СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА: ХАРАКТЕРИСТИКА, СТРОЕНИЕ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2024

В супероксиддисмутазах ( SOD ) или супероксид оксидоредуктаза , представляют собой семейство ферментов , широко распространены в природе, чья функция является главной защитой аэробных организмов против свободных радикалов кислорода, особенно анионные радикалы супероксида.

Реакция, которую катализируют эти ферменты, происходит практически во всех клетках, которые способны дышать (аэробные), и необходима для их выживания, поскольку она удаляет токсичные свободные радикалы из кислорода как у эукариот, так и у прокариот.

Графическое изображение супероксиддисмутазы Cu-Zn (SOD) (Источник: Джавахар Сваминатан и сотрудники MSD в Европейском институте биоинформатики через Wikimedia Commons)

Многие болезни у животных связаны с накоплением различных активных форм кислорода, и то же самое справедливо для растений, поскольку окружающая среда создает многочисленные и постоянные типы окислительного стресса, которые преодолеваются благодаря активности супероксиддисмутаз.

Эта группа ферментов была открыта в 1969 году МакКордом и Фридовичем, и с тех пор были достигнуты значительные успехи в отношении этих ферментов и реакций, которые они катализируют в живых существах.

характеристики

Супероксиддисмутазы реагируют с супероксидными радикалами с очень высокой скоростью, что превращается в очень эффективную линию защиты для удаления этих молекул.

У млекопитающих описаны по крайней мере три изоформы супероксиддисмутазы, известные как SOD1, SOD2 и SOD3 соответственно.

Две из этих изоформ имеют атомы меди и цинка в своих каталитических центрах и отличаются друг от друга своим расположением: внутриклеточные (цитозольный, SOD1 или Cu / Zn-SOD) или с внеклеточными элементами (EC-SOD или SOD3).

Изоформа SOD2 или Mn-SOD, в отличие от двух предыдущих, имеет атом марганца в качестве кофактора, и его расположение, по-видимому, ограничено митохондриями аэробных клеток.

Изоферменты SOD1 обнаруживаются в основном в цитозоле, хотя они также были обнаружены в ядерном компартменте и в лизосомах. С другой стороны, изоферменты SOD 3 были описаны в плазме крови, лимфе и спинномозговой жидкости человека.

Каждая из этих изоформ кодируется разными генами, но принадлежит к одному семейству, и их регуляция транскрипции по существу контролируется внеклеточными и внутриклеточными условиями, которые запускают различные внутренние сигнальные каскады.

Другие супероксиддисмутазы

Супероксиддисмутазы с каталитическими центрами, которые содержат ионы меди, цинка или марганца, не уникальны для млекопитающих, они также присутствуют в других организмах, включая растения и бактерии различных классов.

Существует дополнительная группа супероксиддисмутаз, которые не обнаруживаются у млекопитающих и которые легко узнаваемы, поскольку в их активном центре они содержат железо вместо любого из трех ионов, ранее описанных для других классов супероксиддисмутаз.

У E. coli железосодержащая супероксиддисмутаза представляет собой периплазматический фермент, который также отвечает за обнаружение и устранение свободных радикалов кислорода, образующихся во время дыхания. Этот фермент похож на тот, который обнаружен в митохондриях многих эукариот.

У растений есть три типа ферментов: те, которые содержат медь и цинк (Cu / Zn-SOD), те, которые содержат марганец (Mn-SOD), и те, которые содержат железо (Fe-SOD) в их активном центре и в этих организмах. они выполняют функции, аналогичные функциям нерастительных ферментов.

реакция

Субстратами супероксиддисмутаз являются супероксид-анионы, которые представлены как O2- и являются промежуточными продуктами в процессе восстановления кислорода.

Катализируемую ими реакцию можно рассматривать в широком смысле как преобразование (дисмутацию) свободных радикалов с образованием молекулярного кислорода и пероксида водорода, которые выделяются в среду или используются в качестве субстрата для других ферментов соответственно.

Впоследствии перекись водорода может выводиться из клеток благодаря действию любого из ферментов глутатионпероксидазы и каталазы, которые также выполняют важные функции в защите клеток.

Структура

Изоферменты супероксиддисмутазы у человека могут отличаться друг от друга в определенных структурных аспектах. Например, изофермент SOD1 имеет молекулярную массу 32 кДа, тогда как SOD2 и SOD3 представляют собой гомотетрамеры с молекулярной массой 95 и 135 кДа соответственно.

Другая группа супероксиддисмутаз, Fe-SOD, присутствующая в растениях и организмах, отличных от млекопитающих, представляет собой димерные ферменты с идентичными субъединицами, то есть они являются гомодимерами.

У некоторых растений эти Fe-SOD содержат предполагаемую N-концевую сигнальную последовательность для транспорта в хлоропласты, а другие содержат C-концевую последовательность трипептида для транспорта в пероксисомы, поэтому предполагается, что их субклеточное распределение является ограничено обоими отсеками.

Молекулярная структура трех типов ферментов супероксиддисмутазы по существу состоит из альфа-спиралей и B-свернутых листов.

Характеристики

Супероксиддисмутазы защищают клетки, органы и ткани организма от повреждений, которые могут вызывать свободные радикалы кислорода, таких как перекисное окисление липидов, денатурация белков и мутагенез ДНК.

У животных эти активные виды также могут вызывать повреждение сердца, ускорять старение и участвовать в развитии воспалительных заболеваний.

Растениям также необходима важная ферментативная активность супероксиддисмутазы, поскольку многие стрессовые условия в окружающей среде усиливают окислительный стресс, то есть концентрацию вредных реактивных видов.

У человека и других млекопитающих три изоформы, описанные для супероксиддисмутазы, имеют разные функции. Изофермент SOD2, например, участвует в дифференцировке клеток и онкогенезе, а также в защите от легочной токсичности, вызванной гипероксией (повышенная концентрация кислорода).

Для некоторых видов патогенных бактерий ферменты SOD действуют как «факторы вирулентности», которые позволяют им преодолевать многие барьеры окислительного стресса, с которыми они могут столкнуться в процессе инвазии.

Сопутствующие заболевания

Снижение активности супероксиддисмутазы может происходить из-за нескольких факторов, как внутренних, так и внешних. Некоторые из них связаны с прямыми генетическими дефектами генов, кодирующих ферменты SOD, в то время как другие могут быть косвенными, связанными с экспрессией регуляторных молекул.

Большое количество патологических состояний у человека связано с ферментами СОД, включая ожирение, диабет, рак и другие.

Что касается рака, было определено, что существует большое количество типов раковых опухолей, которые обладают низким уровнем любого из трех супероксиддисмутаз млекопитающих (SOD1, SOD2 и SOD3).

Окислительный стресс, который предотвращает активность супероксиддисмутазы, также связан с другими патологиями суставов, такими как остеоартрит, ревматоидный артрит. Многие из этих заболеваний связаны с экспрессией факторов, ингибирующих активность СОД, таких как фактор TNF-α.

Ссылки

1. Фридович, И. (1973). Супероксиддисмутазы. Annu. Rev. Biochem. , 44, 147–159.
2. Джонсон, Ф. и Джуливи, К. (2005). Супероксиддисмутазы и их влияние на здоровье человека. Молекулярные аспекты медицины, 26, 340–352.
3. Оберли, LW, и Bueftner, GR (1979). Роль супероксиддисмутазы при раке: обзор. Исследования рака, 39, 1141-1149.
4. Тейлор, П., Боулер, К., Кэмп, В. Ван, Монтегю, М. Ван, Инзе, Д., и Асада, К. (2012). Супероксиддисмутаза в растениях. Критические обзоры в науках о растениях, 13 (3), 37–41.
5. Зелко И., Мариани Т. и Фольц Р. (2002). Мультигенное семейство супероксиддисмутазы: сравнение структур, эволюции и экспрессии генов CuZn-SOD (SOD1), Mn-SOD (SOD2) и EC-SOD (SOD3). Свободная радикальная биология и медицина, 33 (3), 337–349.