Superoxid dismutaza (SOD)

Superoxid dismutaza (SOD)

In 1969, McCord si Fridovich au raportat pentru prima data faptul ca o proteina izolata din eritrocite functioneaza ca enzima de tip superoxid dismutaza . De atunci s-au publicat sute de lucrari despre formarea O₂^¯ in diferitele reactii chimice sau de efectul inhibitorilor produs prin simpla adaugare a SOD in mediul de reactie.

In general, exista trei tipuri de superoxid dismutaze, fiecare avand un ion metalic diferit in situsul catalitic. Astfel, cele mai intalnite forme ale enzimei sunt superoxid dismutaza ce contine cupru si zinc (Cu,Zn-SOD)(se gaseste intracitoplasmatic), superoxid dismutaza ce contine mangan (Mn-SOD) (care se afla in matricea mitocondriala) si superoxid dismutaza ce contine fier (Fe-SOD) (care se gaseste la bacterii si plante). Recent a fost descoperita si o forma a enzimei cu nichel (Ni-SOD) in Streptomyces griseus.

Toate mamiferele consuma oxigen ca suport al respiratiei, dar o cantitate considerabila din acest oxigen este metabolizata ca superoxid. Organismele aerobe contin o cantitate mare de SOD care asigura protectia celulei fata de acest agent toxic rezultat din procesul de respiratie. Superoxidul poate suferi o disproportionare spontana cu formare de apa oxigenata si oxigen (reactia 1), mecanismul fiind dependent de pH, dar efectul catalizei de catre SOD este remarcabil (reactia 2).

2HO₂ → O₂ + H₂O₂    (1)

HO₂ + O₂^¯ + H⁺→ O₂ + H₂O₂    (2)

Superoxid dismutaza poate accelera foarte mult acest proces. La pH fiziologic, viteza reactiei catalizate de Cu, Zn-SOD are o viteza mult mai mare (k=1,6 x10⁹ M^-1·s^-1) comparativ cu cea necatalizata (9,7 x 10⁷ M^-1s^-1). Reactia catalizata de Mn SOD decurge cu o viteza de k=1,8x 10 ⁹ M^-1·s^-1.

Aceasta valoare este apropiata de limita de difuzie si prezinta o energie de activare foarte mica; constanta scade prin cresterea viscozitatii solventului. CuZn - SOD este inhibata de CN^¯ avand o constanta de inhibare I₅₀ = 0,036 mM, de nitril I₅₀ = 20 mM, de dietil ditiocarbamat I₅₀ = 10,6 mM si de azida de sodiu . Importanta SOD consta nu numai in indepartarea excesului de O₂¯ , deci indirect, dar poate actiona si direct prin neutralizarea O₂ singlet (100), sau chiar in inhibarea peroxidarii metil linoleatului in vitro in prezenta catalizatoare a citocromului P₄₅₀ , ori a protectiei contra ozonului.

Mecanismul de disproportionare al superoxidului poate fi separat in doua etape, prima implica oxidarea O₂^¯ de catre forma oxidata a enzimei cu generarea O₂ (reactia 3) si a doua consta din reducerea O₂^¯ de forma redusa a enzimei cu formarea apei (reactia 4).

O₂^¯ + enzima_ox → O₂ + enzima_red    (3)

O₂^¯ + 2 H⁺ + enzima_red → H₂O₂ + enzima_ox (4)

SOD a fost cunoscuta mai mult ca o cuproproteina (in functie de localizarea tisulara, eritrocitara, hepatica si cerebrala), crezandu-se ca serveste la depozitarea cuprului. De-abia in ultimii ani SOD a fost recunoscuta ca cea mai importanta enzima a vietii aerobe, depasind in acest sens citocrom oxidaza, enzima finala in respiratia tisulara.

Este prima enzima din lantul enzimatic de aparare fata de toxicitatea O₂ si numai prin aparitia ei acum 3 miliarde de ani viata aeroba a putut sa se afirme. Necesitatea aparitiei SOD provine din cauza structurii electronice a O₂, reactie de spin, favorizand calea universala de reducere a O₂ cu formare intermediara a O₂¯_. Aceasta reactie interzisa de spin se poate realiza prin reactii in care O₂ se combina cu un ion al unui metal tranzitional (Cu²⁺ sau Fe²⁺ ) mai ales complexat. De aceea toate enzimele implicate in reactii directe cu O₂ au drept grupare prostetica unul din acesti ioni.

Odata cu aparitia O₂ pe pamant, bacteriile anaerobe existente au trebuit sa dezvolte unele sisteme de aparare contra produsilor rezultati din reactiile (5) si (6):

O^¯·₂ +    O^¯·₂ + 2H⁺ H₂O₂ + O₂ (5)

O^¯·₂ + H₂O₂ → OH^- + OH· + O₂ (6)

specii reactive cu efecte nocive structurilor organice. Aceste sisteme de aparare au avut ca punct de plecare reactia:

O^¯·₂ + Mⁿ⁺ → O₂ + M^(n-1)+

Se pare ca la inceput a fost preferat Fe²⁺ asa cum au aratat studiile intreprinse de Halliwell, Fee, McCord si Day [2]:

O + Fe²⁺ - EDTA + 2H⁺ → H₂O₂ + Fe³⁺ - EDTA (7)

O^¯·₂ + citocrom c ( Fe³⁺ ) → O₂ ( triplet) + citocrom c ( Fe²⁺)(8)

Ca dovada s-a observat ca peroxidaza si catalaza au oarecare activitate dismutazica, iar Yost si Fridovich au izolat de la Escherichia coli o SOD ce contine un atom de Fe³⁺ in molecula . Recent, Gregory si More au aratat ca toleranta mare a bacteriilor anaerobe fata de O₂ se datoreaza unui continut variabil de SOD, mai bogate fiind speciile Bacteroides. Descoperirea de catre Keele tot in E. coli a unei SOD ce contine mangan sugereaza o selectie in alegerea unui ion metalic potrivit. Asa se explica existenta SOD cu mangan la primele forme de viata aerobe.

Atat SOD ce contine fier cat sic cea cu mangan nu au oferit vietii aerobe in curs de dezvoltare o protectie suficienta, incat s-a impus SOD ce contine Cu si Zn. Studiile lui Fee au aratat ca ionii de Cu²⁺ au activitate dismutazica mica care creste prin complexare la proteina. Zn²⁺ nu participa direct la mecanismul catalitic dar potenteaza capacitatea dismutazica a Cu²⁺.

Experiente interesante s-au efectuat asupra tolerantei la O₂ a organismelor anaerobe. Astfel, Lactobacillus plantarum, anaerob ce nu contine SOD este aerotolerant, dar nu poate utiliza O Expunerea unor microorganisme facultativ aerobe ca Streptococcus faecalis, E. coli, si Saccharomyces cerevisiae la O₂ in concentratii crescande determina acumularea unor nivele ridicate de SOD intracelular si o toleranta crescuta la O₂ hiperbaric. Transferul celulelor din conditii anaerobe in aerobe determina inductia promta a MnSOD, in schimb FeSOD este prezenta indiferent de continutul in O Se pare ca exista o corelatie intre MnSOD si rezistenta la toxicitatea O Astfel, urmarind cresterea unor culturi de E. coli s-a gasit ca continutul in MnSOD creste proportional cu viteza respiratiei si corespunde rezistentei la oxigenul hiperbaric. Cand concentratia substantelor nutritive este marita brusc, continutul in SOD creste imediat, in timp ce viteza cresterii organismului a ramas neschimbata. Cand nivelul SOD atinge nivelul caracteristic unui aport nelimitat in substante nutritive, viteza cresterii organismelor s-a marit brusc. In asemenea conditii rezulta clar ca viteza cresterii este limitata de nivelul intracellular de SOD .

Antibiotice ca streptonigrin, mitomicina-C si porfiromicina sunt mult mai lente in prezenta O₂, deoarece determina un ciclu de reactii redox cu producere de O^¯·₂ , care in vitro produce scindari in molecula de ADN. Microorganisme ca E. coli , B sau K12, cu un continut mare in SOD sunt rezistente la actiunea acestor antibiotice. In alte experimente s-au selectat mutanti de E.coli K12 pe baza intolerantei la O₂ in urma expunerii la un mutagen. Mutantii obligatoriu anaerobi rezultati apartineau unei categorii ce nu aveau SOD, catalaza si peroxidaza sau alta ce continea doar SOD. Acesti mutanti au fost ucisi prin expunerea brusca la aer, doar o celula din 10⁴ au reusit sa supravietuiasca. Celulele care au supravietuit isi redobandisera capacitatile enzimatice lipsa sau au pierdut capacitatea de respiratie. Acest experiment indica evident o legatura genetica comuna intre enzimele implicate in protectia fata de toxicitatea O Si in cazul mamiferelor SOD este implicata in protectia fata de O₂ in conditii hiperbarice. Astfel, la voluntarii expusi unor conditii de hoperoxie s-a gasit un nivel crescut al SOD in leucocite, in timp ce catalaza si glutation peroxidaza au scazut .

In timp ce valorile normale in sange pe scara animala variaza foarte mult pentru catalaza si glutatio peroxidaza, in cazul SOD sunt grupate intre 1200-1400 unit/gr hemoglobina . La nou nascuti, nivelul SOD este foarte mic, crescand rapid pana in ziua a 20-a cand atinge concentratia corespunzatoare adultului; la batrani se gasesc valori scazute fata de tineri . Valori crescute de SOD in hematii se intalnesc in trisomia 21, iar un nivel scazut s-a gasit in anemia Fanconi si in sindromul Dubin-Johnson . Nu s-a gasit in general o relatie intre variatiile SOD si ale celorlalte enzime implicate in protectia fata de toxicitatea oxigenului.

1. Superoxid dismutaza cu cupru si zinc

Superoxid dismutaza cu cupru si zinc (CuZn-SOD) este prezenta in aproate toate celulele eucariote si la multe dintre procariote.

CuZnSOD a fost izolata din citoplasma celulelor eucariotoce, de la drojdii, fungi, plante superioare, hematii si ficatul de mamifere. FeSOD si MnSOD au fost izolate de la bacterii, alge albastre si verzi si, in mod surprinzator, din mitocondriile de mamifere . Aceasta descoperire a furnizat baza unei ipoteze emise de Weisiger dupa care formatiile subcelulare au o origine simbiotica provenind din bacterii fotosintetice, care prin dobandirea unui sistem enzimatic pentru scindarea H₂O au creat o fotosinteza oxigenata asemanatoare celei existente astazi la plante. Aceasta capacitate de utilizare a O₂ presupune o legatura functionala si filogenica intre mitocondrie si cloroplaste, care prin reactia catalizata de SOD vor produce H₂O In timp ce FeSOD si MnSOD nu sunt inhibate de cianuri, CuZn-SOD este sensibila la acestea . Totusi, celulele eucariote, contin in general CuZn-SOD in citosol si Mn-SOD in mitocondrii. Cele doua forme sunt usor de deosebit, deoarece CuZn-SOD este inhibata de CN^¯ si este stabila la tratare cu un amestec etanol - cloroform. Desigur ca s-au gasit si exceptii cum ar fi Mn-SOD izolata din inima de bou, ce are o masa moleculara de 86.000 Da, fiind formata din 4 subunitati legate ionic si contine 2 Mn pe molecula. Trebuie amintit ca MnSOD din mitocondrii si MnSOD extrasa din bacterii au secvente de aminoacizi unele asemanatoare si altele semnificativ diferite de cea a apoproteinei CuZn-SOD .

1.1 Structura Cu, Zn-SOD

Un amplu studiu despre aceasta enzima a fost realizat de Fee care a aratat ca Cu,Zn-SOD prezinta o structura tridimensionala aparte. SOD izolata din hematiile bovine are o greutate moleculara de 31.500 Da, contine doi atomi de cupru si zinc si consta din doua subunitati polipeptidice identice formate din 151 resturi de aminoacizi.

Fig. 1: Structura SOD

Studiile de difractie de raze X au aratat ca fiecare subunitate apare ca un cilindru cu structura β inauntrul caruia se gasesc centrii activi . Cele doua subunitati sunt legate prin legaturi hidrofobe, iar cei doi centrii activi, situati in pozitii opuse par sa actioneze independent. O fata a pozitiei cuprului este expusa solventului, pe cand zincul este situat in interiorul proteinei.

Situsul in care se coordineaza ionii metalici este format din sase resturi de histidina si unul de aspartat (fig. 2).

Fig. Situsul activ al Cu,Zn-SOD in forma redusa si oxidata

Din punct de vedere al structurii proteice, majoritatea stucturilor formelor oxidate si reduse ale enzimei sunt extrem de asemanatoare; diferentele semnificative sunt localizate intr-o regiune situata in apropierea ionului de cupru, reprezentata de trei legaturi coordinative in Cu^IZn-SOD respectiv cinci legaturi coordinative in Cu^IIZn-SOD. In
Cu^IZn-SOD, Cu(I) este legat de trei grupari imidazolice de la resturi histidinice intr-o stereochimie plan-trigonala in timp ce Zn(II) este legat de trei grupari imidazolice de la resturi histidinice si la o grupare carboxilat de la un rest de Asp. In Cu^IIZnSOD aproape intreaga structura proteica, ca si situsul zincului si pozitia celor trei molecule de His coordinate la cupru difera foarte putin de forma redusa a enzimei. Difrentele semnificative de structura apar in vecinatatea ionului de cupru si anume:

(1) Cu(II) din Cu ^IIZnSOD se gaseste la ~1Å distanta de situsul zincului;

(2) His63 unul dintre liganzii zincului, este deprotonata si se leaga si la Cu (II), functionand ca ligand in punte

(3) o molecula de apa se coordineaza la Cu(II).

O caracteristica structurala extrem de importanta, atat in forma redusa cat si in cea oxidata, este «canalul» de acces catre ionul de cupru sub forma de palnie. Acesta are diametrul de 24 Å la suprafata proteinei si devine progresiv mai ingust pana la 4 Å deasupra ionului de cupru. Ingustarea lui la baza are efectul de a limita liganzii care se pot lega la Cu²⁺ in forma oxidata a enzimei, la anioni mici, similari ca dimensiuni si valenta cu superoxidul cum ar fi cianura, azida, fluorura, facand ca enzima sa aiba o specificitate foarte mare pentru anionul superoxid.

Canalul situsului activ contine de asemenea o molecula de arginina la o distanta de aproximativ 6 Å deasupra ionului de cupru ce joaca un rol important in generarea campului electrostatic ce atrage superoxidul in dreptul deschiderii canalului situsului activ. In plus, gruparea guanidil, a restului de Arg incarcata pozitiv, este considerata a fi bine pozitionata pentru a ajuta la ghidarea anionului superoxid in interiorul canalului si la formarea de legaturi de hidrogen cu acesta pe masura ce se apropie de cupru, atat ia forma oxidata cat si ia cea redusa. Canalul situsului activ contine de asemenea un lant de molecule de apa cu numar mare de legaturi de hidrogen care probabil joaca un rol in mecanismul de reactie prin interactia cu superoxidul si traverseaza canalul comportandu-se ca un donor de protoni in timpul reducerii superoxidului la peroxid.

Un model al mecanismului reactiei superoxidului cataliyate de CuZn-SOD, bazat pe numeroase structuri cristaline ale CuZn/SOD si pe date cinetice si spectoscopice este prezentat in figura 3.

2 Oxidarea superoxidului de Cu^IIZn/SOD

Anioni ca azida (N₃^¯), cianura(CN^¯) si fluorura (F^¯) se leaga direct de Cu(II) in Cu^IIZn-SOD, si apoi cei doi liganzi secundari se schimba rapid. De aceea este posibil ca superoxidul sa se coordineze la Cu(II), formand o combinatie complexa Cu^II(O₂^¯) inaintea transferului de electroni ce formeaza produsii Cu^IZnSOD si O Este posibil ca O₂^¯ sa intre in canalul sitului activ a Cu^IIZn-SOD, sa interactioneze cu lantul de molecule de apa si Arg din apropierea situsului activ pe care le intalneste in cale, in final dezlocuind ligandul apa de la Cu(II) din situsul activ. Ulterior se produce transferul de electroni si O₂ format (reactia 3) este eliberat si difuzeaza in afara canalului. In acelasi timp puntea imidazolica este rupta si His63 protonata (fig 3, dreapta).

Fig. 3. Reprezentarea schematica a ciclului catalitic pentru Cu,Zn-SOD

3 Reducerea superoxidului de Cu ^IZnSOD

Reducerea superoxidului de catre Cu ^IZnSOD pare a fi precedata de un mecanism de tip sfera exterioara. Situsul acitv al Cu^IZn/SOD leaga anioni mici, dar aparent nu de Cu(I) in sine. Aceasta constare nu este surprinzatoare deoarece este de asteptat ca centrul plan-trigoanal Cu(His)₃ sa aiba o afinitate scazuta pentru legarea celui de-al patrulea ligand, pe baza comparatiilor facute cu combinatii complexe model ale cuprului(I). Un studiu privind legarea ionului azida atat la forma oxidata cat si la cea redusa a CuZn-SOD ce a folosit specroscopia IR cu transformata Fourier ( FTIR) a dus la concluzia ca azida se leaga la Cu (II) in forma oxidata a enzimei dar se lega in alt loc in forma redusa si la fel si in enzima fara cupru, probabil  la gruparea guanidil a restului de Arg din canalul situsui activ si probabil interactioneaza cu lantul de molecule de apa si gruparea H-N din His63

Pentru ca superoxidul sa fie redus rapid de Cu ^IZn-SOD trebuie se existe un proton strans legat de O₂^¯ si acesta sa accepte un electron pentru a deveni peroxid. Probabil protonul His63 joaca rolul de donor de protoni si produsul este anionul hidroperoxid. Acest oxianion probabil formeaza o combinatie complexa cu Cu²⁺, daca se formeaza in aceasta etapa a reactiei (reactia 4). Dupa acesta urmraza protonarea si pierderea de H₂O

Alternativ, HOO^-, poate accepta un proton de la lantul de molecule de apa pentru a forma H₂O₂ direct, fara formarea combinatiei complexe Cu(II)-hidroperoxid.

Ciclul imidazolic al His63 se leaga numai de Zn(II) din Cu^IZn-SOD, unde este deprotonat si formeaza imidazol, care uneste Cu(II) si Zn(II) din Cu^IIZn-SOD. Zn(II)-imidazolatul cu siguranta joaca un rol important in mecanismul CuZn-SOD, devreme ce indepartarea zincului din structura enzimei face ca activitatea acesteia se fie dependenta de pH. Studiile despre activitatea SOD Zn-deficitara prin radioliza in puls au stabilit ca reducerea Cu(II) de catre supeoxid mediata de aceasta forma a enzimei ramane rapida si independenta de pH. De aceea, se poate concluziona ca oxidarea de catrea superoxid a Cu(I) din enzima Zn-deficitara determina viteza reactiei si este pH dependenta. Aceste observatii sugereaza ca gruparea Zn²⁺-imidazolat joaca un rol important determinand viteza reducerii superoxidului de catre Cu^IZnSOD si lipsa dependentei de pH. S-a postulat ca, coordinarea Zn²⁺-imidazolatului la Cu(II), cu formarea puntii imidazolice, previne legarea puternica a anionului hidroperoxid la cupru prin directionarea lui catre o pozitie de coordinare axiala la Cu(II), facilitand astfel eliberarea rapida a produsului peroxidic.

Factorii implicati in reglarea nivelului de SOD sunt complecsi :

=> O₂ are un efect inductiv asupra SOD, demonstrat clar la bacterii aerobe; continutul ridicat in SOD determina radiorezistenta la bacteria Micrococcus radiodurans;

=> tumorile localizate la nivelul unor organe interne si supuse tratamentului cu antibiotice antraciclinice isi maresc continutul in CuZnSOD, deoarece aceste medicamente actioneaza prin eliberarea de O₂^¯ si H₂O₂ ;

=> incarcarea cu Cu, induce cresterea activitatii Cu-Zn-SOD si scaderea nivelului de glutation peroxidaza; in plus, cresterea continutului de Cu in ficat determina si cresterea peroxidarii lipidelor.

Pe baza acestor date si observatii s-a inceput si experimentarea clinica a utilizarii terapeutice a SOD purificate in conditii patologice foarte variate; cataracta, displazie bronhopulmonara, intoxicatii chimice, artrita reumatoida, efecte secundare ale tratamentului radioterapeutic sau cu citostatice.