超氧化物歧化酶的现状研究进展

关键词：超氧化物歧化酶;生理功能;特性;应用

摘要:超氧化物歧化酶是生物体内清除超氧阴离子自由基的一种重要酶，具有重要的生理功能，在医药、食品、化妆品中有广泛的应用前景。现从分类、分布、结构、性质、催化机理、制备、应用等方面探讨了超氧化物歧化酶的基础研究进展。

关键词:超氧化物歧化酶;生理功能;特性;应用

Advance in current research of superoxide dismutase.

Abstract:Superoxide Dismutase（SOD）is an important enzyme in organism，which can remove superoxide free radical.It is wide-ly used in clinical treatment，food，and cosmetic industry for its important physiologic function.This review presents a basic reseach outline of SOD，including classification，distribution，structure，property，the catalyse mechanism，preparation and application.

Key words:Superoxide dismutase;Physiologic function;Property;Application

1938年Mann和Keilin ［1］ 首次从牛红细胞中分离出一种蓝色的含铜蛋白质（Hemocuprein），1969年Mccord及Fridovich ［2］ 发现该蛋白有催化O 2 ，发生歧化反应的功能，故将此酶命名为超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD，EC1.15.1.1）。该酶是体内一种重要的氧自由基清除剂，能够平衡机体的氧自由基，从而避免当体内超氧阴离子自由基浓度过高时引起的不良反应，同时SOD是一种很有用途的药用酶。有关SOD的研究受到国内外学者的广泛关注，涉及到化学、生物、医药、日用化工、食品诸领域，是一个热门研究课题。通过多年努力，在SOD的基础研究方面取得了巨大成果。目前，SOD临床应用主要集中在抗炎症方面（以类风湿以及放射***后引起的炎症病人为主），此外对某些自身免***性疾病（如红斑狼疮、皮肌炎）、肺气肿、抗癌和氧中毒等都有一定疗效;在食品工业主要用作食品添加剂和重要的功能性基料;在其它方面也有相关应用。现就有关SOD的基础研究进展及应用方面作以简述。

1 SOD的种类与分布

SOD是一类清除自由基的蛋白酶，对需氧生物的生存起着重要的作用，是生物体防御氧毒性的关键。迄今为止，科学家已从细菌、真菌、原生动物、藻类、昆虫、鱼类、植物和哺***动物等生物体内都分离得到了SOD。基于金属辅基不同，这些SOD至少可以分为Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、Fe-SOD三种类型 ［3］ 。

表1 不同种类型的SOD分布（略）

一般来说，Fe-SOD是被认为存在于较原始的生物类群中的一种SOD类型;Mn-SOD是在Fe-SOD基础上进化而来的一种蛋白类型，由于任何来源的Mn-SOD和Fe-SOD的一级结构同源性都很高，均不同于Cu/Zn-SOD的序列，可见它们来自同一个祖先;Cu/Zn-SOD分布最广，是一种真核生物酶，广泛存在于动物的血、肝和菠菜叶、刺梨等生物体中。

除以上三种SOD外，Sa-Ouk Kang等人最近又从链霉菌Streptomyces spp.和S.coelicotor中发现了两种新的SOD，一种是含镍酶即Ni-SOD，另一种是含铁和锌的酶即Fe/ZnSOD，它们均为四聚体，表观分子量分别是13KD和22KD，它们之间没有免***交叉反应 ［4～6］ 。

2 SOD的催化机理

超氧化物歧化酶作用的底物是超氧阴离子自由基（O ·-2 ），它既带一个负电荷，又只有一个未成对的电子。在不同条件下，O ·-2 既可作还原剂变成O 2 ，又可作氧化剂变成H 2 O 2 ，H 2 O 2 又在过氧氢酶（Catalase，CAT）的作用下，生成H 2 O和O 2 ，由此可见，有毒性的O ·-2 在H 2 O 2 又在过氧氢酶（Catalase，CAT）的作用下，生成H 2 O和O 2 ，由此可见，有毒性的O ·-2 在SOD和CAT共同作用下，变成了无毒的H 2 O和O 2 。其作用机理如下:SOD+O ·-2 SOD - +O 2 SOD - +O ·-2 +2H + SOD+H 2 O 2 2O ·-2 +2H + SOD O 2 +H 2 O 2 H 2 O 2 CAT H 2 O+O 2

3 SOD的结构和性质

3.1 不同SOD的结构 超氧化物歧化酶（SOD）从结构上可分为两族:CuZn-SOD为第一族，Mn-SOD和Fe-SOD为第二族。天然存在的SOD，虽然活性中心离子不同，但催化活性部位却具有高度的结构同一性和进化的保守性，即活性中心金属离子都是与3或4个组氨酸（His）、咪唑基（Mn-SOD含1个天门冬氨酸羧基配位）和1个H 2 O分子呈畸变的四方锥或扭曲的四面体配位。

CuZn-SOD作为SOD结构上的第一族，是人们对于SOD结构研究的突破口，也是人们了解最多的一种SOD。比较不同来源的CuZn-SOD的氨基酸序列可以发现，它们的同源性都很高 ［7］ 。有些氨基酸还很保守，在所有序列中都不变，这暗示着这些氨基酸与活性中心有关。如***1牛红细胞CuZn-SOD的结构所示:每个铜原子除分别与4个组氨基酸残基（His 44.46.61.118 ）的咪唑氮配位外，还与一轴向水分子形成远距离的第五配位，Zn则与3个组氨酸残基（His 61.69.78 ）和1个天冬氨酸（D 81 ）配位。Cu、Zn共同连接组氨酸61组成“咪唑桥”结构。

***1 牛红细胞CuZn-SOD的结构示意*** ［8］（略）

Mn-SOD和Fe-SOD同属于SOD结构上的第二族，Mn-SOD是由203个氨基酸残基构成的四聚体，Mn（Ⅲ）是处于三角双锥配位环境中，其中一轴向配位为水分子，另一轴向被蛋白质辅基的配位His-28占据，另3个配基His-83、His-170和Asp-166位于赤道平面。Fe-SOD的活性中心是由3个His，1个Asp和1个H 2 O扭曲四面体配位而成 ［9］ 。

3.2 不同SOD的性质 SOD是一种酸性蛋白，在酶分子上共价连接金属辅基，因此它对热、pH以及某些理化性质表现出异常的稳定性，其主要的理化性质见表2。

表2 4种SOD的理化性质（略）

从上面可以看出，Mn-SOD、Fe-SOD的结构特征是不含半光氨酸，含有较多的色氨酸和酪氨酸，因此紫外吸收光谱类似一般蛋白质，在280nm附近有最大吸收峰，Mn-SOD的可见光谱在475nm处附近有最大吸收，Fe-SOD在350nm处有最大吸收，这都反映了所含金属离子的光学性质。

4 SOD的生产方式

目前国内已开发的SOD产品绝大分都是Cu/Zn-SOD，它们最早是从动物的血、肝中分离提取的，主要有以下几个步骤:溶血液的制备、选择性热变性、超滤浓缩、丙酮沉淀、柱层析、冷冻干燥 ［10］ 。但是由于这种方法不可避免地发生一些交叉感染，过敏性反应等现象，开发研究从植物中提取SOD就显得尤为重要。我国近年来在植物SOD的研究领域有大量相关报道。许平 ［11］ 、袁艺 ［12］ 、赵文芝 ［13］ 、余旭亚 ［14］ 等分别从大蒜、桑叶、沙棘、仙人掌中提取SOD并进行了相关研究。其提取方法主要有分步盐析法、有机溶剂沉淀法、层析柱法等。

除了从动植物中提取SOD外，选育SOD高产菌株进行发酵生产也是比较有价值的一种方法。1997年王岁楼等人自然筛选出1株SOD高产菌株Y-216，酶活可达600U/g湿菌 体 ［15］ ，并对其形成SOD的生理条件作了初步研究，为SOD的工业化发酵生产打下了基础。吴思芳等人研究了从啤酒废酵母生产、提取、纯化SOD的方法和条件，得到比活为3048U/mg的SOD酶，指出开展啤酒废酵母生产SOD的综合利用具有经济价值和社会意义 ［16］ 。

由于天然SOD来源有限，且具有异体蛋白免***原性，外源SOD不易被人体接受等缺陷，使之在应用方面受到很大限制。SOD基因工程是广开酶源，降低成本和获得无抗原性的人源SOD的有效途径。近年来，美、日、英、德相继开发了微生物SOD基因工程产品，并进行了临床实验 ［17］ 。我国医学科学院基础医学研究所和海***总医院分子生物学研究室已成功将人血CuZn-SOD克隆到大肠杆菌中，表达率高达50%。施惠娟等 ［18，19］ 分别以人胎肝组织及人肝细胞株（L02）总RNA为模板，以RT-PCR法获得hCuZn-SOD和hMn-SODcDNA，构建表达质粒pETSOD，并导入E.coli细胞中使之表达。分别获得了38%和50%的高表达率，且表达的SOD有酶活性。鉴于重组的人SOD在体内半衰期仍很短，施惠娟等 ［20］ 又通过基因工程的方法将rhCuZn-SODcDNA基因改造得到了更加稳定的酶。以上说明了我国人源SOD在微生物细胞中的克隆和表达已达到了国际水平。目前，国内外在基因工程生产SOD方面均取得了可喜的成果。

5 SOD的模拟研究

与天然SOD相比，SOD的模拟物有着更显著的优点 ［21］ 。首先是获取和制备比天然SOD要简单得多。天然SOD要从人或其它生物中提取，这就决定了天然SOD的提取必然困难重重，而且产量不高。而模拟SOD可以用化学方法来人工合成，其物质和能量消耗低，且产量不会受到限制。其次，天然SOD作为一种生物大分子，在进入体内时存在着诸如进入细胞能力弱、细胞渗透性差、在血中半衰期短（在人体中SOD只是在很短时间内稳定，其半衰期为分钟级）、不能口服、价格昂贵等缺点 ［22］ 。另外，对于非人体SOD还存在着造成免***损伤的可能。所以人们把目光投向了SOD模拟物，尤其是低分子量模拟物上。

目前，生物无机化学家们合成和表征了一系列含铜、锰、铁等金属离子的小分子配合物来模拟SOD，期待将来能用小分子模拟化合物代替SOD应用于临床。其中研究最多的含铜络合物是3，5-二异丙基水杨酸铜［Cu（3，5-DIPS）］ ［23］ ，这是一种低分子量的亲脂性络合物，具有天然CuZn-SOD样活性，可以起到抗炎及减轻由链脲菌素诱导产生的糖尿病。刘京萍等 ［24］ 合成的铁（Ⅱ）-酪氨酸模拟SOD金属酶，分子量比天然酶小得多，与天然SOD活性差距较小，且毒性小，从而大大推进了人工合成具有分子质量较小、稳定性高、毒性较底、活性较高等优点的SOD模拟物的研究工作。

但是由于超氧化物歧化酶的模拟属于新型交叉学科，需要化学和生物学知识乃至技术的高度结合，目前的模拟还没有走向成熟，相信随着21世纪化学生物学的崛起，这一新兴交叉学科将会对化学、生物学及医学产生深远的影响。

6 SOD的应用

6.1 SOD在食品中的应用 与其它抗氧化剂一样，SOD可作为罐头食品、果汁、啤酒等的抗氧化剂，防止过氧化酶引起的食品变质及腐败现象;还可作为水果、蔬菜等的良好保鲜剂。

由于绝大部分蔬菜、水果都含SOD，其中含量较高的有:刺梨、香蕉、猕猴桃、菠萝、山楂、大蒜等，水果果皮中SOD活性明显高于果肉，且水果SOD活性在储藏期内均呈下降趋势。人们就充分利用这些富含SOD的原料开发天然保健食品如芦荟汁、大蒜素、刺梨汁、菠萝汁、麦绿素等。其中麦绿素是以大麦嫩叶为原料经浓缩提取的 ［29］ 。

其它含SOD的食品有:食用菌、扇贝、鸡、调味品等。常见食用菌中猴头菇SOD活性较强，达3120U/g湿菌丝。灵芝菌活性也很高，已被制成灵芝酒投放市场。常见调味品中，发现酱油、鱼露、豆腐***中均含SOD样活性物质，其具体性质还有待进一步研究。

另外还可以作为营养强化剂加入食品中制成新的保健食品，例如绿茶饮料有预防龋齿、敏感症、痛风、降压、抑制氧化等作用 ［30］ ;番木瓜SOD酒采用低温生物技术发酵而成，是一种低度纯天然的绿色健康型果露酒，能帮助消化，消除慢性胃炎，舒张血管，降低血压等作用。目前已开发的还有蛋黄酱、酸牛奶、可溶性咖啡、奶糖等产品。

为扩大SOD在食品中的应用范围，需增强SOD的稳定性，有必要对SOD进行化学修饰，选择无毒副作用的物质作为修饰剂，例如肝素化合物、硫酸软骨素、脂肪酸等，其中由玻璃酸、月桂酸修饰的SOD已投入商品化生产 ［31］ 。有研究表明，制成SOD脂质体不仅能增强稳定性，还能促进人体皮肤的吸收。

6.2 SOD在临床上的应用 正常生命过程中产生的超氧阴离子自由基是维持生命所必需的，当其浓度过高时，对机体会造成损害。因此超氧化物歧化酶作为其特异清除剂，在生物体的生命活动中具有重要意义。大量研究表明，SOD活性低下可以看作是某些疾病的特征之一 ［9］ 。SOD是O ·-2 的“克星”，具有抗炎、抗病毒、抗辐射、抗衰老等作用 ［25］ 。在病毒性疾病、自身免***性疾病、心肌缺血和缺血再灌流综合症、老年性白内障、心血管疾病、辐射病、癌和癌的放射***预防以及人类长寿等领域的研究中也己有突破性进展 ［26～28］ 。目前，SOD作为药用酶已经开始试用于***关节炎、红斑狼疮等疾病。

6.3 SOD在其它方面的应用 SOD既可以作为药用酶，也可作为化妆品的添加剂，国际生化委员会，美国联邦食品管理局称其为“抗衰因子”、“美容娇子”。具有抗衰老、防晒、抗炎等功效。SOD还可以加入到牙膏、漱口水、含片等中，对预防口腔疾病有一定的疗效。由中国农业大学研制的SOD系列微生物制剂即益微SOD现也已被推广应用。例如，中国农业大学与河南省三门峡市科技局联合开发成功的SOD功能苹果，具有营养、保健、防病等多种作用。

7 展望

目前，对SOD分子的修饰、模拟等方面的技术改造已取得了可喜的成果，但是由于天然SOD的理化性质所限，使其应用面受到了一定程度的限制。希望在不久的将来能合成出具有精确活性中心结构、热力学稳定的和动力学惰性的模拟物，从而使SOD作为一种高效、安全的功能因子在产业中拥有广泛的实用前景。

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