超氧化物歧化酶

超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，縮寫SOD）是一種能夠催化超氧化物通過歧化反應轉化為氧氣和過氧化氫的酶。它廣泛存在於各類動物、植物、微生物中，是一種重要的抗氧化劑，保護暴露於氧氣中的細胞。

## 催化反應

超氧化物歧化酶所催化的超氧化物的歧化反應可以分為兩步：

- 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)。

在此反應中，金屬離子M的氧化態在n和n+1之間來回變化。

## 分類

### 常用

Inter

超氧化物歧化酶由Irwin Fridovich和Joe M. McCord首次發現，先前它們被認為是幾個未知功能的金屬蛋白質。超氧化物歧化酶以多個常見形式存在：它們以銅和鋅、或錳、鐵、或鎳作為輔因子。

- 基本上所有的真核細胞的細胞內都含有帶有銅和鋅的超氧化物歧化酶（Cu-Zn-SOD）。例如，市場上銷售的從牛紅血球中純化的Cu-Zn-SOD，PDB 1SXA , EC 1.15.1.1。Cu-Zn-SOD是一個二聚體，分子式為C1358H2158O448N406S8Cu2Zn2，分子量為32,500。單個亞基的銅鋅的超氧化物歧化酶分子式為C679H1079O224N203S4CuZn。兩個亞基主要通過疏水和靜電相互作用結合在一起。銅和鋅則與活性位點上的組氨酸側鏈形成配位鍵，人類細胞外銅鋅超氧化物歧化酶化學式：(N-連接的（GlcNAc…）天冬醯胺糖鏈考慮Neu5Ac₂Gal₂GlcNAc₄Man₃GlcNAc₂)：C1142H1776O392N336S8CuZn。
- 幾乎所有的線粒體和許多細菌（如大腸桿菌）含有結合錳的超氧化物歧化酶（Mn-SOD）。例如，人類線粒體中的Mn-SOD，PDB 1N0J, EC 1.15.1.1。錳離子與三個組氨酸的側鏈、一個天冬氨酸的側鏈和一個水分子或羥基（取決於錳的氧化態）配位結合，Mn-SOD 的分子式為：C1008H1527O286N275S4Mn，考慮到翻譯後修飾（PTMs），人類錳超氧化物歧化酶（hMn-SOD）的分子式會受到以下因素的影響：硝化（Nitration）硝化作用主要發生在酪氨酸（Tyr）殘基上，通常通過增加 –NO₂ 基團（如在 Tyr34 上）。由於 hMn-SOD 僅有 8 個酪氨酸殘基，並非所有都會被硝化，因此可能添加 1–3 個 NO₂（影響氧含量）。乙醯化與去乙醯化（Acetylation & Deacetylation）主要影響 Lys122，增加或去除一個 C₂H₃O（乙醯基）。由於 SIRT3 可脫乙醯，分子式可能會有一個 C₂H₃O 的增減。泛素化（Ubiquitination）與去泛素化（Deubiquitination）泛素（Ub）是一種76個胺基酸的小蛋白，分子式 C₃₇₈H₆₂₉O₁₁₈N₁₀₅S。多泛素化可能意味著增加 n × Ub，但若被去泛素化，最終分子式不會包含泛素成分。
- 大腸桿菌和其他一些細菌還含有結合鐵的超氧化物歧化酶（Fe-SOD）結合鐵的超氧化物歧化酶分子式為：C₁₁₁₃H₁₆₉₇O₃₂₄N₂₈₇S₆Fe。一些細菌只含Fe-SOD，另一些只含Mn-SOD，還有一些則兩種都含有。例如，大腸桿菌中的Fe-SOD：PDB 1ISA , EC 1.15.1.1。Fe-SOD也被發現存在於植物的色素體中。Mn-SOD和Fe-SOD的活性位點具有同樣類型的胺基酸與金屬離子配位。
- 在高等植物中，不同形式的超氧化物歧化酶定位於不同的細胞區室中。Mn-SOD存在於線粒體和過氧化物酶體；Fe-SOD主要位於葉綠體，但在過氧化物酶體中也能夠被檢測到；CuZn-SOD則定位於原生質、葉綠體、過氧化物酶體和質外體（apoplast）中。
- 注釋：該條目中提到的SOD化學結構（比如分子式）是通過胺基酸序列表分析得出的，胺基酸序列和具體化學資訊由UniProt提供

### 人體中

人類SOD1酶的晶體結構（彩虹彩色圖：N-末端 = 藍色，C-末端 = 紅色）結合銅（藍-綠球）與鋅（灰球）。｜人類四聚體SOD3酶的晶體結構（卡通圖）結合銅與鋅負離子（各為橙色與灰色球）。

在人體中（與其他哺乳動物和大多數脊索動物相似），超氧化物歧化酶也含有三類：SOD1定位於細胞質中；SOD2位於線粒體；SOD3則位於細胞外。SOD1為二聚體，而其他兩類則為四聚體。SOD1和SOD3的活性位點含有銅和鋅，而SOD2則含有錳。它們的基因分別定位於21號、6號和4號染色體（21q22.1, 6q25.3 and 4p15.3-p15.1）。

## 生物化學性質

超氧化物歧化酶能夠清除超氧化物，保護細胞免受氧化損傷。超氧化物與非自由基的反應是自旋禁阻的。在生物學系統中，這就意味著它主要是與自身（歧化）或另一個生物學自由基（如一氧化氮）反應。超氧化物陰離子自由基（O2−）能夠較快地（在pH=7時，反應速度為~105 M−1 s−1）歧化為O2和過氧化氫（H2O2）。但超氧化物能夠與特定的分子（如NO自由基）以更快的速度反應，生成過氧亞硝酸根離子（O=N-O-O−），因此超氧化物歧化酶的催化作用就顯得尤為重要。而且，超氧化物的歧化反應與其初始濃度的平方相關，因此雖然高濃度的超氧化物半衰期很短（比如0.1mM濃度下為0.05秒），但低濃度的超氧化物的半衰期相當長（0.1nM濃度下可達14小時）。相比較而言，超氧化物歧化酶催化的歧化反應對於超氧化物初始濃度只是一級反應，並且在所有已知酶中具有最快的轉換數（與底物反應速率）（~7 x 109 M−1 s−1），因此反應速率的限制只是在於酶和超氧化物分子間的碰撞頻率，即反應速率是「擴散限制性」的。

## 生理學性質

超氧化物是細胞中主要的活性氧之一，因此超氧化物歧化酶發揮了關鍵的抗氧化劑的作用。超氧化物歧化酶具有重要的生理學作用，基因工程改造後的缺乏該酶的小鼠會患上嚴重的疾病。例如，缺乏SOD2的小鼠在出生後數天死於嚴重的氧化應激；缺乏SOD1的小鼠具有廣泛的病理特徵，包括肝細胞癌（hepatocellular carcinoma）、與年紀相關的肌肉的質量加速減少、白內障提早發生以及壽命減少；缺乏SOD3的小鼠不表現出任何明顯的缺陷並具有正常的壽命，然而它們更易於發生高氧損傷。敲除任何一種超氧化物歧化酶的小鼠更易於死於超氧化物生產的藥劑，如百草枯（paraquat）和敵草快（diquat）。

缺少SOD1的果蠅具有顯著縮短的壽命，而缺少SOD2的果蠅則在出生前就死去。在線蟲中敲除SOD不導致嚴重的生理學紊亂。SOD1的敲除或缺失突變對於釀酒酵母在無氧環境生長非常有害，並導致後二峰生長期（post-diauxic lifespan）的顯著縮短；而SOD2的敲除或缺失突變則會引起生長抑制並同樣減少後二峰生長期。

對於原核生物（包括大腸桿菌）中的SOD的缺失突變研究發現，缺少周質空間中的CuZnSOD會導致其毒性損失，因此SOD可能是新抗菌藥物的潛在靶標。

### 相關人類疾病

SOD1的突變可能導致家族性肌肉萎縮性側索硬化症（簡稱ALS，一種肌肉萎縮症）。SOD1的過量表達與唐氏綜合症相關。

## 用途

### 疾病治療

SOD已經被證明對於結腸炎具有高效的治療作用。用SOD治療可以降低自由氧的生成和氧化應激，因而抑制了內皮活化，並表明控制黏附分子表達和白細胞-內皮相互作用的調控因子，如抗氧化劑，可能是治療炎症性腸病的新方法。

## 口服補充劑的研究

來自Bacillus amyloliquefaciens的SOD口服補充效果已通過隨機對照試驗進行了評估。一項針對80名健康成人的8周安慰劑對照試驗表明，單次給藥顯著降低了急性有氧運動誘發的活性氧水平，並增強了內源性抗氧化酶活性。

另一項針對接受體外受精女性的隨機對照試驗發現，口服SOD 補充在12周內顯著提高了血清過氧化氫酶活性，提示抗氧化防禦功能得到改善。

### 化妝品

SOD也被用於製造化妝品，可用來清除能夠對皮膚造成損害的自由基，例如減少乳腺癌放療後的皮膚纖維化。SOD之所以可以對抗纖維化，可能是通過將肌成纖維細胞還原為成纖維細胞。

## 參見

- 過氧化氫酶：催化歧化反應產物過氧化氫生成水和氧氣。
- 辣根過氧化物酶（peroxidase）
- 絞股藍