A superóxido dismutase (SOD, ) é un encima que cataliza alternativamente a dismutación (ou partición) do radical superóxido (O2−) en oxíxeno molecular ordinario (O2) ou en peróxido de hidróxeno (H2O2). O superóxido prodúcese como un subproduto do metabolismo do oxíxeno e, se non é regulado, causa moitos tipos de danos celulares.Hayyan M., Hashim M.A., AlNashef I.M., Superoxide Ion: Generation and Chemical Implications, Chem. Rev., 2016, 116 (5), pp 3029–3085. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00407 O peróxido de hidróxeno é degradado por outros encimas como a catalase. A SOD é unha importante defensa antioxidante en case todas as células vivas expostas ao oxíxeno. Unha excepción a esta estratexia é Lactobacillus plantarum e outros lactobacilos relacionados, que usan un mecanismo diferente para previr os danos causados polo O2− reactivo.
Reacción química
Os encimas SOD encárganse de neutralizar o radical superóxido ao engadir ou retirar alternativamente un electrón das moléculas de superóxido que atopan, cambiando o O2− a unha ou dúas especies menos nocivas, que poden ser o oxíxeno molecular (O2) ou o peróxido de hidróxeno (H2O2). Esta dismutación do superóxido catalizada pola SOD pode describirse, para a SOD de Cu,Zn, coas seguintes semirreaccións: Cu2+-SOD + O2− → Cu+-SOD + O2 Cu+-SOD + O2− + 2H+ → Cu2+-SOD + H2O2
A forma xeral, aplicable a todas as formas coordinadas por metal da SOD, pode escribirse así: M(n+1)+-SOD + O2− → Mn+-SOD + O2 Mn+-SOD + O2− + 2H+ → M(n+1)+-SOD + H2O2.
onde M = Cu (n=1) ; Mn (n=2) ; Fe (n=2) ; Ni (n=2).
Nunha serie de tales reaccións, o estado de oxidación e a carga do catión metálico oscila entre n e n+1: +1 e +2 para o Cu, ou +2 e +3 para outros metais.
Tipos
Xeral
Irwin Fridovich e Joe McCord na Universidade Duke descubriron a actividade encimática da superóxido dismutase en 1968. As SODs coñecíanse previamente como un grupo de metaloproteínas de función descoñecida; por exemplo, a CuZnSOD coñecíase co nome de eritrocupreína (ou hemocupreína ou citocupreína) ou como o fármaco antiinflamatorio de uso veterinario "Orgotein". Brewer (1967) identificara unha proteína que posteriormente sería coñecida como superóxido dismutase como unha indofenol oxidase ao facer unha análise proteica de xeles de amidón usando a técnica da fenazina-tetrazolio.
Hai tres familias principais de superóxido dismutase, dependendo do pregamento proteico que presenten e o seu cofactor metálico: o tipo de Cu/Zn (que se une tanto ao cobre coma ao zinc), os tipos de Fe e Mn (que se unen ou ao ferro ou ao manganeso), e o tipo de Ni (que se une ao níquel). miniatura|dereita|Diagrama de fitas da subunidade de SOD de Cu-Zn bovina; miniatura|dereita|Sitio activo da SOD de manganeso humana; o manganeso móstrase en púrpura. miniatura|dereita|Dímeros de Mn-SOD e Fe-SOD.
Tipo de cobre e zinc. Usadas fundamentalmente polos eucariotas, incluíndo os humanos. O citosol de virtualmente todas as células eucariotas contén un encima SOD con cobre e zinc (Cu-Zn-SOD). Por exemplo, a Cu-Zn-SOD dispoñible comercialmente purifícase normalmente de células sanguíneas bovinas. O encima de Cu-Zn bovino é un homodímero cun peso molecular de 32.500. Foi a primeira SOD da que se resolveu a súa estrutura cristalina con resolución atómica, en 1975.. É un barril beta en greca de 8 febras, co sitio activo situado entre o barril e dous bucles superficiais. As dúas subunidades están estreitamente unidas, principalmente por interaccións hidrofóbicas e en menor medida electrostáticas. Os ligandos do cobre e zinc son as cadeas laterais de seis residuos de histidina e un de aspartato; unha histidina está unida entre os dous metais. Tipo de ferro ou manganeso. Usadas polos procariotas e protistas, e nas mitocondrias e cloroplastos. Tipo de ferro. Moitas bacterias conteñen unha forma do encima con ferro (Fe-SOD); algunhas bacterias conteñen Fe-SOD, outras Mn-SOD e algunhas (como E. coli) conteñen ambas. A Fe-SOD pode tamén atoparse nos cloroplastos das plantas. As estruturas tridimensionais das superóxido dismutases de Mn e Fe homólogas teñen a mesma disposición de hélices alfa, e os seus sitios activos conteñen o mesmo tipo e disposición de cadeas laterais de aminoácidos. Son xeralmente dímeros, pero hai casos de tetrámeros. Tipo de manganeso. Case todas as mitocondrias, e moitas bacterias, conteñen unha forma deste encima con manganeso (Mn-SOD). Por exemplo, a Mn-SOD das mitocondrias humanas. Os ligandos dos ións manganeso son 3 cadeas laterais da histidina, unha cadea lateral de aspartato e unha molécula de auga ou ligando hidroxilo, dependendo do estado de oxidación do Mn (respectivamente II e III).; Tipo de níquel. É tipicamente procariota. Ten unha estrutura hexámera construída a partir de feixes de 4 hélices dextoxiros, cada un dos cales contén ganchos N-terminais que quelan un ión Ni. Este gancho do Ni contén o motivo His-Cys-X-X-Pro-Cys-Gly-X-Tyr; proporciona a maioría das interaccións críticas para a unión aos metais e a catálise, e serve como un probable diagnóstico das NiSODs.;
En plantas superiores, localizáronse isocimas da SOD en diferentes compartimentos celulares. A Mn-SOD está presente nas mitocondrias e peroxisomas. A Fe-SOD encontrouse principalmente nos cloroplastos pero tamén foi detectada nos peroxisomas, e a CuZn-SOD foi localizada no citosol, cloroplastos, peroxisomas, e no apoplasto.
Humanos
Nos humanos hai tres formas de superóxido dismutase, igua que nos demais mamíferos e a maioría dos cordados. A SOD1 está localizada no citoplasma, a SOD2 nas mitocondrias, e a SOD3 é extracelular. A primeira é un dímero, mentres que as outras son tetrámeros. A SOD1 e SOD3 conteñen cobre e zinc, mentres que a SOD2, o encima mitocondrial, ten manganeso no seu centro reactivo. Os xenes están localizados nos cromosomas 21, 6 e 4, respectivamente (21q22.1, 6q25.3 e 4p15.3-p15.1).
Plantas
En plantas superiores, os encimas superóxido dismutases (SODs) actúan como antioxidantes e protexen os compoñentes celulares da oxidación causada por especies reactivas do oxíxeno. As especies reactivas do oxíxeno poden formarse como resultado da seca, lesións, herbicidas e pesticidas, ozono, actividade metabólica da planta, deficiencias en nutrientes, fotoinhibición, temperaturas externas ou do solo, metais tóxicos e raios UV ou gamma. En concreto, o O2 molecular é reducido a O2− (superóxido) cando absorbe un electrón excitado liberado de compostos da cadea de transporte de electróns. O superóxido desnaturaliza encimas, oxida lípidos, e fragmentos de ADN. As SODs catalizan a produción de O2 e H2O2 a partir de superóxido (O2−), o cal dá lugar a reactivos menos nocivos.
Cando se aclimatan a un incremento dos niveis de estrés oxidativo, as concentracións de SOD increméntanse tipicamente co grao das condicións de estrés. A compartimentalización de diferentes formas de SOD no corpo da planta fai que poidan contrarrestar os estreses de forma moi efectiva. Nas plantas hai tres clases ben coñecidas e estudadas de SODs de coencimas metálicos, que son: As SODs de Fe que constan de dúas especies, unha homodímera (que contén 1-2 Fe) e outra tetrámera (con 2-4 Fe). Pénsase que son os metaloencimas SOD máis antigos e encóntranse en procariotas e eucariotas. As SODs de Fe están localizadas máis abundantemente dentro dos cloroplastos das plantas nas que aparecen. As SODs de Mn constan dunha especie homodímera e especies homotetrámeras, cada unha das cales contén un só átomo de Mn(III) por subunidade. Encóntranse predominantemente en mitocondras e peroxisomas. As SODs de Cu-Zn teñen propiedades eléctricas moi diferentes das das outras dúas clases. Estes están concentrados no cloroplasto, citosol e nalgúns casos o espazo extracelular. Nótese que as SODs de Cu-Zn proporcionan menos protección que as SODs de Fe cando se localizan no cloroplasto.
Bacterias
Os glóbulos brancos humanos xeran superóxido e outras especies reactivas do oxíxeno para matar as bacterias. Durante a infección, algunhas bacterias (por exemplo, Burkholderia pseudomallei) producen superóxido dismutase para protexérense de ser aniquiladas.
Bioquímica
A SOD protexe das reaccións nocivas do superóxido, defendendo a célula da súa toxicidade. A reacción do superóxido con non radicais está prohibida polo spin. En sistemas biolóxicos, isto significa que as súas principais reaccións son consigo mesmo (dismutación) ou con outro radical biolóxico como o óxido nítrico (NO) ou cun metal de transición. O radical anión superóxido (O2−) dismuta espontaneamente a O2 e peróxido de hidróxeno (H2O2) bastante rapidamente (~105 M−1s−1 a pH 7). A SOD é necesaria na célula porque o superóxido reacciona con dianas celulares sensibles e fundamentais. Por exemplo, reacciona co radical NO, e xera peroxinitrito tóxico.
Como a reacción de dismutación non catalizada para o superóxido require que dúas moléculas de superóxido reaccionen entre si, a taxa de dismutación é de segunda orde con respecto á concentración inicial de superóxido. Así, a vida media do superóxido, aínda que moi curta a altas concentracións (por exemplo, 0,05 segundos a 0,1mM), é, en realidade, bastante longa a baixas concentracións (por exemplo, 14 horas a 0,1 nM). En contraste, a reacción do superóxido coa SOD é de primeira orde con respecto á concentración do superóxido. Ademais, a superóxido dismutase ten a maior kcat/KM (unha aproximación da eficiencia catalítica) de todos os encimas coñecidos (~7 x 109 M−1s−1), e esta reacción está limitada só pola frecuencia de colisión entre o encima e o superóxido. É dicir, a velocidade da reacción está "limitada pola difusión".
A alta eficiencia da superóxido dismutase parece que é necesaria para a célula: mesmo ás concentracións subnanomolares alcanzadas polas altas concentracións de SOD nas células, o superóxido inactiva o encima do ciclo do ácido cítrico aconitase, pode envelenar o metabolismo enerxético da célula, e libera ferro potencialmente tóxico. A aconitase é unha das varias (des)hidratases que conteñen grupos ferro-xofre nas rutas metabólicas que son inactivadas polo superóxido.
Fisioloxía
O superóxido é unha das principais especies reactivas do oxíxeno da célula. Como consecuencia, a SOD desempeña un papel antioxidante clave. A importancia fisiolóxica das SODs ilústrase polas graves patoloxías que presentan os ratos alterados xeneticamente para que carezan da función deste encima. Os ratos que carecen de SOD2 morren uns días despois de naceren debido a un estrés oxidativo masivo. Os ratos que carecen de SOD1 desenvolven unha ampla gama de patoloxías, incluíndo o carcinoma hepatocelular, unha aceleración da perda de masa muscular relacionada coa idade, unha incidencia temperán de cataratas e unha duración da vida reducida. Os ratos que carecen de SOD3 non mostran ningún defecto obvio e teñen unha duración da vida normal, aínda que son máis sensibles a danos hiperóxicos. Os ratos knockout para calquera dos encimas SOD son máis sensibles aos efectos letais dos compostos que xeran superóxidos, como paraquat e diquat (dous herbicidas).
As moscas Drosophila que carecen de SOD1 teñen unha duración da vida drasticamente reducida, mentres que as que carecen de SOD2 morren antes do nacemento. Os knocdowns para a SOD no nematodo C. elegans non causan alteracións fisiolóxicas importantes. Os knockouts ou mutacións nulas en SOD1 son moi prexudiciais para o crecemento aerobio no lévedo Saccharomyces cerevisiae e teñen como resultado unha drástica redución na duración da vida posdiáuxica. Os knockout para SOD2 ou mutacións nulas causan inhibición do crecemento con fontes carbonadas para a respiración ademais de diminuíren a duración da vida posdiáuxica.
Xeráronse varios mutantes procariotas nulos para SOD, incluíndo en E. coli. A perda da CuZnSOD periplásmica causa a perda de virulencia e podería ser unha interesante diana para novos antibióticos.
Papel en enfermidades