De superoxide-dismutases ( SOD ) of superoxide-oxidoreductases zijn een familie van enzymen die alomtegenwoordig van aard zijn en waarvan de functie voornamelijk de aërobe organismen verdedigt tegen vrije zuurstofradicalen, vooral superoxide-anionische radicalen.
De reactie die deze enzymen katalyseren vindt plaats in vrijwel alle cellen die kunnen ademen (aëroob) en is essentieel voor hun overleving, aangezien het giftige vrije radicalen uit zuurstof verwijdert, zowel in eukaryoten als in prokaryoten.
Grafische weergave van een Cu-Zn Superoxide Dismutase (SOD) (Bron: Jawahar Swaminathan en MSD-personeel van het European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)
Veel ziekten bij dieren houden verband met de opeenhoping van verschillende reactieve zuurstofsoorten, en hetzelfde geldt voor planten, aangezien de omgeving talloze en constante soorten oxidatieve stress oplegt die worden overwonnen dankzij de activiteit van superoxide-dismutasen.
Deze groep enzymen werd in 1969 ontdekt door McCord en Fridovich en sindsdien is er aanzienlijke vooruitgang geboekt met betrekking tot deze enzymen en de reacties die ze in levende wezens katalyseren.
kenmerken
Superoxide-dismutasen reageren met zeer hoge snelheden met superoxide-radicalen, wat zich vertaalt in een zeer effectieve verdedigingslinie voor het verwijderen van deze moleculen.
Bij zoogdieren zijn ten minste drie isovormen beschreven voor superoxidedismutase, bekend als respectievelijk SOD1, SOD2 en SOD3.
Twee van deze isovormen hebben koper- en zinkatomen in hun katalytische centra en verschillen van elkaar in hun locatie: intracellulair (cytosolisch, SOD1 of Cu / Zn-SOD) of met extracellulaire elementen (EC-SOD of SOD3).
De SOD2- of Mn-SOD-isovorm heeft, in tegenstelling tot de vorige twee, een mangaanatoom als cofactor en de locatie lijkt beperkt te zijn tot de mitochondriën van aërobe cellen.
SOD1-iso-enzymen worden voornamelijk aangetroffen in het cytosol, hoewel ze ook zijn aangetroffen in het nucleaire compartiment en in lysosomen. SOD 3-iso-enzymen zijn daarentegen beschreven in menselijk bloedplasma, lymfe en cerebrospinale vloeistoffen.
Elk van deze isovormen wordt gecodeerd door verschillende genen, maar behoren tot dezelfde familie, en hun transcriptionele regulatie wordt in wezen gecontroleerd door extra- en intracellulaire condities, die verschillende interne signaalcascades veroorzaken.
Andere superoxide-dismutasen
Superoxide-dismutasen met katalytische plaatsen die koper- en zink- of mangaanionen bevatten, zijn niet uniek voor zoogdieren, ze zijn ook aanwezig in andere organismen, waaronder planten en bacteriën van verschillende klassen.
Er is een extra groep superoxidedismutasen, die niet bij zoogdieren worden aangetroffen en die gemakkelijk herkenbaar zijn, omdat ze op hun actieve plaats ijzer bevatten in plaats van een van de drie ionen die eerder zijn beschreven voor de andere klassen van superoxidedismutasen.
In E. coli is het ijzerhoudende superoxide-dismutase een periplasmatisch enzym dat ook verantwoordelijk is voor de detectie en eliminatie van vrije zuurstofradicalen die tijdens de ademhaling worden gegenereerd. Dit enzym is vergelijkbaar met dat in de mitochondriën van veel eukaryoten.
Planten hebben drie soorten enzymen: die welke koper en zink bevatten (Cu / Zn-SOD), die welke mangaan bevatten (Mn-SOD) en die welke ijzer (Fe-SOD) bevatten in hun actieve centrum en in deze organismen. ze oefenen functies uit die analoog zijn aan die van niet-plantaardige enzymen.
Reactie
De substraten van superoxide-dismutasen zijn superoxide-anionen, die worden weergegeven als O2- en zijn tussenverbindingen in het zuurstofreductieproces.
De reactie die ze katalyseren kan in grote lijnen worden gezien als de transformatie (dismutatie) van vrije radicalen om moleculaire zuurstof en waterstofperoxide te vormen, die worden afgegeven aan het medium of worden gebruikt als substraat voor respectievelijk andere enzymen.
Waterstofperoxide kan vervolgens uit cellen worden verwijderd dankzij de werking van een van de enzymen glutathionperoxidase en catalase, die ook belangrijke functies hebben bij celbescherming.
Structuur
De superoxide-dismutases-iso-enzymen bij mensen kunnen op bepaalde structurele aspecten van elkaar verschillen. Het isozym SOD1 heeft bijvoorbeeld een molecuulgewicht van 32 kDa, terwijl SOD2 en SOD3 homotetrameren zijn van respectievelijk 95 en 135 kDa molecuulgewicht.
De andere groep van superoxide-dismutasen, het Fe-SOD dat aanwezig is in planten en andere organismen dan zoogdieren, zijn dimere enzymen van identieke subeenheden, dat wil zeggen, het zijn homodimeren.
In sommige planten bevatten deze Fe-SOD een vermoedelijke N-terminale signaalsequentie voor transport naar chloroplasten en andere bevatten een C-terminale tripeptidesequentie voor transport naar peroxisomen, dus wordt aangenomen dat hun subcellulaire distributie is beperkt tot beide compartimenten.
De moleculaire structuur van de drie soorten superoxide-dismutase-enzymen bestaat in wezen uit alfa-helices en B-gevouwen vellen.
Kenmerken
Superoxide-dismutasen beschermen cellen, organen en lichaamsweefsels tegen de schade die vrije zuurstofradicalen kunnen veroorzaken, zoals lipideperoxidatie, eiwitdenaturatie en DNA-mutagenese.
Bij dieren kunnen deze reactieve soorten ook hartschade veroorzaken, veroudering versnellen en deelnemen aan de ontwikkeling van ontstekingsziekten.
Planten hebben ook de essentiële enzymatische activiteit van superoxidedismutase nodig, aangezien veel stressvolle omstandigheden in de omgeving oxidatieve stress verhogen, dat wil zeggen de concentratie van schadelijke reactieve soorten.
Bij mensen en andere zoogdieren hebben de drie isovormen die zijn beschreven voor superoxide-dismutase verschillende functies. Het SOD2-iso-enzym draagt bijvoorbeeld bij aan celdifferentiatie en tumorigenese en ook bij bescherming tegen door hyperoxie (verhoogde zuurstofconcentratie) geïnduceerde pulmonale toxiciteit.
Voor sommige soorten pathogene bacteriën functioneren SOD-enzymen als "virulentiefactoren" die hen in staat stellen om vele oxidatieve stressbarrières te overwinnen waarmee ze te maken kunnen krijgen tijdens het invasieproces.
Gerelateerde ziekten
Een afname in superoxide-dismutase-activiteit kan optreden als gevolg van verschillende factoren, zowel intern als extern. Sommige zijn gerelateerd aan directe genetische defecten in de genen die coderen voor SOD-enzymen, terwijl andere indirect gerelateerd kunnen zijn aan de expressie van regulerende moleculen.
Een groot aantal pathologische aandoeningen bij mensen houdt verband met SOD-enzymen, waaronder obesitas, diabetes, kanker en andere.
Met betrekking tot kanker is vastgesteld dat er een groot aantal soorten kankerachtige tumoren zijn die lage niveaus van elk van de drie superoxidedismutasen van zoogdieren (SOD1, SOD2 en SOD3) bezitten.
De oxidatieve stress die superoxide-dismutase-activiteit voorkomt, wordt ook in verband gebracht met andere gewrichtspathologieën zoals osteoartritis, reumatoïde artritis. Veel van deze ziekten hebben te maken met de expressie van factoren die de SOD-activiteit remmen, zoals factor TNF-α.
Referenties
- Fridovich, I. (1973). Superoxide Dismutases. Annu. Rev. Biochem. , 44, 147-159.
- Johnson, F., en Giulivi, C. (2005). Superoxide-dismutases en hun impact op de menselijke gezondheid. Molecular Aspects of Medicine, 26, 340-352.
- Oberley, LW en Bueftner, GR (1979). De rol van superoxidedismutase bij kanker: een overzicht. Cancer Research, 39, 1141-1149.
- Taylor, P., Bowler, C., Camp, W. Van, Montagu, M. Van, Inzé, D., & Asada, K. (2012). Superoxide-dissutase in planten. Critical Reviews in Plant Sciences, 13 (3), 37-41.
- Zelko, I., Mariani, T., & Folz, R. (2002). Superoxide dismutase Multigene Family: een vergelijking van de CuZn-SOD (SOD1), Mn-SOD (SOD2) en EC-SOD (SOD3) genstructuren, evolutie en expressie. Free Radical Biology & Medicine, 33 (3), 337-349.