Супероксиддисмутаза

Супероксиддисмутаза (СОД, КФ 1.15.1.1) относится к группе антиоксидантных ферментов. Вместе с каталазой и другими антиоксидантными ферментами она защищает организм человека от постоянно образующихся высокотоксичных кислородных радикалов. Супероксиддисмутаза катализирует дисмутацию супероксида в кислород и пероксид водорода. Таким образом, она играет важнейшую роль в антиоксидантной защите практически всех клеток, так или иначе находящихся в контакте с кислородом. Одним из редких исключений является молочнокислая бактерия Lactiplantibacillus plantarum и родственные ей молочнокислые бактерии, использующие иной механизм защиты от образующегося супероксида.

Структура митохондриальной супероксиддисмутазы человека

супероксиддисмутаза 1, цитозольная
Обозначения
Символы	SOD1; ALS, ALS1
CAS	9054-89-1
Entrez Gene	6647
HGNC	11179
OMIM	147450
RefSeq	NM_000454
UniProt	P00441
Другие данные
Шифр КФ	1.15.1.1
Локус	21-я хр. , 21q22.1
Информация в Викиданных ?

супероксиддисмутаза 2, митохондриальная
Обозначения
Символы	SOD2
CAS	9054-89-1
Entrez Gene	6648
HGNC	11180
OMIM	147460
RefSeq	NM_000636
UniProt	P04179
Другие данные
Шифр КФ	1.15.1.1
Локус	6-я хр. , 6q25
Информация в Викиданных ?

супероксиддисмутаза 3, внеклеточная
Обозначения
Символы	SOD3
CAS	9054-89-1
Entrez Gene	6649
HGNC	11181
OMIM	185490
RefSeq	NM_003102
UniProt	P08294
Другие данные
Шифр КФ	1.15.1.1
Локус	4-я хр. , 4 pter-q21
Информация в Викиданных ?

Реакция

Реакцию дисмутации супероксида, катализируемую супероксиддисмутазой, можно разбить на две части (парциальные реакции) следующим образом:

• M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺ − СОД + O₂⁻ → Mⁿ⁺ − СОД + O₂
• Mⁿ⁺ − СОД + O₂⁻ + 2H⁺ → M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺ − СОД + H₂O₂.

где M (переходный металл) = Cu (n=1) ; Mn (n=2) ; Fe (n=2) ; Ni (n=2).

В данной реакции окислительное состояние катиона металла осцилирует между n и n+1.

Типы

Введение

Существует несколько форм супероксиддисмутазы в зависимости от типа переходного металла-кофактора активного центра фермента: Cu,Zn-СОД (медь как кофактор активного центра и цинк как кофактор, стабилизирующий конформацию), Mn-СОД (с марганцем в активном центре), а также менее распространённые Fe-СОД (с железом)) и Ni-СОД (с никелем).

• Цитозоль практически всех эукариотических клеток содержит супероксиддисмутазу типа Cu,Zn-СОД. Это самая распространённая супероксиддисмутаза и единственная коммерчески доступная форма фермента (как правило выделенная либо из эритроцитов, либо из печени быка: PDB 1SXA Архивная копия от 29 марта 2008 на Wayback Machine, EC 1.15.1.1). Cu,Zn-СОД является гомодимером (то есть состоящим из двух одинаковых субъединиц), молекулярная масса 32,5 кДа. Субъединицы белка связаны друг с другом в первую очередь гидрофобными и электростатическими связями. Медь и цинк связаны с белковой частью молекулы через гистидиновые остатки.
• Митохондрии эукариотических клеток и многие бактерии содержат супероксиддисмутазу с Mn (Mn-СОД). Например, митохондриальная СОД человека: PDB 1N0J (недоступная ссылка), EC 1.15.1.1, молекулярная масса 86-88 кДа. Марганец в этом ферменте координирован с белком через 3 гистидина и аспартат и с водой либо гидроксильным лигандом в зависимости от окислительного состояния Mn (Mn(II) или Mn(III)).
• E. coli и многие другие бактерии содержат формы фермента с железом (Fe-СОД), другие — с марганцем (Mn-СОД), а некоторые — оба эти типа. (E. coli Fe-SOD: PDB 1ISA Архивная копия от 29 марта 2008 на Wayback Machine, EC 1.15.1.1). Активные центры Mn- и Fe-СОД содержат те же аминокислоты в боковых цепях.

Структура активного центра митохондриальной супероксиддисмутазы человека (СОД2)

Человек

В организме человека существует три типа СОД. СОД1 находится в цитоплазме, СОД2 — в митохондрии, а СОД3 — это внеклеточная (экстраклеточная) форма. Первая форма — димерная, тогда как вторая и третья формы — тетрамерные (состоящие из 4 равных субъединиц). СОД1 и СОД3 содержат медь в активном центре и цинк как структурный компонент, а СОД2 содержит марганец в активном центре. Гены этих форм локализуются соответственно в хромосомах 21, 6 и 4 (21q22.1, 6q25.3 и 4p15.3-p15.1). Цитозольная СОД1 является небольшим белком с молекулярной массой 32,5 кДа, молекулярная масса митохондриальной СОД2 — около 86-88 кДа. Экстраклеточная СОД3 представляет собой самую крупную супероксиддисмутазу, молекулярная масса — 135 кДа.

Биохимия

Супероксидный радикал (O₂⁻) спонтанно довольно быстро дисмутирует в кислород O₂ и пероксид водорода H₂O₂ (~10⁵ M⁻¹ s⁻¹ при pH 7). Тем не менее, супероксид ещё быстрее реагирует с некоторыми другими молекулами-мишенями, такими как оксид азота NO, образуя при этом пероксинитрит. Однако супероксиддисмутаза обладает самой высокой известной каталитической скоростью реакции (~10⁹ M⁻¹ s⁻¹). Реакция лимитирована только частотой столкновения супероксида с ферментом (т. н. диффузионно-лимитированная реакция), благодаря чему супероксиддисмутаза защищает клетку от повреждающего действия супероксида.

Физиология

Супероксид является одним из основных прооксидантов в клетке, поэтому СОД играет одну из ключевых ролей в антиоксидантной защите организма. Роль этого фермента была показана экспериментально: мыши, у которых отсутствует митохондриальная СОД, выживают лишь несколько дней после рождения, так как у них развивается сильный окислительный стресс.

Роль в патологии

Мутации СОД1 у человека могут вызывать амиотрофический латеральный склероз, заболевание моторных нейронов. Механизм развития этого заболевания при этих мутациях, однако, не известен, так как ферментативная активность супероксиддисмутазы при этом не изменяется.

Ссылки

1. A.V. Peskin, C.C. Winterbourn. A microtiter plate assay for superoxide dismutase using a water-soluble tetrazolium salt (WST-1) (англ.) // Clinica Chimica Acta : journal. — 2000. — Vol. 293. — P. 157—166.
2. Campana, F. Topical superoxide dismutase reduces post-irradiation breast cancer ibrosis (англ.) // Journal of Cellular and Molecular Medicine : journal. — 2004. — Vol. 8, no. 1. — P. 109—116. Free text — PDF 333kB
3. Li, Y.; Huang, T. T.; Carlson, E. J.; Melov, S.; Ursell, P. C.; Olson, J. L.; Noble, L. J.; Yoshimura, M. P.; Berger, C.; Chan, P. H.; et al. Dilated cardiomyopathy and neonatal lethality in mutant mice lacking manganese superoxide dismutase. Nat. Genet. 11:376-381; 1995.
4. Elchuri, S.; Oberley, T. D.; Qi, W.; Eisenstein, R. S.; Jackson Roberts, L.; Van Remmen, H.; Epstein, C. J.; Huang, T. T. CuZnSOD deficiency leads to persistent and widespread oxidative damage and hepatocarcinogenesis later in life. Oncogene 24:367-380; 2005.
5. Muller, F. L.; Song, W.; Liu, Y.; Chaudhuri, A.; Pieke-Dahl, S.; Strong, R.; Huang, T. T.; Epstein, C. J.; Roberts, L. J., 2nd; Csete, M.; Faulkner, J. A.; Van Remmen, H. Absence of CuZn superoxide dismutase leads to elevated oxidative stress and acceleration of age-dependent skeletal muscle atrophy. Free Radic. Biol. Med. 40:1993-2004; 2006.
6. Sentman, M. L.; Granstrom, M.; Jakobson, H.; Reaume, A.; Basu, S.; Marklund, S. L. Phenotypes of mice lacking extracellular superoxide dismutase and copper- and zinc-containing superoxide dismutase. J. Biol. Chem. 281:6904-6909; 2006.

См. также

• Каталаза
• Пероксиредоксины
• Диэтилдитиокарбамат натрия

Ссылки

• OMIM 147450 (SOD1), OMIM 147460 (SOD2), OMIM 185490 (SOD3) and OMIM 105400 (ALS)
• Амиотрофический латеральный склероз
• Хороший обзор литературы по СОД.
• Damage-Based Theories of Aging Роль супероксиддисмутазы в старении.