Superoxiddismutáza
EC 1.15.1.1
CAS
9054-89-1
Systematický
název: superoxid:superoxid oxidoreduktasa
Synonyma:
SOD, superoxiddismutáza I, superoxiddismutáza II, cuprein, cytocuprein,
hepatocuprein, erythrocuprein
Je to enzym,
zajišťující odstranění nejběžnějšího volného radikálu, superoxidu (O2.-).
Superoxid sám není příliš reaktivní a tedy ani škodlivý. Spontánně se tzv.
dismutací přeměňuje na peroxid vodíku. Nebezpečí superoxidu tkví v tom, že
z něj mohou vznikat další, mnohem škodlivější reaktivní formy kyslíku –
mimo již zmíněný peroxid vodíku i hydroxylový radikál, peroxynitrit či kyselina
chlorná. Nejnebezpečnější z těchto produktů – hydroxylový radikál má tak
krátký biologický poločas (10-9 s), že nemůže existovat účinný
mechanismus k jeho odstranění. Proto se živé organismy orientovaly na
„prevenci“ s cílem odstranit přebytečný superoxid a tak zabránit vzniku
hydroxylového radikálu. Enzym superoxiddismutáza (SOD) urychluje dismutaci
superoxidu o čtyři řády:
2 O2.- + 2 H+ ®
H2O2
+ O2
Je
samozřejmé, že i vzniklý peroxid vodíku musí být účinně odstraňován; zde se
uplatňují navazující reakce katalyzované katalázou a peroxidázami.
Superoxiddismutáza je obsažena ve
všech aerobních organismech. Rozeznáváme tři druhy SOD, lišící se kofaktorem;
tím je vždy atom kovu, hrající roli v katalytickém účinku enzymu
(Bannister et al. 1987).
1. Mn2+SOD a Fe2+SOD
mají podjednotky o molekulové hmotnosti 23 kDa. FeSOD se nachází
v dimerické formě, MnSOD existuje jako dimer i jako tetramer. Každá
z podjednotek váže jeden kovový atom. Všechna prokaryota obsahují MnSOD
a/nebo FeSOD. Oba z těchto enzymů najdeme i v prokaryotických řasách
a protozoích.
2. Cu2+/Zn2+SOD
je enzym dimerické struktury o celkové molekulové hmotnosti 32 kDa, zcela
odlišný od Mn či FeSOD. Každá z podjednotek obsahuje po jednom atomu obou
kovů; měď slouží jako redoxní centrum, zinek má strukturní úlohu.
Cu/ZnSOD se
vyvinula ve fylogenezi později a nachází se v buňkách vyšších
eukaryotických organismů – rostlin i živočichů. U člověka ho najdeme např.
v hepatocytch, mozku a erytrocytech, a to v cytoplazmě.
Cu/ZnSOD různých obratlovců vykazuje vysoký stupeň homologie. Vyšší eukaryota
obsahují navíc i MnSOD, která je lokalizována v mitochondriích.
Jedná se tedy vlastně o dvě zcela odlišné molekuly se stejnou katalytickou
funkcí, která se uplatňují v různých buněčných kompartmentech. Rostliny
obsahují SOD i v chloroplastech; jedná se o typ Cu/ZnSOD (Bray et al.).
Oxidační
stres, doprovázený tvorbou superoxidu, vyvolává indukci syntézy SOD (Bannister et
al. 1987); záleží přitom na subcelulární lokalizaci produkce VR, který typ
SOD reaguje zvýšenou syntézou.
Chybění
aktivity SOD má pro
postižený organismus závažné následky; to svědčí o významu tohoto enzymu.
Mutanty bakterií Escherichia coli (Carlioz a Tonati 1986) a kvasinek
(van Loon et al. 1986) jevily zvýšenou citlivost ke kyslíku. U člověka
vede deficit Cu/ZnSOD k těžkému postižení motorických neuronů
v mozkové kůře a míše. Ty v průběhu několika let degenerují a nemocný
umírá následkem postižení neuronů dechového svalstva, obvykle na pneumonii.
Onemocnění se dědí autosomálně dominantně a je známo pod názvem amyotrofická
laterální skleróza (Hosler a Brown 1995).
Snížená
aktivita SOD byla
popsána např. u některých hemodialyzovaných nemocných; může se na ní podílet
např. inhibice enzymu hliníkem (Hasanoglu et al. 1994). Pokles aktivity
tohoto enzymu ve stáří je součástí celkového oslabení antioxidační ochrany.
Zvýšená
aktivita Cu/ZnSOD
ve tkáních doprovází četná tzv. onemocnění z volných radikálů. Zvýšená
tvorba superoxidu vede totiž ke stimulaci syntézy enzymu. Tak je tomu např. u
nemocných se sklerotickým postižením cév, revmatoidní artritidou (Racek et
al. 1999) či hyperlipoproteinémií (Steinerová et al. 1995) dále u
diabetiků aj. Zvýšení MnSOD v séru alkoholiků svědčí o oxidačním stresu u
těchto osob (Thome et al. 1997).
Superoxiddismutáza
se může podat i jako léčebný přípravek. Její intraartikulární aplikace u
nemocných s revmatoidní artritidou snižuje zánětlivé projevy
v kloubu. SOD podaná intravenózně je díky své malé molekule rychle
odstraňována ledvinami a má poločas eliminace pouhých 5 minut. Vazbou
rekombinantní SOD na makromolekulární nosič (např. polyetylénglykol) byl
vytvořen komplex, který se udrží v cirkulaci mnohem déle a může pak
vykázat příznivý účinek. Intravenózní podání SOD příjemci transplantované
ledviny vedlo ke snížení reperfúzního poškození transplantovaného orgánu a jeho
lepší funkci (Schneeberger et al. 1990). Zkoušela se i aplikace u
bronchopulmonální dysplazie a k odstranění nežádoucích účinků aktinoterapie
Gen řídící
tvorbu Cu/ZnSOD se nachází na 21. chromosomu. Potvrdil se předpoklad, že u
nemocných s trisomií 21. chromozomu (Downův syndrom) bude aktivita SOD
v erytrocytech asi o 50 % vyšší než u zdravých osob (Porstman et al.
1991). Analogicky se poloviční aktivita enzymu nachází u dětí s monosomií
21. chromosomu; onemocnění je doprovázeno poruchami vývoje skeletu a srdečními
vadami.
Zvýšení
aktivity Cu/ZnSOD a MnSOD ve tkáních rostlin pomocí genetického inženýrství
nebo selekcí jedinců se zvýšenou aktivitou enzymu (Bowler et al. 1992)
však vedlo k vyšší odolnosti k oxidačnímu stresu jen v některých
případech.
Literatura
·
Aebi
H.: Catalase. In: Bergmayer H. U. (ed.): Methods of Enzymatic Analysis, vol. 2,
Verlag Chemie, Academic Press, Inc., New York, San Francisco, London, 1974, s.
673-684.
·
Babior,
B. M.: Superoxide: a two-edged sword. Braz. J. Med. Biol. Res., 20, 1997, s.
141-155.
·
Bannister,
J. V., Bannister, W. H., Rotilio, G.: Aspects of the structure, function, and
applications of superoxide dismutase. CRC Crit. Rev. Biochem., 22, 1987, č. 2,
s. 111-180.
·
Bowler,
C., Van Montagu, M., Inzé, D.: Superoxide dismutase and stress tolerance. Ann.
Rev. Plant Physiol. Mol. Biol., 43, 1995, s. 83-116.
·
Bray,
R. C., Cockle,, S. A., Fielden, E. M., Roberts, P. B., Rotilio, G., Calabrese,
I.: Reduction and inactivation of superoxide dismutase by hydrogen peroxide.
Biochem. J., 139, 1974, s. 43-48.
·
Cardoso,
S. M., Pereira, C., Oliveira, C. R.: The protective effect of vitamin E,
idebenone and reduced glutathione on free radical mediated injury in rat brain
synaptosomes. Biochem. Biophys. Res. Commun., 246, 1998, č. 3, s. 703-710.
·
Carlioz
A., Touati D.: Isolation of superoxide dismutase mutants in Escherichia coli:
is superoxide dismutase necessary for anaerobic life? EMBO J., 5, 1986, č. 3,
s. 623-630.
·
Fenton, H. J. H.:
Oxidation of tartaric acid in the presence of iron. J. Chem. Soc., 65, 1894, s.
899-910.
·
Cohen,
H. J., Chovaniec, M. E., Mitretta, D., Baker, S. S.: Selenium repletion and
glutathione peroxidase - differential effects on plasma and red blood cell
enzyme activity. Am. J. Clin. Nutr., 41, 1985, s. 735-747.
·
Gaetani,
G. F., Ferraris, A. M., Rolfo, M., Mangerini, R., Arena, S., Kirkman, H. N.:
Predominant role of catalase in the disposal of hydrogen peroxide within human
erythrocytes. Blood, 87, 1996, s. 1595-1599.
·
Hasanoglu,
E., Altan, N., Sindel, S., Ongun, C. O., Bali, M., Altintass, E.: The
relationship between erythrocyte superoxide dismutase activity and plasma
levels of some trace elements (Al, Cu, Zn) of dialysis patients. Gen. Pharm.,
25, 1994, č. 1, s. 107-110.
·
Henderson,
A., Hayes, P.: Acetylcysteine as a cytoprotective antioxidant in patients with
severe sepsis: potential new use for an old drug. Ann. Pharmacother., 28, 1994,
č. 9, s. 1086-1088.
·
Holeček,
V., Racek, J.,Jeschke, J., Zima, T., Krejčová, I.: Einfluss von Vitaminen,
Mineralstoffen und spurenelementen auf ausgewählte biochemische und
spiroergometri-sche parameter bei Rauchern. Erfarungsheilkunde, 1997, č. 10, s.
590-598.
·
Hosler,
B. A., Brown, R. H. Jr.: Copper-zink superoxide dismutase mutations and free
radical damage in amyotrophic lateral sclerosis. Adv. Neurol., 68, 1995, s.
41-46.
·
Jain,
K. J., McVie, R.: Effect of glycemic control, race (white versus black), and
duration of diabetes on reduced glutathione content in erythrocytes of diabetic
patients. Metabolism, 43, 1994, č. 3, s. 306-309.
·
Jenner,
P.: Altered mitochondrial function, iron metabolism and glutathione levels in
Parkinson´s disease. Acta Neurol. Scand., 146, 1993, Suppl., s. 6-13.
·
Leichtweis,
S. B., Leewenburgh, C., Parmelee, D. J., Fiebig, R., Ji, L. L.: Rigorous swim
training impairs mitochondrial function in post-ischaemic rat heart. Acta
Physiol. Scand., 160, 1997, č. 2, s. 139-148.
·
Maddipati,
K. R., Gasparski, C., Marnett, L. J.: Characterization of the
hydroperoxide-reducing activity of human plasma. Arch. Biochem. Biophys., 254,
1987, s. 9-17.
·
Michiels, C., Raes, M.,
Toussaint, O., Remack, J.: Importance of Se-glutathione peroxidase, catalase
and Cu/Zn-SOD for cell survival against oxidative stress. Free Radic. Biol.
Med., 17, 1994 s. 235-248.
·
Porstmann,
T., Wietscke, R., Cobet, G., Stamminger, G., Bollmann, R., Rogalski, V.,
Pas, P.: Cu/Zn superoxide dismutase quantification from fetal erythrocytes - an
efficient confirmatory test for Down¢s syndrome after maternal serum
screening and sonographic investigations. Prenat. Diag., 11, 1991, s. 295-303.
·
Racek,
J., Eiselt, J., Holeček, V., Krejčová, I.:
Extra- and intracellular antioxidative defence in patients under regular
dialysis treatment. XVI. International Congress of Clinical Chemistry, London (UK),
7. – 12. 7. 1996.
·
Racek,
J., Kučera, M., Holeček, V., Trefil, L., Pašek, Z.: Vliv suplementace vitaminy
a stopovými prvky na ukazatele antioxidační ochrany u nemocných
s revmatickými chorobami. Klin. Biochem. Metab., 7, 1999, č. 4, s.
239-242.
·
Roth, E.,
Torok, B., Kelemen, D., Pollak, S.: Free radical mediated injuries after
coronary artery occlusion. Basic Res. Cardiol., 84, 1989, č. 4, 388-395.
·
Schneeberger,
H., Schleibner, S., Schilling, M., Illner, W. D., Abendroth, D., Hancke, E.,
Janicke, U., Land, W.: Prevention of acute renal failure after kidney
transplantation by treatment with rh-SOD: interim analysis of a double-blind
placebo-controlled trial. Transplant. Proc., 22, 1990, č. 5, s. 2224-2225.
·
Speat,
N., Aust, S. D.: Effects of glutathione on Fenton reagent-dependent radical
production and DNA oxidation. Arch. Biochem. Biophys., 324, 1995, č. 1, s.
111-116.
·
Steinerová,
A., Racek, J., Holeček, V.: Účinek podávání
fenofibratu (Lipanthyl 100) a alfa-tokoferolu (vitamin E) na hladinu
lipidů a aktivitu superoxiddismutasy. Klin. Biochem. Metab., 3, 1995, č. 2, s.
106-108.
·
Štípek,
S.: Antioxidanty a volné radikály ve zdraví a nemoci. Grada-Avicenum, Praha,
2000, ISBN 80-7169-704-4.
·
Thomas,
S. R., Neuzil, J., Mohr, D., Stocker, R.: Coantioxidants make alpha-tocopherol
an efficient antioxidant for low density lipoprotein. Am. J. Clin. Nutr., 62,
1995, Suppl. 6, s. 1357S-1364S.
·
Thome,
J., Foley, P., Gsell, W., Davids, E., Wodarz, N., Wiesbeck, G. A., Böning, J., Riederer, P.: Increased
concentrations of manganese superoxide dismutase in serum of alcohol-dependent
patients. Alcohol Alcoholism, 32, 1997, č, 1, s. 65-69.
·
Ursini,
F., Maiorino, M., Valenta, M., Ferri, L., Gregolin, C.: Purification from pig
liver of a protein which protects liposomes and biomembranes from peroxidative
degradation and exhibits glutathione peroxidase activity on phosphatidylcholine
hydroperoxides. Biochim. Biophys. Acta, 710, 1982, s. 197-211.
·
van
Loon, A. P. G. M., Pesold-Hurt, B., Schatz, G.: A yeast mutant lacking
mitochondrial manganese-superoxide dismutase is hypersensitive to oxygen. Proc.
Natl. Acad. Sci. USA, 83, 1986, s. 3820-3824.
·
Weinstein,
T., Chagnac, A., Korzets, A., Boaz, M., Ori, Y., Herman, M., Malachi, T.,
Gafter, U.: Haemolysis in haemodialysis patients: evidence for impaired defence
mechanisms against oxidative stress. Nephrol. Dial. Transplant., 15, 2000, č.
6, s. 883-887.
Další informace:
Jaroslav Racek