超氧化物歧化酶之相關文獻探討

第一節 超氧化物歧化酶之相關文獻探討

超氧化物歧化酶(Superoxide dismutases, SOD) ¹，為一種生物體自 行產生抗氧化的酵素，並廣泛地存在於各類動物、植物、微生物中，

此酵素能使細胞免於因自由基攻擊所造成的毀損或突變，是生物體中 極為重要的抗氧化劑。SOD 可催化超氧離子(superoxide, O2

․‒

)²發生自 身氧化還原反應，生成氧氣及過氧化氫：

超氧離子為生物體在進行新陳代謝時所產生之副產物，為一具有 高活性之物質。當其在生物體內時，易與水分子或其他含氧物質產生 活性氧化物(reactive oxygen species, ROS)。ROS 為具有高度氧化力之 物質，當細胞內 ROS 過量時會攻擊生物體內的 DNA、蛋白質與細胞 膜脂質，將造成無法修復之傷害。如脂質被 ROS 攻擊時，會使未飽 和脂肪酸被氧化及破壞，導致脂質過氧化物(lipid peroxide)的生成，

而當血清中脂質過氧化物濃度過高則容易誘發烏腳病與動脈硬化等 心血管疾病³。此外，超氧離子在生物體中還會與一氧化氮(NO)反應，

當在新陳代謝過程中產生超氧離子時，SOD 即能發揮重要的保 護作用。在細胞內的 SOD 存在能減少氧化反應，是緩和老化的關鍵 角色。因此，SOD 被用作抗氧化治療劑。其他醫療應用包括治療關 節炎和預防癌症治療及器官移植的副作用，也可用於阻止由於基因突 變所造成的家族型肌萎縮側索硬化症 (familiar amyotrophic lateral sclerosis, FALS) ⁵這種麻痺疾病的發展。

圖 1.1 三類型 SOD 的活性中心

在此，我們將針對目前己被發現的三類超氧化物歧化酶分別做介紹：

一、 銅/鋅超氧化物歧化酶，Cu/ZnSOD⁷

Cu/ZnSODs 是所有超氧化物歧化酶中數量最豐富的，被廣泛地 發現在真核生物和許多原核生物中。大多數從真核細胞分離出的 Cu/ZnSOD 酵素呈淡藍色，分子量約為 32k Da。其具有兩個相同次單 元體(subunit)，每個次單元體都有一個活性中心，且有皆一個銅離子 和一個鋅離子存在於其中。

二、含錳及含鐵超氧化物歧化酶，MnSOD and FeSOD⁸

Keele 等人首先在 1970 年於大腸桿菌中分離出 MnSOD，此酵素 呈淡紅色，主要存在於原核細胞與真核細胞的粒線體中，是粒線體中 主要的抗氧化酵素，負責轉化粒線體中產生的超氧離子。MnSOD 每 個單元體分子量約 19~24k Da，每個單元體中含有一個錳離子。錳離 子與三個 His 及 Asp 鍵結。

FeSOD 也是由大腸桿菌中被分離出來，此酵素呈淡黃色。其分 布於藻類、原核細菌細胞基質中。FeSOD 的氨基酸序列與 MnSOD 相 當相似，此酵素是由兩個蛋白質單元體組成，活性中心則是以三個 His 及 Asp 與鐵離子鍵結，分子量約為 8.5~22k Da。

圖 1.3 MnSOD(或 FeSOD)的蛋白質結構與活性中心

三、含鎳超氧化物歧化酶，NiSOD⁹

1996 年 ， Youn 等 人 於 鏈 黴 菌 (Steptomyces) 及 藍 綠 藻

可知其為四個蛋白質單元體構成，分子量約為 53.7 kDa，而其活中心 為鎳離子做為中心金屬，且周圍由 His1、Cys2、Cys6 等胺基酸殘基 配位而成¹⁰(圖 1.5)。

圖 1.4 鏈黴菌 Streptomyces 及藍綠藻 Cyanobacteria

圖 1.5 NiSOD 的蛋白質結構與活性中心

還原態 NiSOD 活性中心的配位環境如圖 1.6 左所示，在鎳離子 中心赤道面的平行四邊形上，配位著 His 上末端 amine 的 N 及

上 thiolate 的 S，形成 Ni^IIN2S2平面四角形結構；在氧化態 NiSOD 的

O2釋出，而鎳離子還原成正二價(61)，完成 NiSOD 催化 O2

․‒分別 轉化成 O2與 H2O2釋出的循環反應。

圖 1.7 NiSOD 於文獻上利用理論計算得到的反應機構¹⁰

最新的研究中 ¹¹，Jason Shearer 合成出具有與 NiSOD 活性中心 周圍胺基酸相同胜肽鍵的 NiSOD 的仿生化合物，{Ni(SOD^M1H(1)H^Me)}

(Ni^M1; SOD^M1H(1)H^Me = H2N-H^MeCDLPCGVYDPA; H^Me =

1.8)，在 pH = 8 時具有催化超氧化物自身氧化還原的能力，(k = 6×10⁶M^-1s^-1)。

圖 1.8 NiSOD (R=H)及仿生化合物 Ni^M1 (R=CH3)活性中心

為了研究 NiSOD 將超氧離子還原成過氧化氫之反應機制，

Shearer 利用 stopped-flow techniques 偵測超氧化物催化反應之動力學 實驗(圖 1.9)，在室溫(25 °C)不同溶劑(H₂O 及 D2O)下可測得，KIE (kinetic isotope effect)數值為 20(4)，為一相當大的數值。此 KIE 值支 持此反應為一 PCET (proton-coupled electron-transfer)過程。

圖 1.9 Ni^M1於室溫下不同溶劑中之動力學實驗¹¹

從以上動力學實驗得知，仿生化合物 Ni(II)^M1藉由 PCET 過程將 O2

․‒還原成 H2O2，自身則氧化成 Ni(III)^M1，接著 Shearer 利用具有提 供氫原子能力的化合物，如 ascorbate (BDFE = 73.6 kcalmole^‒1)及 1-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine (TEMPO-H; BDFE = 71.0 kcalmole^‒1)與氧化態 Ni(III)^M1反應，發現 TEMPO-H 可將氫原子轉移 胺基酸殘基 Cys2 上的硫原子，並將 Ni(III)^M1還原至 Ni(II)^M1(圖 1.10)，

在室溫(25 °C)下，平衡常數 k 為 26.5(8)。

圖 1.10 Ni(III)^M1

+ TEMPO-H 在室溫(25 °C)的平衡反應

經由上述利用 NiSOD 仿生化合物的動力學實驗，Shearer 認為生 物體中的 NiSOD 應具有類似之反應機制，當還原超氧離子時，會經 由配位環境中的硫醇提供質子並經過一 PCET 反應，並且為此反應中 的速率決定步驟(圖 1.11)。

圖 1.11 Shearer 提出的超氧離子與 Ni^M1之反應機制¹¹