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类SOD的鉴别及研究进展

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发表时间:2020-06-12 10:07
类SOD的鉴别及研究进展
袁勤生
(华东理工大学生物工程学院,上海 200237)
       摘   要:本文综述了近年类SOD的研究进展,其内容主要包括类SOD的鉴别、抗氧酶和抗氧剂的抗氧化作用。类SOD的应用研究主要有抗肿瘤作用、免疫作用、抗辐射、抗衰老、抗疲劳等。
关键词:类SOD;抗氧化作用;活性鉴别;植物抗氧剂
中图分类号:R977.3        文献标识码:A        文章编号:1672-979X(2011)09-0351-04
Progress in Identification and Research of SOD-like Activity
YUAN Qin-sheng
(School of Biotechnology, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)
       Abstract:   The article reviews the recent progress in SOD-like activity, including the identification of SOD-like activity, antioxidation of antioxidative enzymes and antioxidants. The application research of SOD-like activity mainly involves antitumor, immune function, antiradiation, antiaging, antifatigue, and so on.
Key Words: SOD-like activity; antioxidation; identification of activity; plant antioxidant
       有一种说法,SOD有两种,一种是大分子SOD,一种是小分子SOD。这种说法显然是不对的,因为SOD是生物酶,其化学本质是蛋白质,蛋白质是生物大分子,故SOD不可能是小分子化合物。但自然界确实存在一类小分子化合物,其中大部分是天然抗氧剂,如维生素C等水溶性维生素、植物中多酚类化合物、食品中黄酮类物质等,它们也能歧化O2•-,显示出SOD活性;为了有别于大分子SOD,我们将这类小分子化合物称为类SOD活性样化合物(compounds with SOD activity),简称类SOD(SOD like activity,SOD-L)[1]。类SOD提法在学术界尚有争议,更多的人是对这种提法不了解。其实这种提法在国际学术界早已有之,最早由日本学者提出,他们在研究和开发植物SOD时常用此名。我国最早提出的是汕头大学张尔贤教授,他们在开发植物SOD和海洋活性物质时提出了类SOD概念。笔者认为,类SOD提法有一定的科学性,但在实际应用中需规范和科学化,尤其在检测类SOD活性上。
1   SOD和类SOD的定义及鉴别[1]
       SOD是英文superoxide   dismutase的缩写,中文称作超氧化物歧化酶,其化学本质为蛋白质。SOD属金属酶类,有2个亚基,相对分子质量约32 000(Cu,Zn-SOD)。人们已从动物、植物和微生物中分离得到SOD。类SOD来源与SOD十分类似,它是一类具有SOD活性,但不是生物酶的小分子化合物,其中大部分是天然抗氧剂。SOD和类SOD在功能上有一共同特点,即都能清除自由基,催化O2•-发生歧化反应。区分SOD与类SOD最简单的方法有3种:(1)用蛋白质沉淀剂做出定性判断,如出现浑浊和沉淀为SOD,无混浊和沉淀为类SOD;(2)透析检验,透析后仍有活性为SOD,反之为类SOD;(3)加热处理,将样品100 ℃加热10 min,加热前有活性,加热后无活性则样品应为SOD,因为SOD加热会失活。区分的主要依据是判别是否为蛋白质,因为SOD的化学本质为蛋白质。
2 含SOD和类SOD的植物资源[2-3]
       国内大量文献报道利用多种产生O2•-的模型考察和筛选天然植物,包括中草药植物资源、水果蔬菜资源、谷物资源和海洋植物资源。研究表明:
       (1)含SOD和类SOD活性的植物资源相当丰富,从低等的藻类到高等的植物,不同来源,不同科属种,不同器官(包括茎、叶、花、果实、果仁等),不同组织(线粒体、胞质、叶绿体等)以及植物细胞的不同组分(如黄酮类、双酯类、色素、糖肽、酚类以及多种混合成分)都存在SOD和类SOD活性;
       (2)由于SOD是在迄今发现的所有酶中唯一能歧化O2•-的大分子清除剂,故只要建立释放O2•-的体外模型筛选,就不难确定植物组织或从植物中提取的类SOD活性;
       (3)测定天然植物类SOD活性,判断植物材料或植物制品的品质,甚至用于商品检测,最典型的例子是茶叶抗O2•-能力的比较分析。结果表明从大类确定绿茶优于乌龙茶。原因是绿茶未经发酵,茶多酚和维生素C含量最高;乌龙茶为半发酵茶,两者含量中等;红茶为全发酵茶,两者含量最低。经比较17种不同茶叶发现,龙井、黄山毛峰、碧螺春的抗O2•-能力最强。茶多酚耐100℃高温,且与维生素C有协同效应和保护作用,故用95~100 ℃的沸水冲泡,SOD-L的活性高;
       (4)筛选抗衰老药物成分。SOD-L的活性已作为抗衰老药物的重要指标。中草药是我国的医药宝库,其中抑制O2•-生成、维持体内自由基平衡是其重要机制;
       (5)许多植物资源在测定SOD或类SOD活性基础上已精加工了SOD(分离纯化),如大豆、玉米、小白菜、菠菜、青竹梅、小麦叶、紫草籽、芥兰叶、枸杞子等,但都未产业化,市场上无产品。
3   类SOD的主要功能抗氧化[4]
       随着自由基生物学和分子生物学技术的发展和应用,人们对氧化与抗氧化的重要性,尤其是机体内活性氧的生成和清除有了更深入的了解。在体内以SOD为代表的抗氧酶,及由类SOD为代表的抗氧剂共同构筑了抗氧化防御系统,以防活性氧损伤,并进行抗氧化修复。故考察SOD和类SOD作用时,应紧抓住这根主轴。任何夸大或贬低的说法都是不可取的。SOD与类SOD的共同点是抗氧化,清除氧自由基等活性氧,但其作用机制不同。实验表明,SOD是专一清除O2•-的酶,类SOD则由于种类不同,不仅可以清除O2•-,而且可以清除•OH、NO、H2O21O2(单线态氧)及脂质过氧化物等活性氧,因此在宣传产品功能时要注意“分寸”,不要张冠李戴。我国对刺梨的研究始于上世纪80年代末,由贵州农学院等单位开发成SOD口服液,如老来福SOD口服液,其实这种口服液中根本不含大分子SOD,而含小分子的类SOD。刺梨中富含维生素C,用现有SOD测活方法,同样显示出高活性,因此在宣传产品时要向消费者说清楚。
       国内外保健品市场都把开发抗氧化产品列为重点,故我们应抓住这个机遇,在大力开发抗氧酶和抗氧剂同时,深度开发SOD和类SOD产品。
4   生物体内重要的抗氧化防御系统[5-6]
       文献常将机体中抗氧化防御系统分为酶性和非酶性抗氧化剂,分为抗氧酶、脂溶性抗氧化剂、水溶性小分子抗氧化剂和蛋白性抗氧化剂讨论,其中不少具有类SOD活性,下面介绍部分抗氧化组分。
4.1   抗氧化酶
       4.1.1   SOD按金属辅基成分的不同,SOD分为Cu,Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD,动物组织中不含Fe-SOD。哺乳动物SOD有3种同工酶,即存在于胞浆和细胞膜的Cu,Zn-SOD、线粒体基质中的Mn-SOD以及分泌到细胞外的SOD(extracellular superoxide dismutase, EC-SOD)。大部分EC-SOD是锚在细胞表面硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(heparan sulfate   proteoglycan)和组织间隙基质,但也存在细胞外液。因为O2•-难以穿过细胞膜,SOD同工酶主要在它们各自的部位发挥保护功能,催化O2•-生成H2O2
       4.1.2   过氧化物酶(CAT)   
       CAT活性大部分局限在细胞过氧化物酶体。线粒体和内质网也有少量CAT。它催化H2O2生成H2O和O2
       4.1.3   硒谷胱甘肽过氧化物酶( selenium dependent glutathione peroxidase,SeGPx)   
       它催化有机过氧化物或H2O2还原生成相应的醇或H2O,同时氧化2分子还原型谷胱甘肽(GSH)生成一分子氧化型谷胱甘肽(GSSG)。
       正常细胞内GSH/GSSG的比值是很高的,是由谷胱甘肽还原酶(GSSG-R)维持。GSSG-R能催化GSSG还原生成
       4.1.4   不含硒谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽转移酶   
       不含硒谷胱甘肽过氧化物酶(nonSeGPx)和谷胱甘肽-S-转移酶(glutathione-S-transferase,GST)或谷胱甘肽转移酶(glutathione transferase)是同一种酶蛋白,是一种多功能酶,是相对分子质量为40 000~50 000的二聚体蛋白质,随着亚基的不同组合而有多种同工酶。同工酶有明显的组织特异性。它有SeGPx样功能,能催化有机过氧化物还原成相应的醇,因此称为nonSeGPx。与SeGPx不同的是,它不能催化H2O2还原。
       该酶不但与SeGPx协同地还原脂质过氧化作用的产物脂氢过氧化物,而且能催化脂氢过氧化物醛式分解产物与GSH反应,生成无毒或毒性小的GSH-硫结合物。
4.2   脂溶性抗氧化剂
       4.2.1   维生素E   
       维生素E是一族结构类似的化合物,称为生育酚,结构是羟式苯并二氢吡喃环(chromanol)连接着类异戊二烯(isoprenoid)侧链。维生素E主要有4种类型:α、β、γ、δ-生育酚。它们的差异在于羟式苯并二氢吡喃环上甲基的数量和位置。生育酚活性次序α>β>γ>δ。
       维生素E不但是1O2和O2•-的清除剂,而且更重要的是脂质过氧化作用的阻断剂,其重要性在于和GPx协同终止脂质过氧化作用。
       4.2.2   类胡萝卜素   
       类胡萝卜素(carotenoid,CAR)包括β-胡萝卜素和叶黄素等,广泛分布在自然界,在保护细胞免受光、空气和光敏色素的损伤中起重要作用。人体中主要是β-胡萝卜素。CAR是一类脂溶性抗氧化剂,能直接与活性氧起反应。β-胡萝卜素与膜脂双层分子结合能保护细胞,免受细胞内外自由基的损伤。CAR还能与脂过氧基LOO•作用,可能是LOO•与CAR
的加成反应,LOO•与β-胡萝卜素的共轭双键系统相互作用,形成共轭稳定的碳自由基,然后再与另一LOO•结合生成非自由基结合物。
       4.2 .3   辅酶Q10   
       辅酶Q10(CoQ10),也称为泛癸利酮(ubidecarenone)。CoQ10在细胞的生命过程中有多方面功能,不仅可作为细胞代谢和细胞呼吸激活剂而且可作为重要的抗氧化剂和非特异性免疫增强剂[7]
4.3   水溶性小分子抗氧化剂[8]
       4.3.1   抗坏血酸(维生素C)   
       抗坏血酸作为自由基的清除剂,可迅速地与O2•-和HO2•反应,更快地与•OH反应生成抗坏血酸自由基,也可清除1O2。因此抗坏血酸可以保护机体免受内源性氧自由基的损伤。
       4.3.2   谷胱甘肽   
       GSH主要存在于细胞内,是细胞内重要的水溶性抗氧化剂,是•OH、H2O21O2的清除剂。GSH可以看作细胞内自由基的转换器,能将细胞内生出的多种其他自由基转变为O2•-,O2•-经SOD歧化生成H2O2的量要比通过链式反应生成的少。GSH作为有效的自由基清除剂需与SOD协同作用,GSH与SOD协同作用在抗氧化防御中起重要作用。
       4.3.3   α-硫辛酸   
       α-硫辛酸(α-lipoic acid)是天然存在的一种强抗氧化物质,一般以硫辛酸赖氨酸的形式存在,如菠菜中含有3.15 μg/g干重,也存在于甘蓝、番茄等蔬菜中。硫辛酸能清除H2O21O2、•OH等活性氧,还可通过对Cu、Fe等可变价金属螯合而起抗氧化作用。
4.4   蛋白性抗氧化剂
       4.4.1   铜蓝蛋白   
       铜蓝蛋白(ceruloplasmin,CP)是人血浆的含蛋白,有运输Cu2+的功能。血浆铜蓝蛋白是细胞外液重要的抗氧化剂之一,其抗氧化作用主要是防止过渡金属Fe2+和Cu2+催化H2O2形成•OH。其机制是血浆铜蓝蛋白具有亚铁氧化酶(ferroxidase)活性,能将Fe2+氧化成Fe3+,防止Fenton反应的发生。同时在反应中生成的CP-Cu+,能将O2还原成H2O,而不是生成活性氧中间体。
       4.4.2   清蛋白和清蛋白结合的胆红素   
       清蛋白能结合铜离子抑制•OH形成,能明显抑制铜盐催化•OH生成达82%,高于铜蓝蛋白抑制74%。铁盐催化•OH生成,清蛋白仅抑制13%,低于铜蓝蛋白抑制50%。同样清蛋白对铁盐诱导的磷脂脂质体过氧化无明显抑制作用,但对铜盐诱导的脂质过氧化有明显的抑制作用,且优于铜蓝蛋白。生理浓度的清蛋白和组氨酸就能抑制铜离子催化•OH生成。也有实验表明,它们的作用不是抑制•OH生成,而是与生成的•OH反应。
       体外试验表明,胆红素能有效地清除1O2、O2•-和过氧化物,还可作为过氧化物酶还原H2O2和有机过氧化物的氢供体。
       4.4.3   金属硫蛋白   
       金属硫蛋白(metallothionein,MT)是一组含有金属和富含半胱氨酸的小分子蛋白质。在哺乳动物中共发现4类MT,分别称为MT-Ⅰ、MT-Ⅱ、MT-Ⅲ和MT-Ⅳ。MT-Ⅰ和MT-Ⅱ主要存在于肝脏、肾脏等。MT-Ⅲ主要在大脑表达,在小肠和胰腺也有少量表达。MT-Ⅳ主要存在于分化的鳞状上皮细胞中。哺乳动物MT相对分子质量为6 000~7 000,含60~68个氨基酸残基,其中20个为半胱氨酸,每分子MT可结合7个分子二价金属离子或12~15个一价金属离子。铜是以一价离子的形式与MT结合,与巯基形成硫醇盐,其抗氧化损伤机制主要包括结合具有氧化还原活性的过渡金属离子和直接清除氧自由基。
       多余的氧自由基对机体造成损伤,导致疾病和衰老产生。机体的防御系统主要由两部分组成,一是抗氧酶,二是抗氧化剂。SOD是最重要的抗氧酶,专一清除O2•-,而抗氧化剂中不少属于类SOD,是一类具有SOD活性样化合物。SOD和类SOD的共同特点是清除氧自由基,构筑生命的抗氧化防御体系。
参考文献
       [1]   袁勤生.   超氧化物歧化酶[M].   上海:华东理工大学出版社,2009:262-278.
       [2]   凌关庭.   抗氧化食品与健康[M].   北京:化学工业出版社,2004:5-24.
       [3]   Amarc C, Vilkas E, Foos J, et al. Catalytic activity studies of some copper (Ⅱ)-histidine-containing dipeptide complexes on aqueous ion dismutation[J]. J Inorg Biochem, 1982, 17: 313-323.
       [4]   Jose M M. Antioxidant enzymes and human diseases[J]. Clinical


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