Die Superoxiddismutasen ( SOD ) oder Superoxidoxidoreduktasen sind eine Familie von Enzymen, die in der Natur allgegenwärtig sind und deren Funktion darin besteht, die aeroben Organismen hauptsächlich gegen freie Sauerstoffradikale, insbesondere anionische Superoxidradikale, zu verteidigen.
Die Reaktion, die diese Enzyme katalysieren, findet in praktisch allen Zellen statt, die atmen können (aerob) und ist für ihr Überleben wesentlich, da sie sowohl in Eukaryoten als auch in Prokaryoten giftige freie Radikale aus dem Sauerstoff entfernen.
Grafische Darstellung einer Cu-Zn-Superoxid-Dismutase (SOD) (Quelle: Jawahar Swaminathan und MSD-Mitarbeiter am European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)
Viele Krankheiten bei Tieren hängen mit der Anreicherung verschiedener reaktiver Sauerstoffspezies zusammen, und dies gilt auch für Pflanzen, da die Umwelt zahlreiche und konstante Arten von oxidativem Stress auferlegt, die dank der Aktivität von Superoxiddismutasen überwunden werden.
Diese Gruppe von Enzymen wurde 1969 von McCord und Fridovich entdeckt und seitdem wurden erhebliche Fortschritte in Bezug auf diese Enzyme und die Reaktionen erzielt, die sie in Lebewesen katalysieren.
Eigenschaften
Superoxiddismutasen reagieren sehr schnell mit Superoxidradikalen, was sich in einer sehr wirksamen Verteidigungslinie für die Entfernung dieser Moleküle niederschlägt.
Bei Säugetieren wurden mindestens drei Isoformen für Superoxiddismutase beschrieben, die als SOD1, SOD2 bzw. SOD3 bekannt sind.
Zwei dieser Isoformen haben Kupfer- und Zinkatome in ihren katalytischen Zentren und unterscheiden sich in ihrer Lage voneinander: intrazellulär (cytosolisch, SOD1 oder Cu / Zn-SOD) oder mit extrazellulären Elementen (EC-SOD oder SOD3).
Die SOD2- oder Mn-SOD-Isoform hat im Gegensatz zu den beiden vorherigen ein Manganatom als Cofaktor und ihre Position scheint auf die Mitochondrien aerober Zellen beschränkt zu sein.
SOD1-Isoenzyme kommen hauptsächlich im Cytosol vor, obwohl sie auch im Kernkompartiment und in Lysosomen nachgewiesen wurden. SOD 3-Isoenzyme wurden andererseits in menschlichem Blutplasma, Lymphe und cerebrospinalen Flüssigkeiten beschrieben.
Jede dieser Isoformen wird von verschiedenen Genen codiert, gehört jedoch zur selben Familie, und ihre Transkriptionsregulation wird im Wesentlichen durch extra- und intrazelluläre Bedingungen gesteuert, die unterschiedliche interne Signalkaskaden auslösen.
Andere Superoxiddismutasen
Superoxiddismutasen mit katalytischen Stellen, die Kupfer- und Zink- oder Manganionen besitzen, sind nicht nur bei Säugetieren vorhanden, sondern auch in anderen Organismen, einschließlich Pflanzen und Bakterien verschiedener Klassen.
Es gibt eine zusätzliche Gruppe von Superoxiddismutasen, die in Säugetieren nicht gefunden werden und leicht erkennbar sind, da sie in ihrem aktiven Zentrum Eisen anstelle eines der drei zuvor für die anderen Klassen von Superoxiddismutasen beschriebenen Ionen enthalten.
In E. coli ist die eisenhaltige Superoxiddismutase ein periplasmatisches Enzym, das auch für den Nachweis und die Eliminierung von freien Sauerstoffradikalen verantwortlich ist, die während der Atmung erzeugt werden. Dieses Enzym ähnelt dem in den Mitochondrien vieler Eukaryoten.
Pflanzen haben die drei Arten von Enzymen: solche, die Kupfer und Zink (Cu / Zn-SOD) enthalten, solche, die Mangan (Mn-SOD) enthalten, und solche, die Eisen (Fe-SOD) in ihrem aktiven Zentrum und in diesen Organismen enthalten. Sie üben analoge Funktionen wie nicht-pflanzliche Enzyme aus.
Reaktion
Die Substrate von Superoxiddismutasen sind Superoxidanionen, die als O2- dargestellt werden und Zwischenverbindungen im Sauerstoffreduktionsprozess sind.
Die Reaktion, die sie katalysieren, kann allgemein als Umwandlung (Dismutation) freier Radikale unter Bildung von molekularem Sauerstoff und Wasserstoffperoxid angesehen werden, die in das Medium freigesetzt oder als Substrat für andere Enzyme verwendet werden.
Wasserstoffperoxid kann anschließend dank der Wirkung eines der Enzyme Glutathionperoxidase und Katalase, die ebenfalls wichtige Funktionen beim Zellschutz haben, aus den Zellen eliminiert werden.
Struktur
Die Superoxiddismutasen-Isoenzyme beim Menschen können sich in bestimmten strukturellen Aspekten voneinander unterscheiden. Beispielsweise hat das SOD1-Isoenzym ein Molekulargewicht von 32 kDa, während SOD2 und SOD3 Homotetramere mit einem Molekulargewicht von 95 bzw. 135 kDa sind.
Die andere Gruppe von Superoxiddismutasen, die Fe-SODs, die in anderen Pflanzen und Organismen als Säugetieren vorhanden sind, sind dimere Enzyme mit identischen Untereinheiten, dh sie sind Homodimere.
In einigen Pflanzen enthalten diese Fe-SOD eine mutmaßliche N-terminale Signalsequenz für den Transport in Chloroplasten und andere enthalten eine C-terminale Tripeptidsequenz für den Transport zu Peroxisomen, so dass angenommen wird, dass ihre subzelluläre Verteilung ist beschränkt auf beide Fächer.
Die Molekülstruktur der drei Arten von Superoxiddismutaseenzymen besteht im Wesentlichen aus Alpha-Helices und B-gefalteten Schichten.
Eigenschaften
Superoxiddismutasen schützen Zellen, Organe und Körpergewebe vor Schäden, die freie Sauerstoffradikale verursachen können, wie Lipidperoxidation, Proteindenaturierung und DNA-Mutagenese.
Bei Tieren können diese reaktiven Spezies auch Herzschäden verursachen, das Altern beschleunigen und an der Entwicklung entzündlicher Erkrankungen beteiligt sein.
Pflanzen benötigen auch die essentielle enzymatische Aktivität der Superoxiddismutase, da viele Stressbedingungen in der Umwelt den oxidativen Stress erhöhen, dh die Konzentration schädlicher reaktiver Spezies.
Bei Menschen und anderen Säugetieren haben die drei für Superoxiddismutase beschriebenen Isoformen unterschiedliche Funktionen. Das SOD2-Isoenzym ist beispielsweise an der Zelldifferenzierung und Tumorentstehung sowie am Schutz gegen durch Hyperoxie (erhöhte Sauerstoffkonzentration) induzierte Lungentoxizität beteiligt.
Bei einigen Arten pathogener Bakterien fungieren SOD-Enzyme als "Virulenzfaktoren", die es ihnen ermöglichen, viele Barrieren für oxidativen Stress zu überwinden, denen sie während des Invasionsprozesses begegnen können.
Verwandte Krankheiten
Eine Abnahme der Superoxiddismutase-Aktivität kann aufgrund verschiedener interner und externer Faktoren auftreten. Einige hängen mit direkten genetischen Defekten in den Genen zusammen, die für SOD-Enzyme kodieren, während andere indirekt sein können und mit der Expression von regulatorischen Molekülen zusammenhängen.
Eine große Anzahl von pathologischen Zuständen beim Menschen hängt mit SOD-Enzymen zusammen, einschließlich Fettleibigkeit, Diabetes, Krebs und anderen.
In Bezug auf Krebs wurde festgestellt, dass es eine große Anzahl von Krebstumortypen gibt, die geringe Mengen einer der drei Superoxiddismutasen von Säugetieren (SOD1, SOD2 und SOD3) besitzen.
Der oxidative Stress, den die Superoxiddismutase-Aktivität verhindert, ist auch mit anderen Gelenkpathologien wie Arthrose und rheumatoider Arthritis verbunden. Viele dieser Krankheiten haben mit der Expression von Faktoren zu tun, die die SOD-Aktivität hemmen, wie z. B. Faktor TNF-α.
Verweise
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