摘要:超氧化物歧化酶是生物體內清除超氧陰離子自由基的一種重要酶，具有重要的生理功能，在醫藥、食品、化妝品中有廣泛的應用前景。現從分類、分佈、結構、性質、催化機理、製備、應用等方面探討了超氧化物歧化酶的基礎研究進展。
關鍵詞:超氧化物歧化酶;生理功能;特性;應用
Advanceincurrentresearchofsuperoxidedismutase.
Abstract:SuperoxideDismutase（SOD）isanimportantenzymeinorganism，wide-lyusedinclinicaltreatment，food，reviewpresentsabasicreseachoutlineofSOD，includingclassification，distribution，structure，property，thecatalysemechanism，preparationandapplication.
Keywords:Superoxidedismutase;Physiologicfunction;Property;Application
1938年Mann和Keilin［1］首次從牛紅細胞中分離出一種藍色的含銅蛋白質（Hemocuprein），1969年Mccord及Fridovich［2］發現該蛋白有催化O2，發生歧化反應的功能，故將此酶命名爲超氧化物歧化酶（SuperoxideDismutase，SOD，）。該酶是體內一種重要的氧自由基清除劑，能夠平衡機體的氧自由基，從而避免當體內超氧陰離子自由基濃度過高時引起的不良反應，同時SOD是一種很有用途的藥用酶。有關SOD的研究受到國內外學者的廣泛關注，涉及到化學、生物、醫藥、日用化工、食品諸領域，是一個熱門研究課題。透過多年努力，在SOD的基礎研究方面取得了巨大成果。目前，SOD臨牀應用主要集中在抗炎症方面（以類風溼以及放射治療後引起的炎症病人爲主），此外對某些自身免疫性疾病（如紅斑狼瘡、皮肌炎）、肺氣腫、抗癌和氧中毒等都有一定療效;在食品工業主要用作食品添加劑和重要的功能性基料;在其它方面也有相關應用。現就有關SOD的基礎研究進展及應用方面作以簡述。
1SOD的種類與分佈
SOD是一類清除自由基的蛋白酶，對需氧生物的生存起着重要的作用，是生物體防禦氧毒性的關鍵。迄今爲止，科學家已從細菌、真菌、原生動物、藻類、昆蟲、魚類、植物和哺乳動物等生物體內都分離得到了SOD。基於金屬輔基不同，這些SOD至少可以分爲Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、Fe-SOD三種類型［3］。
表1不同種類型的SOD分佈（略）
一般來說，Fe-SOD是被認爲存在於較原始的生物類羣中的一種SOD類型;Mn-SOD是在Fe-SOD基礎上進化而來的一種蛋白類型，由於任何來源的Mn-SOD和Fe-SOD的一級結構同源性都很高，均不同於Cu/Zn-SOD的序列，可見它們來自同一個祖先;Cu/Zn-SOD分佈最廣，是一種真核生物酶，廣泛存在於動物的血、肝和菠菜葉、刺梨等生物體中。
除以上三種SOD外，Sa-OukKang等人最近又從鏈黴菌Streptomycesspp.和icotor中發現了兩種新的SOD，一種是含鎳酶即Ni-SOD，另一種是含鐵和鋅的酶即Fe/ZnSOD，它們均爲四聚體，表觀分子量分別是13KD和22KD，它們之間沒有免疫交叉反應［4～6］。
2SOD的催化機理
超氧化物歧化酶作用的底物是超氧陰離子自由基（O·-2），它既帶一個負電荷，又只有一個未成對的電子。在不同條件下，O·-2既可作還原劑變成O2，又可作氧化劑變成H2O2，H2O2又在過氧氫酶（Catalase，CAT）的作用下，生成H2O和O2，由此可見，有毒性的O·-2在H2O2又在過氧氫酶（Catalase，CAT）的作用下，生成H2O和O2，由此可見，有毒性的O·-2在SOD和CAT共同作用下，變成了無毒的H2O和O2。其作用機理如下:SOD+O·-2SOD-+O2SOD-+O·-2+2H+SOD+H2O22O·-2+2H+SODO2+H2O2H2O2CATH2O+O2
3SOD的結構和性質
3.1不同SOD的結構超氧化物歧化酶（SOD）從結構上可分爲兩族:CuZn-SOD爲第一族，Mn-SOD和Fe-SOD爲第二族。天然存在的SOD，雖然活性中心離子不同，但催化活性部位卻具有高度的結構同一性和進化的保守性，即活性中心金屬離子都是與3或4個組氨酸（His）、咪唑基（Mn-SOD含1個天門冬氨酸羧基配位）和1個H2O分子呈畸變的四方錐或扭曲的四面體配位。
CuZn-SOD作爲SOD結構上的第一族，是人們對於SOD結構研究的突破口，也是人們瞭解最多的一種SOD。比較不同來源的CuZn-SOD的氨基酸序列可以發現，它們的同源性都很高［7］。有些氨基酸還很保守，在所有序列中都不變，這暗示着這些氨基酸與活性中心有關。如圖1牛紅細胞CuZn-SOD的結構所示:每個銅原子除分別與4個組氨基酸殘基（）的咪唑氮配位外，還與一軸向水分子形成遠距離的第五配位，Zn則與3個組氨酸殘基（His61.69.78）和1個天冬氨酸（D81）配位。Cu、Zn共同連接組氨酸61組成“咪唑橋”結構。
圖1牛紅細胞CuZn-SOD的`結構示意圖［8］（略）
Mn-SOD和Fe-SOD同屬於SOD結構上的第二族，Mn-SOD是由203個氨基酸殘基構成的四聚體，Mn（Ⅲ）是處於三角雙錐配位環境中，其中一軸向配位爲水分子，另一軸向被蛋白質輔基的配位His-28佔據，另3個配基His-83、His-170和Asp-166位於赤道平面。Fe-SOD的活性中心是由3個His，1個Asp和1個H2O扭曲四面體配位而成［9］。
3.2不同SOD的性質SOD是一種酸性蛋白，在酶分子上共價連接金屬輔基，因此它對熱、pH以及某些理化性質表現出異常的穩定性，其主要的理化性質見表2。
表24種SOD的理化性質（略）
從上面可以看出，Mn-SOD、Fe-SOD的結構特徵是不含半光氨酸，含有較多的色氨酸和酪氨酸，因此紫外吸收光譜類似一般蛋白質，在280nm附近有最大吸收峯，Mn-SOD的可見光譜在475nm處附近有最大吸收，Fe-SOD在350nm處有最大吸收，這都反映了所含金屬離子的光學性質。
4SOD的生產方式
目前國內已開發的SOD產品絕大分都是Cu/Zn-SOD，它們最早是從動物的血、肝中分離提取的，主要有以下幾個步驟:溶血液的製備、選擇性熱變性、超濾濃縮、丙酮沉澱、柱層析、冷凍乾燥［10］。但是由於這種方法不可避免地發生一些交叉感染，過敏性反應等現象，開發研究從植物中提取SOD就顯得尤爲重要。我國近年來在植物SOD的研究領域有大量相關報道。許平［11］、袁藝［12］、趙文芝［13］、餘旭亞［14］等分別從大蒜、桑葉、沙棘、仙人掌中提取SOD並進行了相關研究。其提取方法主要有分步鹽析法、有機溶劑沉澱法、層析柱法等。
除了從動植物中提取SOD外，選育SOD高產菌株進行發酵生產也是比較有價值的一種方法。1997年王歲樓等人自然篩選出1株SOD高產菌株Y-216，酶活可達600U/g溼菌體［15］，並對其形成SOD的生理條件作了初步研究，爲SOD的工業化發酵生產打下了基礎。吳思芳等人研究了從啤酒廢酵母生產、提取、純化SOD的方法和條件，得到比活爲3048U/mg的SOD酶，指出開展啤酒廢酵母生產SOD的綜合利用具有經濟價值和社會意義［16］。
由於天然SOD來源有限，且具有異體蛋白免疫原性，外源SOD不易被人體接受等缺陷，使之在應用方面受到很大限制。SOD基因工程是廣開酶源，降低成本和獲得無抗原性的人源SOD的有效途徑。近年來，美、日、英、德相繼開發了微生物SOD基因工程產品，並進行了臨牀實驗［17］。我國醫學科學院基礎醫學研究所和海軍總醫院分子生物學研究室已成功將人血CuZn-SOD克隆到大腸桿菌中，表達率高達50%。施惠娟等［18，19］分別以人胎肝組織及人肝細胞株（L02）總RNA爲模板，以RT-PCR法獲得hCuZn-SOD和hMn-SODcDNA，構建表達質粒pETSOD，並匯入細胞中使之表達。分別獲得了38%和50%的高表達率，且表達的SOD有酶活性。鑑於重組的人SOD在體內半衰期仍很短，施惠娟等［20］又透過基因工程的方法將rhCuZn-SODcDNA基因改造得到了更加穩定的酶。以上說明了我國人源SOD在微生物細胞中的克隆和表達已達到了國際水平。目前，國內外在基因工程生產SOD方面均取得了可喜的成果。
5SOD的模擬研究
與天然SOD相比，SOD的模擬物有着更顯著的優點［21］。首先是獲取和製備比天然SOD要簡單得多。天然SOD要從人或其它生物中提取，這就決定了天然SOD的提取必然困難重重，而且產量不高。而模擬SOD可以用化學方法來人工合成，其物質和能量消耗低，且產量不會受到限制。其次，天然SOD作爲一種生物大分子，在進入體內時存在着諸如進入細胞能力弱、細胞滲透性差、在血中半衰期短（在人體中SOD只是在很短時間內穩定，其半衰期爲分鐘級）、不能口服、價格昂貴等缺點［22］。另外，對於非人體SOD還存在着造成免疫損傷的可能。所以人們把目光投向了SOD模擬物，尤其是低分子量模擬物上。
目前，生物無機化學家們合成和表徵了一系列含銅、錳、鐵等金屬離子的小分子配合物來模擬SOD，期待將來能用小分子模擬化合物代替SOD應用於臨牀。其中研究最多的含銅絡合物是3，5-二異丙基水楊酸銅［Cu（3，5-DIPS）］［23］，這是一種低分子量的親脂性絡合物，具有天然CuZn-SOD樣活性，可以起到抗炎及減輕由鏈脲菌素誘導產生的糖尿病。劉京萍等［24］合成的鐵（Ⅱ）-酪氨酸模擬SOD金屬酶，分子量比天然酶小得多，與天然SOD活性差距較小，且毒性小，從而大大推進了人工合成具有分子質量較小、穩定性高、毒性較底、活性較高等優點的SOD模擬物的研究工作。
但是由於超氧化物歧化酶的模擬屬於新型交叉學科，需要化學和生物學知識乃至技術的高度結合，目前的模擬還沒有走向成熟，相信隨着21世紀化學生物學的崛起，這一新興交叉學科將會對化學、生物學及醫學產生深遠的影響。
6SOD的應用
6.1SOD在食品中的應用與其它抗氧化劑一樣，SOD可作爲罐頭食品、果汁、啤酒等的抗氧化劑，防止過氧化酶引起的食品變質及現象;還可作爲水果、蔬菜等的良好保鮮劑。
由於絕大部分蔬菜、水果都含SOD，其中含量較高的有:刺梨、香蕉、獼猴桃、菠蘿、山楂、大蒜等，水果果皮中SOD活性明顯高於果肉，且水果SOD活性在儲藏期內均呈下降趨勢。人們就充分利用這些富含SOD的原料開發天然保健食品如蘆薈汁、大蒜素、刺梨汁、菠蘿汁、麥綠素等。其中麥綠素是以大麥嫩葉爲原料經濃縮提取的［29］。
其它含SOD的食品有:食用菌、扇貝、雞、調味品等。常見食用菌中猴頭菇SOD活性較強，達3120U/g溼菌絲。靈芝菌活性也很高，已被製成靈芝酒投放市場。常見調味品中，發現醬油、魚露、豆腐乳中均含SOD樣活性物質，其具體性質還有待進一步研究。
另外還可以作爲營養強化劑加入食品中製成新的保健食品，例如綠茶飲料有預防齲齒、敏感症、痛風、降壓、抑制氧化等作用［30］;番木瓜SOD酒採用低溫生物技術發酵而成，是一種低度純天然的綠色健康型果露酒，能幫助消化，消除慢性胃炎，舒張血管，降低血壓等作用。目前已開發的還有蛋黃醬、酸牛奶、可溶性咖啡、奶糖等產品。
爲擴大SOD在食品中的應用範圍，需增強SOD的穩定性，有必要對SOD進行化學修飾，選擇無毒副作用的物質作爲修飾劑，例如肝素化合物、硫痠軟骨素、脂肪酸等，其中由玻璃酸、月桂酸修飾的SOD已投入商品化生產［31］。有研究表明，製成SOD脂質體不僅能增強穩定性，還能促進人體面板的吸收。
6.2SOD在臨牀上的應用正常生命過程中產生的超氧陰離子自由基是維持生命所必需的，當其濃度過高時，對機體會造成損害。因此超氧化物歧化酶作爲其特異清除劑，在生物體的生命活動中具有重要意義。大量研究表明，SOD活性低下可以看作是某些疾病的特徵之一［9］。SOD是O·-2的“剋星”，具有抗炎、抗病毒、抗輻射、抗衰老等作用［25］。在病毒性疾病、自身免疫性疾病、心肌缺血和缺血再灌流綜合症、老年性白內障、心血管疾病、輻射病、癌和癌的放射治療預防以及人類長壽等領域的研究中也己有突破性進展［26～28］。目前，SOD作爲藥用酶已經開始試用於治療關節炎、紅斑狼瘡等疾病。
6.3SOD在其它方面的應用SOD既可以作爲藥用酶，也可作爲化妝品的添加劑，國際生化委員會，美國聯邦食品管理局稱其爲“抗衰因子”、“美容嬌子”。具有抗衰老、防曬、抗炎等功效。SOD還可以加入到牙膏、漱口水、含片等中，對預防口腔疾病有一定的療效。由中國農業大學研製的SOD系列微生物製劑即益微SOD現也已被推廣應用。例如，中國農業大學與河南省三門峽市科技局聯合開發成功的SOD功能蘋果，具有營養、保健、防病等多種作用。
7展望
目前，對SOD分子的修飾、模擬等方面的技術改造已取得了可喜的成果，但是由於天然SOD的理化性質所限，使其應用面受到了一定程度的限制。希望在不久的將來能合成出具有精確活性中心結構、熱力學穩定的和動力學惰性的模擬物，從而使SOD作爲一種高效、安全的功能因子在產業中擁有廣泛的實用前景。
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