1、模拟超氧化物歧化酶的研究进展及应用前景摘要：超氧化物歧化酶能有效清除体内的活性氧，从而避免机体损伤，但其分子量大、稳定性差，应用受局限，因此其化学模拟引起了人们的研究兴趣。本文简述了活性氧的危害、超氧化物歧化酶的作用机理以及超氧化物歧化模拟酶（特别是 CuZnSOD 模拟酶、MnSOD模拟酶）的研究进展。关键词：超氧化物歧化酶 模拟酶 金属模拟酶 1 活性氧及其危害需氧生物的生存离不开氧，但是氧的某些代谢产物及其衍生的活性物质可能会损伤机体，这些物质被称为活性氧物种(reactive oxygen species，ROS) ，是指由氧形成的，主要包括:O 2-、OH -、H2O2 等 1。适量
2、的 ROS 在分子间和细胞内信号传递、细胞生长与分化及宿主免疫防御机制等方面有重要作用 2。但是，过量的 ROS 对机体是有害的，机体内过多的活性氧会引起脂质过氧化，改变生物膜结构和功能，使蛋白质变性、交联，酶失活等，同时也与心肌休克、辐射损伤、动脉粥样硬化、免疫系统缺陷等疾病的发生、发展密切相关 1。2 超氧化物歧化酶及催化机理超氧负离子自由基（O 2-）是活性氧物种之一，可对脂质、蛋白质、核酸等进行广泛进攻而产生极大的毒害作用。而超氧化物歧化酶（SOD）是生物体内天然的 O2-的“克星“，是目前唯一一种能有效清除超氧自由基的酶 1。超氧化物歧化酶是一种广泛存在于动、植物及微生物中的金属酶，
3、按所含金属辅基的不同，至少可分为三类 3：1 、Cu-ZnSOD，呈蓝绿色，主要存在于真核细胞的细胞浆内，分子量在 32000 左右，由两个亚基组成，每个亚基含一个铜和一个锌。2、MnSOD，呈粉红色，其分子量随来源不同而异；来自原核细胞的分子量约为 40000，由两个亚基组成，每个亚基各含一个锰，来自真核细胞线粒体的 MnSOD，由 4 个亚基组成，分子量约为800000。3 、FeSOD ，呈黄色，只存在于真核细胞中，分子量在 38000 左右，由两个亚基组成，每个亚基各含一个铁。此外还有 Co-ZnSOD 和 NiSOD，分别存在于牛肝和土壤链霉菌和藻青菌中。SOD 都能催化超氧化物阴离
4、子自由基歧化为过氧化氢与氧气。此反应过程为两步：第一步，作为有害物质的超氧阴离子在 SOD 的作用下和氢离子反应，生成另一种物质过氧化氢；第二步，过氧化氢又在过氧化氢酶的作用下反应，最终生成了对生命体无害的物质水 3，如下图:尽管不同来源的 SOD 催化机理各不相同，各种 SOD 在催化反应中有共性，其共同点是在催化中都出现活性中心金属的交替还原和再氧化，用通式表示如下：其中 M（n ）代表 Cu（） 、 Fe（）或者是 Mn（） ， M（n1）则代表 Cu（） 、Fe（）或者是 Mn（） 。现已证明，Zn（）有两个作用，一是调节咪唑基与 Cu 的相互作用，二是对活性中心的结构起稳定作用。研究
5、表明，在催化过程中，随着吸收一个质子，咪唑环与 Cu 相连的一侧的 N 原子迅速地发生质子化和去质子化，两个金属离子之间的咪唑桥随之断开和再接，如图 13 所示。当 Cu（）被还原为 Cu（）时，Zn（）的结合位点只受到微小的扰动，ZnN 键仍保持着完整性，这有利于咪唑桥的重接。 43 模拟超氧化物歧化酶的研究进展自从 1973 年 weisiger 等在鸡肝中发现两种 SOD 以来，至今已采用了各种分离及分析方法，成功地从各种动物肝脏及体液中分离纯化了多种 SOD。临床上 SOD 主要用于延缓人体衰老，防上色素沉着，消除局部炎症，特别是治疗风湿性关节炎、慢性多发性关节炎及放射治疗后的炎症，因
6、其无抗原性，毒副作用较小，成为了很有临床价值的治疗酶。除了在临床上大显身手，近年来 SOD 又被广泛地应用于日用化工行业。但 SOD 有难以透过细胞膜、半衰期短（仅 5-8 min） 、稳定性不高等缺点，而使其应用受到了限制 5。为此采用化学合成手段合成具有结构和功能类似于 SOD 的配合物来模拟 SOD，将为进一步认识 SOD 的结构与功能的相关规律和开发研制新型 SOD 制剂提供重要的理论依据。对金属超氧化物歧化模拟酶的研究，主要集中在三个方面：Cu-ZnSOD 的模拟研究、MnSOD 的模拟研究及 FeSOD 的模拟研究。3.1 Cu-ZnSOD 的模拟研究X-射线单晶结构分析表明，Cu
7、-ZnSOD 的活性部位包含一个咪唑桥联的 Cu() 、Zn()结构。Cu()与 1 个水分子和 4 个来自组氨酸残基(His-44 ，-46，-61 和-118)的咪唑氮配位，呈现三角双锥畸变的四方锥构型，其中 1 个咪唑基(His-61) 的氮原子与 Zn() 桥联，另外，2 个咪唑的氮原子(His-69，-78) 和 1 个天冬氨酸残基的羧氧 (ASP-81)配位，呈畸变四面体构型。Cu() 是氧化还原的活性中心，Zn() 只起着稳定蛋白质构像的作用。 6对 CuZnSOD 模拟物的研究早期集中在对咪唑桥联铜锌异核结构的模拟 5，近年来主要集中在铜锌超氧化物歧化酶模拟物的深层次研究 6。
8、Mao 研究组用胍基修饰环糊精作为主体分子，具有合适疏水基团的单核或双核铜配合物为客体分子，然后将主客体分子进行组装，从而制备了一种环糊精包合物作为 Cu-ZnSOD 活性中心和 Arg-143 残基的超分子模拟物。分子模型计算显示模拟体系中天然酶中的胍基阳离子与铜离子的距离非常接近；光谱滴定表明该体系中咪唑桥在生理 pH 条件下稳定存在，即模拟体系中的弱相互作用对咪唑桥的稳定性起了重要作用；O 2-清除能力研究显示具有胍基的比没有胍基的模拟体系的 SOD活性提高了 30 %，表明胍基阳离子对 O2-的识别和催化活性有重要贡献 7, 8。值得注意的还有抗氧化剂与铜离子构建的 SOD 模拟物。B
9、arik 等合成了一系列铜-姜黄素的配合物，具有高的 SOD 活性，同时在脂质过氧化实验中，也表现出良好的抗氧化功效，优于铜与姜黄素比例为 1:2 的配合物，这可能由于铜离子与抗氧化剂姜黄素发生协同作用而产生较高的抗氧化活性 9。3.2 MnSOD 的模拟研究目前，锰 SOD 模拟物中研究最多的主要有锰卟啉配合物、锰大环多胺配合物、锰Schiff 碱配合物等类型，其中开展抗氧化研究最多的是前两类模拟物。锰卟啉配合物 10-13。该类 SOD 模拟物的特征是在卟啉环上的 meso 位上修饰了烷基化的吡啶季铵基团。配位锰离子一般呈+ 3 价。吡啶上 N 原子的位置能显著影响锰卟啉的活性 , 这可能
10、是由于吡啶 N 正电荷更靠近金属催化中心。若改变吡啶季铵基团上烷基链的长度，发现其对 SOD 活性没有明显影响。随着 2-吡啶基上 N-烷基链增长，其 SOD 活性基本不变。除此之外，在邻位吡啶 N 原子上用醚氧链取代烷基链能够显著地提高模拟物活性，并随着链的长度增加而增强。将卟啉环 位的 H 原子用 Br 原子取代，能大幅度地提高其对 O -2 的清除能力。若将吡啶基换成咪唑基，可携带更多醚氧链，其 SOD 活性明显提高。锰大环多胺配合物 14-16。其特征是一个五齿 N 配体的环状多胺，对其进行了多种修饰 , 得到了一系列具有高 SOD 活性的锰配合物。该类大环多胺对结构修饰较为敏感，N-
11、烷基化和不同的 R 都可能导致该配合物活性极大降低。 29 33 但其在治疗炎症、缺血再灌注损伤、心肌梗塞等与活性氧密切相关的疾病上取得显著的研究成果不可忽视。总体看来，以 19 为代表的大环多胺系列配合物是一类相当有效的 S O D 模型物，为进一步研究高效低毒的 SOD 模型物提供了新的思路 。3.3 FeSOD 的模拟研究对 FeSOD 模拟物的研究也有大量的报道，总结起来有如下几类 17：1、三脚架配体类；2、大环配体类；3、卟啉配体类；4、多氮配体类；5 、其他模拟物。4 超氧化物歧化酶的发展及应用纵观近年来对 SOD 的模拟研究，可以看出有以下特点：首先，对 SOD 的模拟研究的重
12、点已经从 Cu-ZnSOD 的模拟转移到对 MnSOD 的模拟。这是因为游离的 Cu2+在生物体内有较高的毒性，而 Mn2+在生物体内毒性较小。从模拟研究的安全角度考虑，MnSOD 的应用前景比较大。其次，模拟研究的重心从单纯 SOD 酶中心结构的模拟到 SOD 酶整体活性的模拟转移，既更注重模拟物整体在生物体内活性的研究。同时，在对 SOD 模拟研究的整个进程中，无论是对活性中心还是对酶的整体模拟，都采用含氮的杂环化合物作为配体，其原因可能是因为氮杂大环化合物在生物体内既有很好的安全性，又有较高的生物活性。SOD 模拟酶发展迅速，除了在临床上作为新型抗炎症药之外，也广泛用于日用化学工业，国内
13、外有不少化妆品，牙膏都添加有 SOD，其优点是：具有防晒、防皮肤衰老、抗炎、抗皴、抗福射等作用。因外源 SOD 能进入体内且无任何不良反应，国外还把 SOD 作为食品添加剂，如加在口香糖和饮料中；经修饰过的 SOD 还可以作为外用的药膏、眼药等添加剂。可以预言，随着人们对 SOD 更广泛更深入的研宄，不同类型 SOD、SOD 修饰物、人工合成SOD 模拟酶将在医疗、农业、保健、食品等方面将发挥更大的作用。参考文献1 李文杰. 超氧化物歧化酶在治疗超氧阴离子自由基所引起的疾病及抗衰老上的应用J. 中国药学杂志,1989,07:397-401.2 胡平，吴耿伟，夏青，毛宗万. SOD模拟及其抗氧化
14、和抗炎症功能的研究进展 . 化学进展,2009(5), 873-8793 袁世芳. 超氧化物歧化酶模型物的合成及化学模拟杯吡咯化合物及其络合物合成研究D. 山西大学有机化学, 2004.4 李欣阳. 兼具谷胱甘肽硫转移酶、谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性的三功能酶D. 吉林大学, 2008.5 Patel R N, Singh N, Shukla K K, et al. Synthesis, structure and biomimetic properties of Cu(II)-Cu(II) and Cu(II)-Zn(II) binuclear complexes: possibl
15、e models for the chemistry of Cu-Zn superoxide dismutaseJ. J Inorg Biochem, 2005,99(2):651-663.6 Khalid H, Hanif M, Hashmi M A, et al. Copper complexes of bioactive ligands with superoxide dismutase activityJ. Mini Rev Med Chem, 2013,13(13):1944-1956.7 Fu H, Zhou Y H, Chen W L, et al. Complexation,
16、structure, and superoxide dismutase activity of the imidazolate-bridged dinuclear copper moiety with beta-cyclodextrin and its guanidinium-containing derivativeJ. J Am Chem Soc, 2006,128(15):4924-4925.8 Zhou Y H, Fu H, Zhao W X, et al. Synthesis, structure, and activity of supramolecular mimics for
17、the active site and arg141 residue of copper, zinc-superoxide dismutaseJ. Inorg Chem, 2007,46(3):734-739.9 Barik A, Mishra B, Shen L, et al. Evaluation of a new copper(II)-curcumin complex as superoxide dismutase mimic and its free radical reactionsJ. Free Radic Biol Med, 2005,39(6):811-822.10 Okado
18、-Matsumoto A, Batinic-Haberle I, Fridovich I. Complementation of SOD-deficient Escherichia coli by manganese porphyrin mimics of superoxide dismutase activityJ. Free Radic Biol Med, 2004,37(3):401-410.11 Batinic-Haberle I, Spasojevic I, Stevens R D, et al. New PEG-ylated Mn(III) porphyrins approachi
19、ng catalytic activity of SOD enzymeJ. Dalton Trans, 2006(4):617-624.12 Batinic-Haberle I, Spasojevic I, Stevens R D, et al. New class of potent catalysts of O2radical dot-dismutation. Mn(iii) ortho-methoxyethylpyridyl- and di-ortho-methoxyethylimidazolylporphyrinsJ. Dalton Transactions, 2004(11):169
20、6-1702.13 Khalid H, Hanif M, Hashmi M A, et al. Copper complexes of bioactive ligands with superoxide dismutase activityJ. Mini Rev Med Chem, 2013,13(13):1944-1956.14 Aston K, Rath N, Naik A, et al. Computer-aided design (CAD) of Mn(II) complexes: superoxide dismutase mimetics with catalytic activit
21、y exceeding the native enzymeJ. Inorg Chem, 2001,40(8):1779-1789.15 Murphy C K, Fey E G, Watkins B A, et al. Efficacy of superoxide dismutase mimetic M40403 in attenuating radiation-induced oral mucositis in hamstersJ. Clin Cancer Res, 2008,14(13):4292-4297.16 Cuzzocrea S, Mazzon E, Paola R D, et al. Effects of combination M40403 and dexamethasone therapy on joint disease in a rat model of collagen-induced arthritisJ. Arthritis Rheum, 2005,52(6):1929-1940.17 张龙泽, 马书林. SOD模拟化合物的研究进展J. 药学学报, 2002,37(3):235-240.
