SOD

Superoxiddismutase (SOD) ist ein Enzym, das die Umwandlung von Superoxiden in Sauerstoff und Wasserstoffperoxid durch Disproportionierung katalysiert. Es kommt weit verbreitet in verschiedenen Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen vor und ist ein wichtiger Antioxidans. Superoxiddismutase schützt Zellen, die Sauerstoff ausgesetzt sind, indem sie Superoxid-Anion-Radikale im Körper entfernt und effektiv den Schaden von Sauerstoffradikalen an Organismen widersteht.

Klassifikation und Verbreitung

SOD ist eine Art von Protease, die freie Radikale beseitigt, eine wichtige Rolle im Überleben aerober Organismen spielt und der Schlüssel zur Abwehr von Sauerstofftoxizität ist. Bisher haben Wissenschaftler SOD aus Organismen wie Bakterien, Pilzen, Protozoen, Algen, Insekten, Fischen, Pflanzen und Säugetieren isoliert. Diese SODs können je nach metallischem Hilfsgruppe in mindestens drei Typen klassifiziert werden: Cu/Zn-SOD, Mn-SOD und Fe-SOD.

Tabelle 1. Klassifikation und Verbreitung von SOD.

Struktur

Die SOD kann in zwei Gruppen in der Struktur unterteilt werden: Cu/Zn-SOD ist die erste Gruppe, und Mn-SOD und Fe-SOD sind die zweite Gruppe. Die natürlich vorkommende SOD hat unterschiedliche aktive Zentrum-Ionen, aber die katalytisch aktiven Stellen weisen einen hohen Grad an struktureller Identität und evolutionärer Erhaltung auf, das heißt, die aktiven Zentrum-Ionen sind eine tetragonale Pyramide oder ein Tetraeder, das aus 3 oder 4 Histidin (His), Imidazolyl und 1 H₂O-Molekül besteht. Cu/Zn-SOD, als die erste Gruppe von SOD, ist ein Durchbruch für die Forschung zur SOD-Struktur und ist auch die am besten verstandene SOD. Beim Vergleich der Aminosäuresequenzen von Cu/Zn-SOD aus verschiedenen Quellen wurde festgestellt, dass ihre Homologie hoch ist. Einige Aminosäuren sind ebenfalls sehr konservativ und ändern sich in allen Sequenzen nicht, was darauf hindeutet, dass diese Aminosäuren mit dem aktiven Zentrum in Verbindung stehen. Jedes Molekül von Cu/Zn-SOD ist durch hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindung aus zwei Untereinheiten dimersiert. Eine Disulfidbrücke, die aus Thiolgruppen von Cystein C55 und C144 innerhalb der Peptidkette besteht, spielt eine wichtige Rolle bei der Assoziation der Untereinheiten.

Nach der dreidimensionalen Struktur von Cu/Zn-SOD ist die aktive Stelle von SOD eine "hydrophobe Tasche", die auf Cu zentriert ist. Cu und Zn befinden sich am Boden der hydrophoben Tasche. Cu(II) koordiniert mit dem N-Atom im Imidazolring der vier Histidinreste, um eine planare quadratische Struktur zu bilden, die auch ein H₂O-Molekül in axialer Position enthält. Zn(II) koordiniert mit drei Histidinen und einer Asparaginsäure, um eine verzerrte tetrahedrale Struktur zu bilden. Cu(II) und Zn(II) bilden eine "Imidazolbrücke"-Struktur, indem sie ein Molekül Histidin verbinden.

Sowohl Mn-SOD als auch Fe-SOD gehören zur zweiten Gruppe von SOD. Mn-SOD ist ein Tetramer, das aus 203 Aminosäureresten besteht. Mn(III) befindet sich in einer trigonal bipyramidalen Koordinationsumgebung, in der eine axiale Koordination ein Wassermolekül ist, die andere axiale Richtung von der Koordinationsgruppe His-28 besetzt ist, und die anderen drei Liganden His-83, His-170 und Asp-166 sich auf der äquatorialen Ebene befinden. Die Struktur von Fe-SOD ist relativ einfach und ähnelt der von Mn-SOD, und das aktive Zentrum besteht aus 3 His, 1 Asp und 1 H₂O.

Katalytischer Mechanismus

Das Substrat der Superoxiddismutase ist das Superoxid-Anion-Radikal (O₂▪), das sowohl eine negative Ladung als auch ein ungepaartes Elektron hat. Unter verschiedenen Bedingungen kann O₂▪ als Reduktionsmittel verwendet werden, um O₂ zu werden, und als Oxidationsmittel, um H₂O₂ zu werden. H₂O₂ erzeugt H₂O und O₂ unter der Wirkung von Katalase (CAT). Es ist zu erkennen, dass das toxische O₂ unter der gemeinsamen Wirkung von SOD und CAT in nicht-toxisches H₂O und O₂ überführt wird.

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

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

M³⁺ + O₂▪ + H⁺ → M²⁺(H⁺) + O₂

M²⁺(H⁺) + H⁺ + O₂▪ → M³⁺ + H₂O₂

M steht für den metallischen Cofaktor, M³⁺ steht für die höchste Valenz des metallischen Cofaktors, und M²⁺ steht für die Valenz des metallischen Cofaktors nach der Oxidation. Dieser Schritt-für-Schritt-Mechanismus hat in Bezug auf die Reaktionskinetik folgende Vorteile: Erstens kann eine molekulare Reaktion die elektrostatische Abstoßung zwischen der gleichzeitigen Reaktion von zwei Molekülen überwinden, und das positiv geladene aktive Metall bindet spezifisch an das negativ geladene Superoxid-Anion (O₂▪). Zweitens wird die elektrostatische Anziehung der Metallionen an der aktiven Stelle von einem Proton absorbiert und erhalten. In diesem Mechanismus sind die Produkte der Disproportionierungsreaktion neutral und schränken sich nicht gegenseitig ein. Drittens kann die Energie, die durch die Reaktion des ersten Schrittes freigesetzt wird, dem zweiten Schritt zur Reduktion des Superoxid-Anions (O₂▪) zugeführt werden, und dann wird das H₂O₂ durch die Wasserstoffperoxid-Reduktase zu H₂O reduziert.

Anwendung

Da die menschliche Haut direkt mit Sauerstoff in Kontakt kommt, kann dies zu Hautalterung und -schäden führen. Die Wirkung von SOD zum Schutz der Haut und zur Verhinderung von Oxidation ist herausragend. Viele Kosmetika und Gesundheitsprodukte haben SOD hinzugefügt, was bestimmte Effekte auf die Hautpflege, Anti-Aging und die Verhinderung von Altersflecken hat.

Die Bildung und Eliminierung von freien Radikalen in normalen gesunden Organismen befindet sich in einem dynamischen Gleichgewicht, aber mit zunehmendem Alter zeigt der Gehalt an SOD im Körper einen abnehmenden Trend. Entsprechend wird das Wachstum von freien Radikalen das Gleichgewicht des Körpers stören und verschiedene Krankheiten verursachen. Daher ist die Aufrechterhaltung einer angemessenen Menge an SOD im Körper ein effektiver Weg, um die Gesundheit zu erhalten und das Altern zu verlangsamen. Nach diesem Prinzip wurde SOD, einer der Radikalfänger, in der klinischen Behandlung verwendet und hat bestimmte Effekte erzielt.

Wie andere Oxidantien kann SOD als Antioxidans für Konserven, Säfte, Bier usw. verwendet werden, um die Verderblichkeit und den Verderb von Lebensmitteln, die durch Peroxidase verursacht werden, zu verhindern, und als gutes Konservierungsmittel für Obst und Gemüse. Um den Anwendungsbereich von SOD in Lebensmitteln zu erweitern, ist es notwendig, die Stabilität von SOD zu erhöhen. Es ist notwendig, SOD chemisch zu modifizieren und Substanzen ohne toxische Nebenwirkungen als Modifikatoren auszuwählen, wie Heparinverbindungen, Chondroitinsulfat und Fettsäuren. Unter ihnen wurde SOD, das durch Glasäure und Laurinsäure modifiziert wurde, in die kommerzielle Produktion eingeführt. Studien haben gezeigt, dass die Herstellung von SOD-Liposomen nicht nur die Stabilität erhöht, sondern auch die Absorption durch die menschliche Haut fördert.

Die Überexpression von SOD in transgenen Pflanzen kann die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegen Stress erhöhen, und die Überexpression des Mn-SOD-Gens kann die Toleranz transgener Pflanzen gegenüber Sauerstoffstress erhöhen. Durch Gentechnik kann die Erhöhung der Expression von SOD in Pflanzen die Stressresistenz der Pflanzen erheblich verbessern.

Referenz