锰超氧化物歧化酶Mn-SOD的研究进展【文献综述】.doc

1、毕业论文文献综述海洋资源与环境锰超氧化物歧化酶MNSOD的研究进展摘要超氧化物歧化酶SUPEROXIDEDISMUTASE,SOD在需氧原核生物和真核生物中广泛存在,是活性氧清除系统中第一个发挥作用的抗氧化酶。植物正常代谢过程和在各种环境胁迫下均能产生活性氧和自由基,活性氧和自由基的积累引起细胞结构和功能的破坏。SOD在保护细胞免受氧化损伤过程中具有十分重要的作用。MNSOD是主要位于线粒体中的一种超氧化物歧化酶，通过清除自由基以保护生物系统免受氧损伤的危害。细胞内MNSOD水平的稳定对于维持细胞的正常生理功能起着重要作用。本文综述了MNSOD的结构、理化性质和功能。关键词超氧化物岐化酶锰超氧

2、化物岐化酶活性氧植物抗逆性氧的某些代谢产物及其衍生的含氧物质都是直接或间接由氧转化而成的。由于它们都含有氧,而且具有较活泼的化学反应特性,遂统称为活性氧（REACTIVEOXYGENSPECIES,ROS）1。ROS包括超氧根离子O2、氢氧根离子（OH）、羟自由基（OH）、过氧化氢H2O2、单线态氧（1O2）和过氧化物自由基（ROO）。它们可导致膜脂过氧化、碱基突变、DNA链的断裂和蛋白质的损伤等。植物体在正常生长条件下也能产生少量的O2,它主要来源于线粒体的电子转移系统、光合作用,以及一些氧化还原酶的产物2。但在正常的生理情况下,活性氧在不断产生,也不断地被清除,因而不会造成自由基对机体的损

3、伤。活性氧在植物体内的清除由保护酶和抗氧化物质来完成。保护酶主要是超氧化物歧化酶SUPEROXIDEDISMUTASE,SOD、过氧化氢酶（CATALASE,CAT）、过氧化物酶PEROXIDASE,POD等,其中SOD起主要作用。SOD是一种具有特定生物催化功能的蛋白质,由蛋白质和金属离子组成,它广泛存在于自然界的动物、植物以及一些微生物体内。1938年，MANN和KEILIN3首次从牛红细胞中得到一种含铜蛋白血铜蛋白,1969年MCCORD和FRIDOVICH4发现此蛋白能够使超氧阴离子自由基O2发生歧化反应,因而将其定名为超氧化物歧化酶。1SOD的来源、种类与分布迄今为止的研究表明,SO

4、D广泛存在于多种生物体内,已从细菌、原生动物、霉菌、植物、昆虫、鸟类、鱼类和哺乳动物等生物体内分离得到了SOD。根据其活性中心结合的微量元素离子不同,SOD主要分为3种类型,即CU/ZNSOD、MNSOD和FESOD。CU/ZNSOD主要存在于真核细胞的细胞质中,MNSOD主要存在于原核细胞及少数植物细胞,FESOD主要存在于原核细胞和真核细胞的基质中57。3类主要SOD的主要分布如表1所示。表1不同类型的SOD的主要分布TABLE1THEMAINDISTRIBUTIONOFDIFFERENTTYPESOFSODSOD类型主要分布颜色举例CU/ZNSOD真核细胞细胞质蓝绿色猪血、猪肝MNSOD

5、原核及真核细胞线粒体紫红色人和狒狒肝细胞的胞液FESOD原核细胞黄褐色细菌属、脱硫弧菌属2MNSOD的结构与理化性质21MNSOD的结构SOD从结构上可分为2族,CU/ZNSOD为第1族,MNSOD和FESOD为第2族。天然存在的SOD,虽然活性中心离子不同,但催化活性部位却具有高度的结构同一性和进化的保守性5。不同来源的CU/ZNSOD的氨基酸序列同源性很高。FESOD的活性中心是由3个HIS,1个ASP和1个H2O扭曲四面体配位而成8。任何生物来源的MNSOD的一级结构的同一性都很高,且均不同于CUZNSOD的序列。如人MNSOD和鼠、大肠杆菌MNSOD的同一性分别为94和43,不仅如此,

6、参与形成活性中心及与金属连接的氨基酸在所有MNSOD中也都是保守的,而且与金属锰相连的氨基酸也完全一致,它们是组氨酸26、87、181和天冬氨酸1859。MNSOD的CD谱表明,其含有较高程度（32）的螺旋结构,较少折叠。由一级结构预测的二级结构表明,MNSOD中不可能存在象CUZNSOD中那种八股反平行的折叠,也不存在长的松散环,整个结构比较紧凑。ERS和NMR研究揭示MNSOD中的金属离子是处于高自旋状态的3价锰MN3。MNSOD的金属辅基上结合有1个水分子,这个水分子的存在可能与催化机理有关。金属辅基对蛋白质结构有稳定作用,而且与MNSOD的活性直接相关。32MNSOD的理化性质SOD是

7、一种酸性蛋白,在酶分子上共价连接金属辅基,因此它对热、PH以及某些理化性质表现出特别的稳定性。MNSOD、FESOD的结构特征是不含半胱氨酸,而含有较多的色氨酸和酪氨酸,因此紫外吸收光谱类似一般蛋白质,在280NM附近有最大吸收峰。MNSOD的可见光谱在475NM处附近有最大吸收,FESOD在350NM处有最大吸收,这都反映了所含金属离子的光学性质8。动物、植物和真菌中的CU/ZNSOD,大多数原核生物的FESOD和MNSOD都是同源二聚体,而植物等真核生物的FESOD和MNSOD是同源四聚体,组成FESOD和MNSOD的每个亚基的分子质量约为20KDA,而且每个亚基结合有一个FE/MN原子。

8、FESOD和MNSOD具有同源性,它们与金属相结合的活性中心的碱基序列和三维结构也具有同源性。不同来源的植物MNSOD同源性达70以上,FESOD同源性约60,MNSOD和FESOD之间约50氨基酸相同10。不同类型的SOD对H2O2的敏感性不同,CU/ZNSOD酶活性受H2O2和KCN的抑制,FESOD的酶活性只受H2O2的抑制,而MNSOD的酶活性不受H2O2和KCN的抑制11。MNSOD对热稳定，其构像熔点温度TM一般在84104之间，同时对PH值也有很好的稳定性，在PH4511之间能稳定存在11。植物MNSOD的氨基酸序列相似性大约65，并且与细菌的MNSOD氨基酸序列高度相似12。尽

9、管大部分MNSOD都定位在线粒体中，但在一种海洋硅藻THALASSIOSIRAPSEUDONANACCMP1335中，MNSOD定位在类囊体膜上，认为其功能与光合作用偶联13，在西瓜CITRULLUSLANATUSSCHRAD,CVSUGARBABY种子子叶中，MNSOD定位在过氧化物酶体膜上14。3MNSOD的功能生存环境的变化是不可避免的,任何生物必须去适应各种变化。以植物为例,经研究发现,不同条件、不同物种、不同的发育时期及不同器官发生胁迫后,SOD活性表现有升有降。然而SOD活性不论是升高还是降低,都表现出抗性强的品种比抗性弱的品种活性高。即当SOD活性降低时,抗性强的品种下降幅度小而

10、当活SOD性升高时,抗性强的品种升高幅度大或者抗逆性强的品种活性升高而抗逆性弱的品种降低。这说明在逆境条件下植物的抗性强弱与植物体内能否维持较高的SOD活性水平有关。SOD的作用底物是生物体内产生的超氧阴离子自由基O2,作用机理是SODO2SODO2氧化型还原型SODO2SODH2O2还原型氧化型总反应2O22HSOD酶O2H2O2之后H2O2被抗坏血酸和过氧化氮酶前者是主要的分解为H2O和O2,从而解除O2所造成的氧化胁迫。植物线粒体是ROS产量仅次于叶绿体的细胞器，位于其中的MNSOD在清除ROS中的作用尤为重要。在豌豆PISUMSATIVUML,CVLINCOLN叶子中，MNSOD主要定

11、位于线粒体和过氧化物酶体中，与植物组织衰老密切相关。衰老表现在叶绿素和蛋白降解、脂质过氧化、质膜通透性增加以及ROS代谢增强。超显微结构研究表明，豌豆叶衰老时，细胞中的叶绿体和过氧化物酶体数量剧增，前者使得H2O2含量增加，后者MNSOD的活性显著增强15。在烟草NICOTINAPLUMBAGINIFOLIAVARP2MNSOD研究中，乙烯、水杨酸和丁香假单胞菌分别被用于研究MNSOD在防御反应中的作用。乙烯可以诱导许多防御蛋白的表达，水杨酸可以诱导逆境胁迫反应，而丁香假单胞菌可以引起超敏反应。研究表明，叶片用乙烯和水杨酸处理后48小时内MNSOD的MRNA含量大幅升高，对与丁香假单胞菌可以在

12、24小时做出反应。这三种处理均可以提高植物细胞的呼吸速率，同样也可以促进MNSOD的转录16。在转MNSOD烟草NICOTINAPLUMBAGINIFOLIAVARP2中，MNSOD定位于线粒体中，将其前导肽编码序列用叶绿体前导肽编码序列置换后，构建表达载体，转化烟NICOTINATABACUMCVPBD6后，检测到叶绿体中MNSOD的活性。利用甲基紫精MV，METHYLVIOLOGEN在光照下可以从PSI中接受电子传递给O2形成O2的特点，用其处理转基因烟草，可以检测到叶绿体中MNSOD的高效过量表达，既可以保护产生ROS的叶绿体元件，也可以保护质膜。在黑暗中，MV也可以从线粒体电子传递链中

13、接受电子而导致O2的产生，用其分别处理莲座组织、幼嫩叶片和衰老叶片，发现了不同的结果在前两者细胞中MNSOD的含量本身较低，处理后MNSOD过量表达而对细胞产生伤害，而衰老叶片的MNSOD表现出很高的活性，说明MNSOD的表达水平在清除ROS过程中是重要的因素17。在西瓜CITRULLUSLANATUSSCHRAD,CVSUGARBABY种子萌发过程中，子叶过氧化物酶体膜上的电子传递链促使NADP产生维持细胞器官代谢，也可以促使O2等自由基的产生；叶片过氧化物酶体中，三条完整的膜多肽18、29和32KDA可以促使O2的产生。过氧化物酶体膜上的MNSOD可以清除膜上产生并释放到基质中O2，并且可

14、以间接调控H2O2的浓度18。31MNSOD与温度胁迫温度是生物生存环境的重要因素之一。因为细胞膜的成分中含有脂类,所以温度过高或过低都会对细胞膜系统造成影响,进一步破坏细胞内的蛋白质和DNA等。SOD作为一种细胞膜保护酶在温度胁迫下发挥作用。许多研究结果表明低温下植物SOD活性下降率与植物品种本身抗寒性强弱呈负相关性。喜树在4时,酶活下降了5588时变化较慢,且只下降16219。在一定程度上,SOD的活性会随着低温胁迫的加剧而增强而超过了SOD的临界值,其活性会随着胁迫的加深而下降。温度过高,对植物也不利。一般当植物处于45左右的温度时,就会受到伤害或引起死亡。在45条件下,对称猴桃年生盆栽

15、苗进行2H、4H、6H、8H、10H的高温处理,结果表明SOD在初期活性上升,但随着时间延长,其活性下降20。对2个耐热性不同的菠菜品种进行高温处理,结果表明耐热品种中的SOD活性增幅大于不耐热品种21。栾树的耐热性较好,在72时才发生变性22。32MNSOD与干早及水分胁迫在植物体内,水参与了很多代谢过程,具有很重要的生理生化作用。在干早和水涝发生时,SOD的活性都会发生变化。姜慧芳23等对不同品种的花生做了干早胁迫试验,分析结果表明在胁迫初期,SOD活性下降,不同品种间的差异小但在严重干早胁迫条件下,SOD活性上升,且抗早品种的SOD活性增加程度大于敏感品种。陆燕元24等对转基因与非转基因

16、甘薯幼苗在水分胁迫不同时间及解除胁迫后，膜脂过氧化及抗氧化防御系统中主要指标的变化情况的研究中发现，在甘薯体内同时转入CU/ZNSOD和APX基因,可以有效减轻甘薯在水分胁迫条件下受损害的程度,提高甘薯的抗氧化胁迫能力,在水分胁迫逆境解除后,也可以更快更强地进行自我修复。33MNSOD与盐分胁迫限制植物生长的环境因素很多,其中土壤盐渍化的影响较为严重。土壤中的盐分浓度过大,会使土壤渗透势降低,进而对植物造成水分胁迫,或者土壤中某种离子浓度过高形成离子不平衡而对植物产生毒害。通过对某些植物的研究可以看出,在盐害环境下,CUZNSOD活性升高较明显。据报道盐分能促进菠菜的叶绿体膜脂过氧化作用,SO

17、D能有效地抑制这一作用25。在对扁桃砧木叶片进行盐胁迫后,SOD的活性随盐浓度的增大而先升高后下降,并且后期的下降幅度更大26。具有中度抗盐特性的紫花首蓓在受到不同浓度的盐胁迫后,其SOD活性表现出随着盐浓度的增大而增强的趋势,且紫花首蓓中的SOD同工酶的活性各不相同。在超过一定值时,SOD活性会下降27。34MNSOD与化学药剂胁迫除草剂以及一些污水和空气中含有的有毒化学药剂,都对植物有不同程度的伤害,这对农业生产有很大影响。一般来说植物的SOD活性都是升高的,这与上述逆境所导致的氧化胁迫增加相适应。在铬的胁迫的早期,小麦幼苗的SOD活性明显提高,但随着胁迫时间的延长,SOD活性又急剧下降4

18、0。SO2及O3均能促进植物体内活性氧的产生、启动膜脂过氧化作用,SOD等活性氧清除剂能增强植物的抗污染能力18。35MNSOD与病害胁迫大豆在感染SMV后,引起了活性氧的积累,诱导防御酶活性的增强,从而使SOD的活性上升28。在接种白粉菌前后不同抗性材料叶片SOD活性均表现出基本相同的变化趋势。对各种材料进行多种逆境胁迫试验,可以了解材料的抗性、对某种逆境或条件的偏好,从而可以进行品种的筛选,为育种提供参考,以及采取措施避免环境胁迫造成的损失。4红藻门MNSOD研究进展在SOD与环境胁迫的关系方面的研究中，CLARE等29研究了椭圆小球藻CHLORELLAELLIPSOIDEA中SOD与冻害

19、的关系，发现在抗冻藻株中含有MNSOD，而不抗冻藻株中含有FESOD，说明了MNSOD在保护藻株免受冻害胁迫的作用。LI等30研究了氯氰菊酯对斜生栅藻SCENEDESMUSOBLIQUUS在96H生长的抑制作用，结果表明，SOD的活性随着氯氰菊酯浓度的升高增加，并且指出SOD的活性可以作为斜生栅藻对氯氰菊酯的敏感指标。OKAMOTO等31用5PPBHG2、05PPMCD2、20PPMPB2和01PPMCU2分别处理多纹膝沟藻30天与用10PPBHG2、10PPMCD2、50PPMPB2和025PPMCU2分别处理，在两组处理的前期，SOD的总活性迅速提高，但是根据金属离子和浓度的不同而变化，说

20、明了这种藻对不同的金属离子产生的的胁迫表现出不同应答机制。红藻门的抗氧化研究的相关报道较少，仅限于潮间带藻类如皱波角叉菜CHONDRUSCRISPUS和乳头藻属的MASTOCARPUSSTELLATUS的胁迫耐受和ROS代谢的研究32，以及上述两种藻对环境的周期性适应研究32。目前，仅有少量的关于条斑紫菜的MNSOD基因的研究，没有坛紫菜相关方面的研究。4SOD的应用与展望由于SOD在清除O2过程发挥的重要作用，其被广泛用于农业、医学、工业、药学、日用品和食品等多种领域。目前,人们对SOD分子已进行了化学修饰、脂质化改造等,运用基因工程法制备SOD、人工合成SOD模拟酶的研究,均取得了可喜的成

21、果。随着SOD被广泛应用于护肤籍、洗面奶、香皂等领域,以及活性氧、疾病诊断和抗辐射等方面的研究,SOD将成为广大药厂和日用化工厂的重要原料。因此合成具有精确活性中心结构、热力学稳定的、动力学惰性的模拟物将是未来研究的重点。参考文献1方允中,李文杰自由基与酶基础理论及其在生物学和医学中的应用M北京科学出版社,19942WEJTASZEKPOXIDATIVEBURSTANEARLYPLANTTOPATHOGENINFECTIONJBIOCHEMJ1997,3226816923MANNT,KEILINDHAEMOCUPREINANDHEPATOCUPREIN,COPPERPROTEINCOMPOUN

22、DSOFBLOODANDLIVERINMAMMALSJPRORSOCB1938,1263033154MCCORDJM,IRWINFRIDOVICH,SUPEROXIDEANENZYMATICFUNCTIONFORERYTHROCUPREINHEMOCUPREINJJBIOLCHEM,1969,244604960555李东旭,吴蕾,任云霞超氧化物歧化酶的提取和纯化技术研究进展J食品研究与开发,2008,2931831856胡滨,赵艳丽,吴兆亮大肠杆菌发酵生产SOD最佳条件研究J生物技术,2002,1231441467GUIXF,YANGP,QIUYXSTUDIESONTHEPREPARATION

23、ANDTHESTABILITYOFSODMODIFIEDBYLAURIEACIDJWUHANUNIVERSITYJOURNALOFNATURALSCIENCES,2003,322472508李敬玺,王选年,银梅,等超氧化物歧化酶研究和应用进展J动物医学进展,2007,28770759陈鸿鹏,谭晓风超氧化物歧化酶（SOD）研究综述J经济林研究,2007,251596510马晓丽超氧化物歧化酶的研究进展J山西职工医学院学报,2010,220838611EDWARD,LETALMANGANESEACTIVATIONOFSUPEROXIDEDISMUTASE2INTHEMITOCHONDRIAOFSA

24、CCHAROMYCESCEREVISIAEJBIOLCHEM2005,208227152272012BOWLER,CETALSUPEROXIDEDISMUTASEINPLANTSCRITREVPLANTSCI1994,1319921813WOLFESIMON,FSTAROVOYTOV,VREINFELDER,JRLOCALIZATIONANDROLEOFMANGANESESUPEROXIDEDISMUTASEINAMARINEDIATOMPLANTPHYSIOL,2006,1421701170914RODRIGUEZSERRANO,METALPEROXISOMALMEMBRANEMANGANE

25、SESUPEROXIDEDISMUTASECHARACTERIZATIONOFTHEISOZYMEFROMWATERMELONCITRULLUSLANATUSSCHRADCOTYLEDONSJEXPBOT,2007,58102417242715赵先英,刘毅敏,罩军,等微量元素硒锰氟对SOD活性的影响J第三军医大学学报,2004,26217117316杨铸,李传勇乐果对菠菜叶片POD、SOD、CAT活性及MDA含量的影响J亚热带植物科学,2004,334192117栾晓燕,陈怡,杜维广,等。不同抗性大豆品种感染SWV后过氧化物酶、多酚氧化酶、超氧化物歧化酶的变化分析J大豆科学,2001,2032

26、020318郑爱珍,刘传平,沈振国镉处理下青菜和白菜MDA含量POD和SOD活性的变化J湖北农业科学,2005,1676919冯建灿,张玉沽,杨天柱,低温胁迫对喜树幼苗SOD活性、MDA和脯氨酸含的影响J林业科学研究,2002,15219720220耶兴元,马修旺,王顺才,等高沮胁迫对猕猴桃幼苗叶片某些生理效应的影响J西北农林科技大学学报,2004,3212333721李敏,王维华,王然,等高温胁迫对菠菜叶片保护酶活性和膜透性的影响J园艺学报,2004,3119910022胥耀平,刘西平,付留记不同温度和水分胁迫对栾树SOD的影响J西北林学院学报,1996,114919323姜慧芳,任小平干早

27、胁迫对花生叶片SOD活性和蛋白质的影响J作物学报,2004,30216917224陆燕元,邓西平转入CU/ZNSOD和APX基因对甘薯旱后复水的恢复作用J西北农林科技大学学报,2010，138678025任安芝,刘爽植物中的超氧化物歧化酶SOD对逆境的反应J黑龙江农业科学,2002,1313426买和木提,克热力,晋甫尔盐胁迫对扁桃砧木叶片SOD、POD和CAT活性的形响J西北农业学报,2005,1469610127金兰,罗桂花盐胁迫对紫花苜蓿SOD丙二醛及SOD同工酶的影响J黑龙江畜牧兽医,2004,5151628史吉平,董永华,植建新铬对小麦幼苗超氧化物歧化酶活性的影响J河北农业大学学报,

28、1997,17增刊626529CLARE,DAETALSUPEROXIDEDISMUTASEANDCHILLINGINJURYINCHLORELLAELLIPSOIDEAARCHBIOCHEMBIOPHYS1984,23115816330LI,XETALTOXICITYOFCYPERMETHRINONGROWTH,PIGMENTS,ANDSUPEROXIDEDISMUTASEOFSCENEDESMUSOBLIQUUSECOTOXICOLOGYANDENVIRONMENTALSAFETY2005,6018819231OKAMOTO,OKCOLEPICOLO,PRESPONSEOFSUPEROXI

29、DEDISMUTASETOPOLLUTANTMETALSTRESSINTHEMARINEDINOFLAGELLATEGONYAULAXPOLYEDRACOMPBIOCHEMPHYSIOL1998,119C1677332COLLEN,JETALSTRESSTOLERANCEANDREACTIVEOXYGENMETABOLISMINTHEINTERTIDALREDSEAWEEDSMASTOCARPUSSTELLATUSANDCHONDRUSCRISPUSPLANT,CELLANDENVIRONMENT1999,221143115133LOHRMANN,NLETALSEASONALACCLIMATIZATIONOFANTIOXIDANTSANDPHOTOSYNTHESISINCHONDRUSCRISPUSANDMASTOCARPUSSTELLATUS,TWOCOOCCURRINGREDALGAEWITHDIFFERINGSTRESSTOLERANCESBIOLBULL2004,207225232