超氧化物歧化酶

超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，缩写SOD）是一种能够催化超氧化物通过歧化反应转化为氧气和过氧化氢的酶。它广泛存在于各类动物、植物、微生物中，是一种重要的抗氧化剂，保护暴露于氧气中的细胞。

## 催化反应

超氧化物歧化酶所催化的超氧化物的歧化反应可以分为两步：

- M(n+1)+ − SOD + O2− → Mn+ − SOD + O2
- Mn+ − SOD + O2− + 2H+ → M(n+1)+ − SOD + H2O2.

其中，M可以表示Cu (n=1)；Mn (n=2)；Fe (n=2)；Ni (n=2)。

在此反应中，金属离子M的氧化态在n和n+1之间来回变化。

## 分类

### 常用

Inter

超氧化物歧化酶由Irwin Fridovich和Joe M. McCord首次发现，先前它们被认为是几个未知功能的金属蛋白质。超氧化物歧化酶以多个常见形式存在：它们以铜和锌、或锰、铁、或镍作为辅因子。

- 基本上所有的真核细胞的细胞内都含有带有铜和锌的超氧化物歧化酶（Cu-Zn-SOD）。例如，市场上销售的从牛红血球中纯化的Cu-Zn-SOD，PDB 1SXA , EC 1.15.1.1。Cu-Zn-SOD是一个二聚体，分子式为C1358H2158O448N406S8Cu2Zn2，分子量为32,500。单个亚基的铜锌的超氧化物歧化酶分子式为C679H1079O224N203S4CuZn。两个亚基主要通过疏水和静电相互作用结合在一起。铜和锌则与活性位点上的组氨酸侧链形成配位键，人类细胞外铜锌超氧化物歧化酶化学式：(N-连接的（GlcNAc…）天冬酰胺糖链考虑Neu5Ac₂Gal₂GlcNAc₄Man₃GlcNAc₂)：C1142H1776O392N336S8CuZn。
- 几乎所有的线粒体和许多细菌（如大肠杆菌）含有结合锰的超氧化物歧化酶（Mn-SOD）。例如，人类线粒体中的Mn-SOD，PDB 1N0J, EC 1.15.1.1。锰离子与三个组氨酸的侧链、一个天冬氨酸的侧链和一个水分子或羟基（取决于锰的氧化态）配位结合，Mn-SOD 的分子式为：C1008H1527O286N275S4Mn，考虑到翻译后修饰（PTMs），人类锰超氧化物歧化酶（hMn-SOD）的分子式会受到以下因素的影响：硝化（Nitration）硝化作用主要发生在酪氨酸（Tyr）残基上，通常通过增加 –NO₂ 基团（如在 Tyr34 上）。由于 hMn-SOD 仅有 8 个酪氨酸残基，并非所有都会被硝化，因此可能添加 1–3 个 NO₂（影响氧含量）。乙酰化与去乙酰化（Acetylation & Deacetylation）主要影响 Lys122，增加或去除一个 C₂H₃O（乙酰基）。由于 SIRT3 可脱乙酰，分子式可能会有一个 C₂H₃O 的增减。泛素化（Ubiquitination）与去泛素化（Deubiquitination）泛素（Ub）是一种76个氨基酸的小蛋白，分子式 C₃₇₈H₆₂₉O₁₁₈N₁₀₅S。多泛素化可能意味着增加 n × Ub，但若被去泛素化，最终分子式不会包含泛素成分。
- 大肠杆菌和其他一些细菌还含有结合铁的超氧化物歧化酶（Fe-SOD）结合铁的超氧化物歧化酶分子式为：C₁₁₁₃H₁₆₉₇O₃₂₄N₂₈₇S₆Fe。一些细菌只含Fe-SOD，另一些只含Mn-SOD，还有一些则两种都含有。例如，大肠杆菌中的Fe-SOD：PDB 1ISA , EC 1.15.1.1。Fe-SOD也被发现存在于植物的色素体中。Mn-SOD和Fe-SOD的活性位点具有同样类型的氨基酸与金属离子配位。
- 在高等植物中，不同形式的超氧化物歧化酶定位于不同的细胞区室中。Mn-SOD存在于线粒体和过氧化物酶体；Fe-SOD主要位于叶绿体，但在过氧化物酶体中也能够被检测到；CuZn-SOD则定位于原生质、叶绿体、过氧化物酶体和质外体（apoplast）中。
- 注释：该条目中提到的SOD化学结构（比如分子式）是通过氨基酸序列表分析得出的，氨基酸序列和具体化学信息由UniProt提供

### 人体中

人类SOD1酶的晶体结构（彩虹彩色图：N-末端 = 蓝色，C-末端 = 红色）结合铜（蓝-绿球）与锌（灰球）。｜人类四聚体SOD3酶的晶体结构（卡通图）结合铜与锌负离子（各为橙色与灰色球）。

在人体中（与其他哺乳动物和大多数脊索动物相似），超氧化物歧化酶也含有三类：SOD1定位于细胞质中；SOD2位于线粒体；SOD3则位于细胞外。SOD1为二聚体，而其他两类则为四聚体。SOD1和SOD3的活性位点含有铜和锌，而SOD2则含有锰。它们的基因分别定位于21号、6号和4号染色体（21q22.1, 6q25.3 and 4p15.3-p15.1）。

## 生物化学性质

超氧化物歧化酶能够清除超氧化物，保护细胞免受氧化损伤。超氧化物与非自由基的反应是自旋禁阻的。在生物学系统中，这就意味着它主要是与自身（歧化）或另一个生物学自由基（如一氧化氮）反应。超氧化物阴离子自由基（O2−）能够较快地（在pH=7时，反应速度为~105 M−1 s−1）歧化为O2和过氧化氢（H2O2）。但超氧化物能够与特定的分子（如NO自由基）以更快的速度反应，生成过氧亚硝酸根离子（O=N-O-O−），因此超氧化物歧化酶的催化作用就显得尤为重要。而且，超氧化物的歧化反应与其初始浓度的平方相关，因此虽然高浓度的超氧化物半衰期很短（比如0.1mM浓度下为0.05秒），但低浓度的超氧化物的半衰期相当长（0.1nM浓度下可达14小时）。相比较而言，超氧化物歧化酶催化的歧化反应对于超氧化物初始浓度只是一级反应，并且在所有已知酶中具有最快的转换数（与底物反应速率）（~7 x 109 M−1 s−1），因此反应速率的限制只是在于酶和超氧化物分子间的碰撞频率，即反应速率是“扩散限制性”的。

## 生理学性质

超氧化物是细胞中主要的活性氧之一，因此超氧化物歧化酶发挥了关键的抗氧化剂的作用。超氧化物歧化酶具有重要的生理学作用，基因工程改造后的缺乏该酶的小鼠会患上严重的疾病。例如，缺乏SOD2的小鼠在出生后数天死于严重的氧化应激；缺乏SOD1的小鼠具有广泛的病理特征，包括肝细胞癌（hepatocellular carcinoma）、与年纪相关的肌肉的质量加速减少、白内障提早发生以及寿命减少；缺乏SOD3的小鼠不表现出任何明显的缺陷并具有正常的寿命，然而它们更易于发生高氧损伤。敲除任何一种超氧化物歧化酶的小鼠更易于死于超氧化物生产的药剂，如百草枯（paraquat）和敌草快（diquat）。

缺少SOD1的果蝇具有显著缩短的寿命，而缺少SOD2的果蝇则在出生前就死去。在线虫中敲除SOD不导致严重的生理学紊乱。SOD1的敲除或缺失突变对于酿酒酵母在无氧环境生长非常有害，并导致后二峰生长期（post-diauxic lifespan）的显著缩短；而SOD2的敲除或缺失突变则会引起生长抑制并同样减少后二峰生长期。

对于原核生物（包括大肠杆菌）中的SOD的缺失突变研究发现，缺少周质空间中的CuZnSOD会导致其毒性损失，因此SOD可能是新抗菌药物的潜在靶标。

### 相关人类疾病

SOD1的突变可能导致家族性肌肉萎缩性侧索硬化症（简称ALS，一种肌肉萎缩症）。SOD1的过量表达与唐氏综合症相关。

## 用途

### 疾病治疗

SOD已经被证明对于结肠炎具有高效的治疗作用。用SOD治疗可以降低自由氧的生成和氧化应激，因而抑制了内皮活化，并表明控制黏附分子表达和白细胞-内皮相互作用的调控因子，如抗氧化剂，可能是治疗炎症性肠病的新方法。

## 口服补充剂的研究

来自Bacillus amyloliquefaciens的SOD口服补充效果已通过随机对照试验进行了评估。一项针对80名健康成人的8周安慰剂对照试验表明，单次给药显著降低了急性有氧运动诱发的活性氧水平，并增强了内源性抗氧化酶活性。

另一项针对接受体外受精女性的随机对照试验发现，口服SOD 补充在12周内显著提高了血清过氧化氢酶活性，提示抗氧化防御功能得到改善。

### 化妆品

SOD也被用于制造化妆品，可用来清除能够对皮肤造成损害的自由基，例如减少乳腺癌放疗后的皮肤纤维化。SOD之所以可以对抗纤维化，可能是通过将肌成纤维细胞还原为成纤维细胞。

## 参见

- 过氧化氢酶：催化歧化反应产物过氧化氢生成水和氧气。
- 辣根过氧化物酶（peroxidase）
- 绞股蓝