作用。對SOD進(jìn)行修飾的途徑有:(1)對SOD氨基酸殘基進(jìn)行修飾;(2)用水溶性大分子(如聚乙二醇、聚蔗糖、右旋糖苷)等對SOD進(jìn)行共價修飾;(3)對SOD進(jìn)行酶切修飾,可以設(shè)法去掉SOD分子的部分肽段而仍保留其活性,以達(dá)到降低其分子量和抗原性的目的。近幾年來,美、日、意、德等國對SOD作為藥品開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究和臨床試驗。現(xiàn)舉幾例:(1)重組生產(chǎn)人Mn-SOD,作為治療心肌梗塞再灌流時的心肌保護(hù)劑,對風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、潰瘍性腸炎等進(jìn)行臨床試驗;(2)大腸桿菌基因重組生產(chǎn)SOD,以血虛性再回流障礙為治療對象進(jìn)行臨床試驗;(3)聚合物SOD,作為腎臟移植時再循環(huán)障礙的治療藥進(jìn)行第二、三階段臨床試驗。4金屬酶的模擬合成化學(xué)界的科研人員也表現(xiàn)出對SOD的極大興趣,他們正致力于用化學(xué)方法模擬合成有SOD活性的配合物,以克服天然SOD的缺點,并使模擬合成的配合物能最終應(yīng)用于臨床,來解除病人的痛苦。模擬酶的設(shè)計原理是從酶的生物化學(xué)出發(fā),了解酶的反應(yīng)機(jī)理及其活性中心的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系,探討化學(xué)力怎樣才能有類似于酶的作用,即尋求在溫和(常溫、常壓、液相)條件下,迅速反應(yīng),節(jié)省試劑,并且無副反應(yīng)(即專一性強(qiáng))的合成方法。而前人運用血紅蛋白、肌紅蛋白及鐵硫蛋白活性中心模擬物來研究金屬酶的生物活性所取得的巨大成功,也為化學(xué)家們模擬合成SOD奠定了理論基礎(chǔ),并增強(qiáng)了他們的信心。酶的模擬合成工作可分為3個層次:(1)合成有類似酶活性的簡單配合物;(2)酶活性中心的模擬;(3)整體模擬,即包含酶的微環(huán)境在內(nèi)的模擬。其中,酶活性中心的模擬最為化學(xué)家所重視,也是酶模擬的關(guān)鍵步驟。80年代初,Lippard等比較。通過許多化學(xué)家的努力,已初步得到以下結(jié)論:(1)含銅的咪唑橋配合物均有一定的活性;(2)SOD模擬配合物的活性優(yōu)劣取決于其活性中心金屬配位結(jié)構(gòu)與天然SOD活性中心結(jié)構(gòu)的相似程度,而與核的多寡無關(guān)。結(jié)構(gòu)越相似,活性越強(qiáng)。(3)許多SOD模擬化合物同時具有過氧化氫酶的性質(zhì),可使過氧化氫分解成氧氣和水。近來,許多科學(xué)家又在利用大環(huán)多胺化合物及環(huán)糊精為配體模擬合成SOD,并已取得一定進(jìn)展。盡管目前已經(jīng)確定許多SOD模擬物均有催化活性,但其活性與天然SOD相比仍然很低,還不能真正應(yīng)用于實際當(dāng)中。因此,選擇更加適合的配體以達(dá)到其配合物的活性與天然SOD相接近,半衰期延長,對溫度、酸堿性有較強(qiáng)的抵抗性和耐