同工酶的来源和分类

12．4．1　SOD同工酶的来源和分类

12．4．1．1　根据金属辅基不同的分类

超氧化物歧化酶是一种金属酶，根据酶的活性中心所含有的金属辅基的不同，具有SOD活性的物质主要可以分为Cu，Zn－SOD，Fe－SOD，Mn－SOD三类。

（1）Cu，Zn－SOD。Cu，Zn－SOD主要存在于真核细胞的胞液和叶绿体中，呈现蓝绿色，相对分子质量约为32kD，它由两个亚基组成，每个亚基各含有1个Cu^2＋和1个Zn^2＋。

（2）Fe－SOD。Fe－SOD和Mn－SOD比较相似，但是它们有明显的氨基酸组成和对H₂O₂敏感性的差异。Fe－SOD多见于原核细胞及少数植物细胞中，为黄褐色，相对分子质量为38．7　kD左右。Fe－SOD由两个亚基组成，每个亚基各含有1个Fe^3＋。

（3）Mn－SOD。紫红色的Mn－SOD在原核生物细胞及线粒体中比较常见，相对分子质量在40kD左右，原核细胞中的Mn－SOD是由两个亚基组成的，而来自真核细胞线粒体中的Mn－SOD是由四个亚基组成的，且每个亚基各含有1个Mn^2＋。

除上述三种主要的SOD以外，近年来其他类型的SOD逐渐被发现。1996年Youn和Kim等分别在链霉菌属的两个菌株（Streptomyces spp及Streptomyces coelicolor）中分离得到了一种的新的含镍的超氧化物歧化酶（Ni－SOD），并对其结构及性质进行了基本的描述。此外，还从牛肝中发现了一种Co，Zn－SOD。

12．4．1．2　根据来源不同的分类

（1）微生物SOD。SOD是生物体防御氧毒性的关键性防线，最初认为SOD只存在于好氧生物和耐氧生物中，而专性厌氧生物中不存在。1973年，Bell发现在厌氧菌硫酸还原菌（sulfate reducing bacteria）中有SOD活性，以后SOD活性在多种专性厌氧菌中被发现，只是活性很低，不易检测。专性厌氧菌中的SOD可以在细菌偶尔暴露于低浓度氧环境中时抵抗氧毒性。厌氧细菌梭状芽孢杆菌属（Clostridium）、绿菌属（Chlorobium）和脱硫弧菌属（Desulfovibrio）被认为是地球上较原始的生物，它们只含Fe－SOD，而无Mn－SOD。这表明Fe－SOD出现于生命进化的早期，而Mn－SOD是在此基础上进化而来的。固氮生物如固氮杆菌属和根瘤菌属也只有Fe－SOD。

好氧和兼性厌氧细菌里含Fe－SOD或Mn－SOD，或者两者都有。例如，大肠杆菌在无氧条件下只含有Fe－SOD，而在有氧条件下还含有Mn－SOD；蓝细菌的细胞浆里有Fe－SOD，而且它们的类囊体膜上存在一种紧密结合的Mn－SOD；大多数真核藻类在其叶绿体基质里存在Fe－SOD，类囊体膜上结合着Mn－SOD，这与原核蓝细菌相似。大多数藻类不含Cu，Zn－SOD，如绿藻中不含有Cu，Zn－SOD，真菌里一般含Mn－SOD和Cu，Zn－SOD。从进化上来说，Cu，Zn－SOD是真核生物酶，但在某些细菌里却发现有Cu，Zn－SOD，如与鱼类共生的发光杆菌（P．leiognathi）中含有Cu，Zn－SOD，对氨基酸组成进行比较发现，这种菌的Cu，Zn－SOD与宿主鱼类的同源性比其他真核细胞Cu，Zn－SOD的同源性要高。

（2）植物SOD。根据SOD所结合的金属原子（离子）的不同，植物来源的SOD主要为Cu，Zn－SOD、Fe－SOD和Mn－SOD三种类型。

低等植物中的SOD以Fe－SOD和Mn－SOD为主，高等植物中则以Cu，Zn－SOD为主。Cu，Zn－SOD主要位于细胞质和叶绿体中，Mn－SOD主要位于线粒体中，Fe－SOD一般位于一些植物的叶绿体中。Fe－SOD和Mn－SOD在序列和结构上具有很高的同源性，Cu，Zn－SOD与Fe－SOD或Mn－SOD之间不存在同源性。SOD存在于植物细胞内所有能够产生活性氧的亚细胞结构中，在不同植物以及同一细胞的不同亚细胞结构中SOD的类型和酶活性存在差异。

植物Mn－SOD同酵母和动物体内的Mn－SOD一样都与线粒体密切相关，它由核基因编码，在细胞质中合成蛋白质前体，蛋白质前体在线粒体前导肽作用下运输到线粒体内发挥功能。Cu，Zn－SOD主要位于植物细胞质和叶绿体中，其中叶绿体Cu，Zn－SOD由核基因编码，在细胞质中合成后由叶绿体前导肽引导进入叶绿体内，细胞质Cu，Zn－SOD主要位于靠近液泡、细胞核、质外体的细胞质区。Ogawa等采用免疫组织化学和免疫电子显微镜技术，首次发现在菠菜叶肉细胞的细胞核中存在Cu，Zn－SOD，它具有保护核DNA免受氧化损伤的功能。此外，在藻类和某些高等植物如白菜、拟南芥、烟草、水稻、柑橘中发现了Fe－SOD的存在。除了细胞质、叶绿体和线粒体这些亚细胞结构外，SOD还存在于乙醛酸循环体和过氧化物酶体中。

（3）动物SOD。大多数原始的无脊椎动物细胞里都存在Cu，Zn－SOD，这暗示着在动物进化的早期就有这类SOD。脊椎动物一般含Cu，Zn－SOD和Mn－SOD，人和鼠、猪、牛等动物的红细胞及肝细胞中含Cu，Zn－SOD，而从人和动物的肝细胞中也纯化了Mn－SOD。动物细胞中Cu，Zn－SOD主要存在于细胞质，但也存在于线粒体内外膜之间，Mn－SOD一般存在于线粒体基质中。

郭彦等通过研究脑瘤组织线粒体Mn－SOD的含量变化情况认为，Mn－SOD的降低是转化细胞的可靠生化指标之一，并可作为评估脑瘤分化程度的参考。

根据Cu，Zn－SOD、Fe－SOD和Mn－SOD的不同来源，将其分布情况总结于表12－4。

表12－4　三类主要超氧化物歧化酶的分布

12．4．1．3　根据酶在亚细胞结构中的不同分布分类

根据SOD在各细胞器及不同亚细胞结构中的分布，SOD可分为细胞内SOD（intracellular SOD）、细胞外SOD（extracellular SOD，EC－SOD）以及细胞周质SOD（periplasmic SOD）。

（1）细胞内SOD。在目前已经发现的SOD中绝大部分为胞内酶，即细胞内SOD。通过分级离心及细胞免疫学方法对SOD在细胞内的分布进行了研究，该项研究在20世纪80年代末基本得出大致结论：真核细胞内，胞浆中为Cu，Zn－SOD，线粒体含Mn－SOD，质体含Fe－SOD及Cu，Zn－SOD，过氧物酶体中有Cu，Zn－SOD与Mn－SOD。

（2）细胞外SOD（EC－SOD）。EC－SOD最初由Marklund于1982年从人类肺组织中提纯，它是细胞外液如淋巴液、滑液和胞浆中最主要的SOD。EC－SOD是一种弱亲水性的糖蛋白，大部分生物体EC－SOD是四聚体，少数为二聚体。早期的研究显示EC－SOD只占组织SOD总活性的0．5%～20%，因而推测这种酶不是细胞外超氧阴离子自由基的有效清除剂，而近年的研究表明EC－SOD在某些组织中的含量并不像最初认为的那样稀少。EC－SOD以血管、肺、肾脏及膀胱组织中的浓度最高，在胰腺、子宫中表达活性也较高，是脐带和子宫中SOD主要的同工酶，也是血管组织中SOD的主要形式，而在眼、骨骼肌、肝脏及脑中浓度较低。组织中的EC－SOD主要存在于细胞外液和结缔组织细胞外基质中及细胞表面，占体内全部EC－SOD的90%～99%，但许多成纤维细胞、胶质细胞及内皮细胞也能合成、分泌。EC－SOD的作用是清除超氧阴离子自由基生成过氧化氢，使之在过氧化氢酶或过氧化物酶和还原剂的作用下生成H₂O。

（3）细胞周质SOD。在近年来的研究中发现，许多革兰氏阴性细菌将SOD分泌到（运输到）它们的周质空间，细胞周质SOD是一类存在于G^－周质空间的含铜锌的SOD。

1974年Puget和Michelson在与海洋鱼类Leiognathid共生的海洋细菌发光菌属Photobacterium leiognathi中分离出了一种含铜锌的SOD，与血球铜蛋白（erythrocuprein）相对应，称之为细菌铜蛋白（bacteriocuprein），通过紫外吸收光谱发现这种周质SOD含有1个铜原子和2个锌原子（血球铜蛋白则是含有2个铜原子和2个锌原子）。Steinman在1982年从一种自由生活、非共生的柄杆菌属细菌——新月柄杆菌（Caulobacter crescentus）CB15——中也分离到了这种存在于细胞周质的SOD，柄杆菌属细菌铜蛋白在天然结构、相对分子质量、同质（同源）二聚亚基的单体结构、酶的特异活性以及金属内含物等方面都与从真核生物中分离得到的Cu，Zn－SOD极为相似，然而对新月柄杆菌的胰蛋白酶肽段的分离和组成分析后发现，编码新月柄杆菌的周质SOD在一些真核（从酵母菌到人类）Cu，Zn－SOD高度保守的位点存在氨基酸置换。这些细菌在分泌SOD到周质空间的同时，在其胞浆中还含有Fe－SOD或Mn－SOD。