Структура митохондриальной супероксиддисмутазы человека

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 Lactobacillus plantarum и родственные ей молочнокислые бактерии, использующие иной механизм защиты от образующегося супероксида.

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, 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, 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, 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 оксидативный 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 (2000). “A microtiter plate assay for superoxide dismutase using a water-soluble tetrazolium salt (WST-1)”. Clinica Chimica Acta. 293: 157—166..mw-parser-output cite.citationfont-style:inherit.mw-parser-output qquotes:"""""""'""'".mw-parser-output code.cs1-codecolor:inherit;background:inherit;border:inherit;padding:inherit.mw-parser-output .cs1-lock-free abackground:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/65/Lock-green.svg/9px-Lock-green.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center.mw-parser-output .cs1-lock-limited a,.mw-parser-output .cs1-lock-registration abackground:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d6/Lock-gray-alt-2.svg/9px-Lock-gray-alt-2.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center.mw-parser-output .cs1-lock-subscription abackground:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/aa/Lock-red-alt-2.svg/9px-Lock-red-alt-2.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center.mw-parser-output .cs1-subscription,.mw-parser-output .cs1-registrationcolor:#555.mw-parser-output .cs1-subscription span,.mw-parser-output .cs1-registration spanborder-bottom:1px dotted;cursor:help.mw-parser-output .cs1-hidden-errordisplay:none;font-size:100%.mw-parser-output .cs1-visible-errorfont-size:100%.mw-parser-output .cs1-subscription,.mw-parser-output .cs1-registration,.mw-parser-output .cs1-formatfont-size:95%.mw-parser-output .cs1-kern-left,.mw-parser-output .cs1-kern-wl-leftpadding-left:0.2em.mw-parser-output .cs1-kern-right,.mw-parser-output .cs1-kern-wl-rightpadding-right:0.2em
   


2. 
   Campana, F. (2004). “Topical superoxide dismutase reduces post-irradiation breast cancer ibrosis”. J. Cell. Mol. Med. 8 (1): 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.

Для улучшения этой статьи желательно: Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники, подтверждающие написанное.