SOP

Superoxiddismutase (SOD) ist ein Enzym, das die Umwandlung von Superoxiden durch Disproportionierung zu Sauerstoff und Wasserstoffperoxid katalysiert. Sie kommt in zahlreichen Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen weit verbreitet vor und ist ein wichtiger Antioxidans‑Faktor. Superoxiddismutase schützt Zellen, die Sauerstoff ausgesetzt sind, indem sie Superoxid‑Anionenradikale im Körper eliminiert und so wirksam Schäden durch Sauerstoff‑freie Radikale an Organismen entgegenwirkt.

Klassifizierung und Verbreitung

SOD ist eine Art Enzym zur Abfangung freier Radikale, spielt eine wesentliche Rolle für das Überleben aerober Organismen und ist ein Schlüsselfaktor der Abwehr gegen Sauerstofftoxizität. Bislang haben Wissenschaftler SOD aus Organismen wie Bakterien, Pilzen, Protozoen, Algen, Insekten, Fischen, Pflanzen und Säugetieren isoliert. Abhängig von der metallischen prosthetischen Gruppe lassen sich diese SODs in mindestens drei Typen einteilen: Cu/Zn‑SOD, Mn‑SOD und Fe‑SOD.

Tabelle 1. Klassifizierung und Verbreitung von SOD.

Struktur

Strukturell lässt sich SOD in zwei Gruppen einteilen: Cu/Zn‑SOD bildet die erste Gruppe, Mn‑SOD und Fe‑SOD die zweite Gruppe. Natürlich vorkommende SOD weist unterschiedliche Ionen im aktiven Zentrum auf; die katalytisch aktiven Zentren zeigen jedoch ein hohes Maß an struktureller Übereinstimmung und evolutionärer Konservierung. Das heißt, die Ionen des aktiven Zentrums liegen in Form einer tetragonalen Pyramide oder eines Tetraeders vor, gebildet aus 3 oder 4 Histidin‑(His‑)Imidazolylgruppen und 1 H₂O‑Molekül. Cu/Zn‑SOD als Vertreter der ersten Gruppe stellte einen Durchbruch für die Strukturaufklärung von SOD dar und ist zugleich die am umfassendsten charakterisierte SOD. Beim Vergleich der Aminosäuresequenzen von Cu/Zn‑SOD aus unterschiedlichen Quellen zeigte sich eine hohe Homologie. Einige Aminosäuren sind zudem stark konserviert und verändern sich in keiner Sequenz, was darauf hindeutet, dass diese Aminosäuren mit dem aktiven Zentrum in Zusammenhang stehen. Jedes Cu/Zn‑SOD‑Molekül liegt als Dimer aus zwei Untereinheiten vor, die durch hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen assoziieren. Eine Disulfidbrücke, gebildet aus den Thiolgruppen der Cysteine C55 und C144 innerhalb der Peptidkette, spielt eine wichtige Rolle bei der Untereinheitenassoziation.

Ausgehend von der dreidimensionalen Struktur von Cu/Zn‑SOD ist das aktive Zentrum der SOD eine „hydrophobe Tasche“ mit Cu als Zentrum. Cu und Zn befinden sich am Boden dieser hydrophoben Tasche. Cu(II) koordiniert mit dem N‑Atom des Imidazolrings von vier Histidinresten und bildet eine planare quadratische Struktur; zusätzlich ist in axialer Position ein H₂O‑Molekül eingebunden. Zn(II) koordiniert mit drei Histidinen und einer Asparaginsäure und bildet eine verzerrte tetraedrische Struktur. Cu(II) und Zn(II) bilden durch gemeinsame Bindung an ein Histidinmolekül eine „Imidazol‑Brücke“.

Sowohl Mn‑SOD als auch Fe‑SOD gehören zur zweiten SOD‑Gruppe. Mn‑SOD ist ein Tetramer aus 203 Aminosäureresten. Mn(III) befindet sich in einer trigonal‑bipyramidalen Koordinationsumgebung, wobei eine axiale Koordination durch ein Wassermolekül erfolgt, die andere axiale Position durch die Koordinationsgruppe His‑28 besetzt ist und die drei weiteren Liganden His‑83, His‑170 und Asp‑166 in der Äquatorialebene liegen. Die Struktur von Fe‑SOD ist relativ einfach und Mn‑SOD ähnlich; das aktive Zentrum besteht aus 3 His, 1 Asp und 1 H₂O.

Katalytischer Mechanismus

Das Substrat der Superoxiddismutase ist das Superoxid‑Anionenradikal (O₂▪), das sowohl eine negative Ladung als auch ein ungepaartes Elektron besitzt. Unter unterschiedlichen Bedingungen kann O₂▪ als Reduktionsmittel zu O₂ werden oder als Oxidationsmittel zu H₂O₂. H₂O₂ wird unter der Wirkung der Katalase (CAT) zu H₂O und O₂ umgesetzt. Daraus ist ersichtlich, dass toxisches O₂ unter der kombinierten Wirkung von SOD und CAT in nicht toxisches H₂O und O₂ überführt wird.

Abbildung 1. Reaktionen, die durch Superoxiddismutase (SOD), Katalase und Glutathionperoxidasen katalysiert werden. (Cerqueira M.D. et al. 2011)

Die durch SOD katalysierte Disproportionierung von Superoxid zu Sauerstoff und Wasserstoffperoxid erfolgt in zwei Hauptschritten:

M³⁺ + O₂▪ + H⁺ → M²⁺(H⁺) + O₂

M²⁺(H⁺) + H⁺ + O₂▪ → M³⁺ + H₂O₂

M steht für den Metall‑Kofaktor, M³⁺ für die höchste Wertigkeit des Metall‑Kofaktors und M²⁺ für die Wertigkeit des Metall‑Kofaktors nach der Oxidation. Dieser schrittweise Mechanismus bietet aus kinetischer Sicht folgende Vorteile: Erstens kann eine molekulare Reaktion die elektrostatische Abstoßung überwinden, die bei der gleichzeitigen Reaktion zweier Moleküle auftritt, und das positiv geladene aktive Metall bindet spezifisch an das negativ geladene Superoxid‑Anion (O₂▪). Zweitens wird die elektrostatische Anziehung der Metallionen im aktiven Zentrum durch ein Proton aufgenommen und stabilisiert. In diesem Mechanismus sind die Produkte der Disproportionierungsreaktion neutral und beeinflussen sich nicht gegenseitig. Drittens kann die in der ersten Reaktionsstufe freigesetzte Energie der zweiten Stufe zugeführt werden, um das Superoxid‑Anion (O₂▪) zu reduzieren; anschließend wird H₂O₂ durch die Wasserstoffperoxid‑Reduktase zu H₂O reduziert.

Anwendung

Da die menschliche Haut in direktem Kontakt mit Sauerstoff steht, kann dies zu Hautalterung und -schädigung führen. Die Wirkung von SOD beim Schutz der Haut und der Prävention oxidativer Prozesse ist ausgeprägt. Zahlreiche Kosmetika und Gesundheitsprodukte enthalten SOD und zeigen bestimmte Effekte in der Hautpflege, Anti‑Aging‑Anwendung und der Vorbeugung von Altersflecken.

Die Bildung und Eliminierung freier Radikale in gesunden Organismen befindet sich in einem dynamischen Gleichgewicht; mit zunehmendem Alter zeigt der SOD‑Gehalt im Körper jedoch eine abnehmende Tendenz. Entsprechend kann ein Anstieg freier Radikale das Gleichgewicht des Körpers stören und verschiedene Erkrankungen verursachen. Daher ist die Aufrechterhaltung einer angemessenen SOD‑Menge im Körper ein wirksamer Ansatz zur Erhaltung der Gesundheit und zur Verzögerung von Alterungsprozessen. Auf dieser Grundlage wurde SOD als Radikalfänger in der klinischen Therapieforschung eingesetzt und hat bestimmte Effekte gezeigt.

Wie andere Oxidationsschutzstoffe kann SOD als Antioxidans für Konserven, Säfte, Bier usw. eingesetzt werden, um eine durch Peroxidase verursachte Qualitätsminderung und Verderb von Lebensmitteln zu verhindern, sowie als wirksames Konservierungsmittel für Obst und Gemüse. Um den Einsatzbereich von SOD in Lebensmitteln zu erweitern, ist eine Erhöhung der Stabilität von SOD erforderlich. Dazu sind chemische Modifikationen von SOD notwendig, wobei als Modifikatoren Substanzen ohne toxische Nebenwirkungen auszuwählen sind, z. B. Heparinverbindungen, Chondroitinsulfat und Fettsäuren. Unter diesen wurden mit Glucuronsäure und Laurinsäure modifizierte SOD‑Formen bereits in die kommerzielle Produktion überführt. Studien zeigen, dass die Herstellung von SOD‑Liposomen nicht nur die Stabilität erhöht, sondern auch die Aufnahme über die menschliche Haut fördert.

Die Überexpression von SOD in transgenen Pflanzen kann die Stressresistenz von Pflanzen erhöhen; die Überexpression des Mn‑SOD‑Gens kann die Toleranz transgener Pflanzen gegenüber oxidativem Stress steigern. Durch Gentechnik kann eine erhöhte SOD‑Expression in Pflanzen die Stressresistenz deutlich verbessern.

Literatur