超氧化物歧化酶综合利用研究进展

徐颢溪

（安徽职业技术学院化学工程系，安徽 合肥 230000）

超氧化物歧化酶综合利用研究进展

徐颢溪

（安徽职业技术学院化学工程系，安徽 合肥 230000）

超氧化合物歧化酶通过专一催化超氧阴离子自由基歧化反应，有效防御生物体内活泼氧对机体的伤害。对超氧化合物歧化酶的分类、结构、性质、催化机理与活性以及其在食品工业、日用化工、医药等方面的综合利用进行了阐述，并展望了其发展趋势。

超氧化合物歧化酶；超氧阴离子自由基；活性；应用

超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）是生物体系中抗氧化酶系的重要组成成员，广泛分布在微生物、植物和动物体内。该酶首次由Mann和Keilin[1]于1938年从牛红细胞中分离提纯而获得，全酶由酶蛋白和金属辅助因子构成，通过专一催化超氧阴离子自由基（O-2·）产生歧化反应而清除超氧阴离子自由基，从而防御生物体内氧中毒，现今许多研究证明，当生物体内由于氧气的存在而产生过多自由基或机体过慢清除自由基时，自由基由于其过于活泼的化学反应活性，会和生物机体内的生物大分子进行反应，使生物大分子发生功能性根本改变，如碱基突变、DNA断裂、蛋白质损伤或膜脂过氧化等，致使机体组织器官、机体细胞及分子水平层面造成不同程度损伤，不仅会诱发生物体内各种疾病，更会导致生物机体衰老加速。因此，对SOD此类“自由基清道夫”的研究及综合利用具备其重要价值和意义。笔者从SOD性质、催化机理与活性及SOD综合利用方面进行综述，并展望其发展趋势，旨在为SOD的科学利用提供借鉴。

1 SOD分类、结构及性质

迄今为止，根据SOD分子活性部位所含金属辅助因子的不同，主要将其分为Cu/Zn-SOD、Fe-SOD和Mn-SOD 3种类型。

1.1 Cu/Zn-SOD

Cu/Zn-SOD呈蓝绿色，相对分子质量约为32000，主要分布于真核细胞细胞质、叶绿体基质和过氧化物酶体中[2-3]。

Cu/Zn-SOD的空间结构最初于1975年由Richardson通过0.2 nm X射线衍射晶体结构分析获得。Cu/Zn-SOD分子是由疏水次级键作用将2个各含1个Zn2+和1个Cu2+的基本相同亚基结合成的状如“口袋”的蛋白二聚体，肽链内部由2个半胱氨酸Cys-55和Cys-144的巯基结合形成的唯一的二硫桥对二聚体四级结构的形成及稳定发挥了重要作用。分子中通过一个组氨酸（His-61）共同连接而使Cu2+、Zn2+相连的“咪唑桥”，构成Cu/Zn-SOD的活性部位。相距约0.63 nm的Cu2+和Zn2+处在“口袋”底部，Cu2+与相邻4个组氨酸残基（（His-44，-46，-61，-118）咪唑氮配位及与其相邻的水分子形成一畸变正方锥构型，而Zn2+更与其相邻3个组氨酸残基（His-61，-69，-78）咪唑氮以及1个天冬门氨酸残基（Asp-81）羧基氧配位形成一畸变四面体构型。通过“咪唑桥”将畸变正方锥构型和畸变四面体构型紧密相连[4]。Cu/Zn-SOD分子内部含有较高程度的β折叠，而α螺旋则较少。

1.2 Fe-SOD

Fe-SOD呈黄褐色，由2个或4个各含0.5～1.0个Fe3+的亚基构成[5]，其亚基相对分子质量约为23 000，常见于原核细胞及少数植物细胞中。

1.3 Mn-SOD

Mn-SOD呈紫红色，常见于原核生物细胞及线粒体中。原核细胞中的Mn-SOD是由2个各含有0.5～1.0个Mn2+的亚基构成，而来自真核细胞线粒体中的Mn-SOD，则是由4个亚基构成。其亚基相对分子质量约为23 000。

Fe-SOD与Mn-SOD的空间结构相对Cu/Zn-SOD简单，且两者类似，而且与Cu/Zn-SOD不同，含β折叠很少，主要成分是α螺旋。每个亚基中围绕活性部位金属离子的都是与3个组氨酸残基及1个天门冬氨酸残基的羧基氧以及与1个水分子配位，形成畸变正方锥构型。第90位氨基酸残基在Fe-SOD中为酪氨酸，而在Mn-SOD中则为苯丙氨酸，两者都围绕活性部位，作用也相似。在一级结构上，Fe-SOD与Mn-SOD同样存在不同的差异氨基酸。因此，Fe-SOD和Mn-SOD尽管在氨基酸序列和空间结构上以及分子量、蛋白质氨基酸序列、空间结构、紫外吸收光谱以及对不同抑制剂的敏感等方面性质都呈现了相当的相似性，与Cu/Zn-SOD差别较大，但相互之间毕竟还存在少许区别[6]。

除此之外，自然界还存在着如只存在于某些极少数原核细菌中的Fe/Zn—SOD、Ni-SOD等其他少见SOD。

2 SOD催化机理与活性

2.1 SOD的催化机理

超氧阴离子自由基作为SOD的唯一作用底物，除带有1个未成对电子的同时，还带有1个负电荷，属于化学性质活泼的活性氧（Active Oxygen Species，AOS）类群。首先,SOD催化超氧阴离子自由基发生歧化反应，初始状态为氧化态的SOD将1分子O-2·氧化成氧气（O2），产生质子化反应，然后被还原的SOD又将1分子O-2·还原为过氧化氢，同时SOD又被氧化为初始氧化态的SOD。最后，H2O2在过氧化氢酶的作用下，被催化分解为水（H2O）和O2。SOD的催化作用是通过酶活性部位的金属辅助因子在氧化还原反应的过程中得失电子而实现。

2.2 SOD的活性影响因子

SOD属于酸性蛋白酶类，相对于一般酶类对于温度、pH以及蛋白酶类对其水解等稳定，但其催化效率与催化活性仍与其含量和反应环境相关。以Cu/Zn-SOD为例，主要与理化环境使其活性部位的金属离子、氨基酸残基以及配位环境，同时还与“咪唑桥”等的变化相关[7]。

SOD活性部位的不同金属辅助因子对酶催化活性的影响各异。Cu2+在Cu/Zn-SOD活性保持上占据重要位置，首先，结合态Cu2+起电子传递作用，与酶的催化活性直接相关，另外，一定范围内的游离态Cu2+的加入，可以大幅度提高SOD的催化活性。若去除SOD酶分子中的Cu2+，SOD将完全失活，重加Cu2+即SOD复活。而Zn2+则与保持酶活性部位稳定构象相关，并起调节Cu2+与咪唑基关系的作用。若去除Zn2+并保留SOD酶分子中的Cu2+时，酶分子仍然保持高度的活度值。

处于酶分子活性部位的，对SOD催化活性占有重要地位的2种氨基酸残基是组氨酸（His）和精氨酸（Arg）。这2种氨基酸残基均携带正电荷，并靠近活性部位的金属辅助因子，可诱导底物顺利进入SOD活性部位，并在催化反应的过程中提供质子，加快反应速度。若去除或修饰此2种氨基酸，将会使SOD完全失活。

而“咪唑桥”在催化反应中，当在与Cu2+相连咪唑氮快速发生质子化或去质子化变化时，SOD酶分子的催化活性会受到重大影响。

2.3 SOD活性检测

多种生化测量方法可检测SOD的歧化反应催化活性，主要有如邻苯三酚自氧化法、化学发光法以及黄嘌呤氧化酶-细胞色素C法等[8-10]。

邻苯三酚自氧化法是现今使用最为普遍的高灵敏度SOD活性检测法，该法步骤简单，使用方便，所使用的仪器及试剂也较为常见。在碱性环境中，邻苯三酚可发生的自氧化反应而产生O-2·，而当SOD存在时，邻苯三酚自氧化反应被抑制，反应速度减缓，可通过吸光度变化的测定确定SOD活性。但该法对环境条件要求较高（如pH、温度、底物浓度等），在检测时需严格控制。

化学发光法具备高灵敏度、高精确度、强专一性及检测快速等优点，但因需要特殊高灵敏度的精密发光检测仪器，故在临床使用方面受到抑制。该法的检测原理为：在有氧存在时，黄嘌呤及次黄嘌呤通过黄嘌呤氧化酶催化生成尿酸和O-2·，以鲁米诺或海莹莹光素诱导剂为发光剂，根据SOD对发光的抑制程度来测定SOD活性。

黄嘌呤氧化酶-细胞色素C法又称Mccovd法，是最早利用的一种经典的SOD活性检测法。该法基于在有氧存在时，黄嘌呤被黄嘌呤氧化酶催化氧化生成尿酸与O-2·，同时将O-2·氧化型细胞色素C还原为在550 nm处有最大吸收的还原型细胞色素C。而当加入SOD后，O-2·被SOD催化发生歧化，同时降低细胞色素C还原反应速率。可利用加入SOD前后，细胞色素C还原反应速率的变化而测定SOD活性。为提高该法灵敏度，可将细胞色素C用乙酰细胞色素C替代，缓冲液由pH 7.8的磷酸盐换为pH 10.2的碳酸盐溶液。

除此之外，SOD活性检测方法还有如羟胺发色法、光化学扩增法、氮蓝四唑法、极谱氧电极法、化学发光免疫测定法等[11]。

3 SOD的综合利用

3.1 SOD在食品工业中的综合利用

SOD因其专一抗氧化性及其独特生理功能，在食品工业中得以广泛应用[12]。SOD在蔬菜水果中含量较高，如香蕉、山楂、刺梨、猕猴桃、大蒜等，其他如扇贝、鸡肉等中也有分布。SOD的活性在果皮中高于果肉，在新鲜水果中高于放置后的水果。并以各种形式被加工成保健品和食品添加剂等作为使用。如添加有SOD的牛奶、啤酒、软糖等类型的食品营养强化剂[13]；也因其抗氧化性抵御食品腐败或变质等现象，可作为如罐头、果汁饮料等的食品抗氧化剂或蔬菜水果的保鲜剂使用；如直接研制的SOD片剂、口服液、胶囊等多种剂型的SOD保健食品；如用富含SOD的食物加工而成的保健品等。

3.2 SOD在日化工业中的应用

皮肤衰老和损伤是人体衰老的重要特征，而人体衰老是由于活性氧类自由基堆积或清除产生障碍的后果，体内的多余自由基会引起细胞损伤以及色素沉着。由于人的皮肤直接与氧气接触，会造成皮肤的老化和损伤。外源SOD的补充有利于延缓皮肤衰老、抗氧化、祛色斑的功用。故国内外许多化妆品厂家都在自身产品中加入了一定比例的SOD。如法国的雅诗兰黛石榴水、日本的SKII神仙水，以及国内大宝SOD蜜等。

3.3 SOD在医药中的应用

基于SOD是作用于O-2·的专一歧化反应催化剂，故SOD作为医药产品，在治疗因自由基作用而导致的炎症、自身免疫性、心脑血管疾病等都有着显著疗效[14]。

炎症是生物机体受外界病菌入侵后的自我保护作用，其中其重要作用的吞噬细胞在此过程中大量消耗氧气，产生大量活性氧自由基，直接攻击机体中的生物大分子及细胞，吞噬细胞本身也被自由基所伤。SOD可利用其抗氧化作用抑制关节炎、胸膜炎、急性气管炎等炎症类型[15]。

研究表明，自身免疫性疾病的发病历程可通过SOD或其他氧自由基清除剂抑制[16]。如类风湿关节炎患者体内SOD含量远小于正常值，而红斑狼疮患者的血清中因O-2·的存在出现一种可破坏染色体的介裂因子，故SOD类药物可用于治疗此类自身免疫性疾病。

SOD还引起抗氧化作用，可调节血脂浓度，降低脂类过氧化物含量，预防动脉粥样硬化，故可预防或治疗因高血脂而引起的如心肌梗塞等心脑血管类疾病[17]。

此外，SOD对治疗如辐射病、早产儿呼吸窘迫综合症、胶原病、肺气肿等疾病，及预防肿瘤等也有显著疗效。

4 SOD发展趋势

由于SOD天生专一抗氧化活性和自身结构性质的限制。目前，国内外专家对SOD性能的完善及改造研究始终是热门课题，主要集中在诸如SOD的模拟、结构性能的改造以及植物抗逆性等[18-19]的研究方面，不同程度上取得了成果。同时SOD在食品工业、日化工业以及医药业等方面占据了重要地位。但依旧存在着尚未解决的问题，如活性检测上的混乱、外源性SOD吸收性的质疑、更富稳定性的SOD模拟物的规模性生产[20-21]等，都是未来对于SOD研究的重点。

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（责任编辑 张杨林）

Research Progress on Comprehensive Utilization of Superoxide Dismutase

XU Hao-xi(Department of Chemical Engineering,Anhui Vocational and Technical College,Hefei,Anhui 230000)

Superoxide dismutase effective prevented active oxygen in vivo damaged to the body,by exclusive catalysis on disproportionation reaction of superoxide anion radicals.The classification,structure,properties, catalytic mechanism and activity and the utilization in the food industry,daily chemical industry, pharmaceutical and others of superoxide sismutase were described in detail.Moreover,the development trends were prospected.

Superoxide dismutase;Superoxide anion radicals;Activity;Utilization

Q544

A

2095-0896（2014）08-059-04

徐颢溪（1981-），女，安徽庐江人，讲师，硕士，从事生物化工研究。

2014-07-05