超氧化物歧化酶應(yīng)用研究狀態(tài)

何獻(xiàn)君 梁曉冬 呂曉峰 王文娟

文獻(xiàn)綜述

超氧化物歧化酶應(yīng)用研究狀態(tài)

何獻(xiàn)君 梁曉冬 呂曉峰 王文娟

超氧化物歧化酶是一種廣泛存在于生物體內(nèi)的金屬酶。作為氧自由基清除劑，在抗衰老、防輻射、防治腫瘤等方面顯示出獨(dú)特的功能，因此在化妝品、食品及臨床領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用和開發(fā)前景。本文從其分布、分類、理化性質(zhì)、生理功能及相關(guān)應(yīng)用等方面概述了超氧化物歧化酶的研究進(jìn)展情況，并對其仍存在的問題和應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

超氧化物歧化酶；應(yīng)用；進(jìn)展

超氧化物歧化酶（surperoxide dismutase，EC.1.5.1.1，SOD）是一類金屬酶[1]，該酶廣泛存在于動物、植物和微生物等多種生物體內(nèi)的。1938年由Mann和Keilin從牛紅細(xì)胞中分離得到。1969年Mecord和Fridovich發(fā)現(xiàn)該蛋白質(zhì)能催化清除超氧陰離子自由基（O2-）的反應(yīng)，是一種重要的氧自由基清除劑，可平衡機(jī)體的氧自由基，從而避免當(dāng)機(jī)體內(nèi)超氧陰離子自由基濃度過高時引起的不良反應(yīng)，在防輻射、抗衰老、抑制腫瘤和自身免疫治療等方面顯示出獨(dú)特的功能，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2]。通過幾十年的努力，SOD的研究有了很大進(jìn)展，在食品、化妝品、及臨床等方面有著廣泛的應(yīng)用，本文從其分布、分類、理化性質(zhì)、生理功能、應(yīng)用等方面概述了SOD的研究進(jìn)展，為SOD的研究、開發(fā)提供依據(jù)。

1 SOD的分布、分類及理化性質(zhì)

國內(nèi)外的研究結(jié)果顯示，人們已從多種生物體內(nèi)分離得到SOD。根據(jù)活性中心結(jié)合的金屬離子不同，SOD主要分為：①Cu/Zn-SOD，主要存在于真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中（如豬血、豬肝）[3]；②Fe-SOD，主要存在于原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的基質(zhì)中（如綠菌屬、脫硫弧菌屬）；③Mn-SOD，主要存在于原核細(xì)胞及少數(shù)植物細(xì)胞中（如人肝細(xì)胞的胞液）[4]。除了以上 3 種 SOD 外，最近又從鏈霉菌Streptomyces s p p .和S . coel icotor中發(fā)現(xiàn)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，它們均為四聚體，表觀相對分子質(zhì)量分別為 13×103和22×103，它們之間沒有免疫交叉反應(yīng)[5]。4類主要SOD的理化性質(zhì)見表1。

2 SOD的生理功能[6]

機(jī)體在正常情況下，體內(nèi)產(chǎn)生的超氧陰離子自由基（O2-）與其被清除是平衡的，當(dāng)（O2-）產(chǎn)生過多而無法及時清除時，就會對機(jī)體產(chǎn)生毒害作用，這也是導(dǎo)致衰老的原因之一。而SOD是一種能夠清除氧自由基的酶，它能催化氧自由基發(fā)生歧化反應(yīng)。其作用原理為將超氧陰離子自由基歧化為過氧化氫和氧氣，再經(jīng)過氧化氫酶作用轉(zhuǎn)化為水和氧氣，從而達(dá)到消除超氧陰離子自由基的目的。因而SOD具抗衰老、增加機(jī)體對外界環(huán)境的適應(yīng)能力、提高機(jī)體對多種疾病的抵抗能力等生理作用[7]。

3 SOD在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

機(jī)體在正常情況下產(chǎn)生的超氧陰離子自由基是維持生命活動所必需的，但其濃度過高時，會對機(jī)體產(chǎn)生有害影響，就必須將其清除，SOD正是在這方面擔(dān)當(dāng)著重要的角色。不但機(jī)體會產(chǎn)生超氧陰離子自由基，環(huán)境中多種物理及化學(xué)因素也能產(chǎn)生該自由基，如電離輻射、紫外線、光敏劑及金屬離子等，因此SOD在防止這些因素造成生物體的損傷方面也發(fā)揮著重要作用。

3.1 SOD在化妝品領(lǐng)域中的應(yīng)用

早在1955年，Harman就提出衰老與自由基有密切關(guān)系，這意味著若防御O2-的能力強(qiáng)，氧消耗少，則物種壽命就越長。研究同時發(fā)現(xiàn)，在人紅細(xì)胞中，SOD的活力隨供者年齡的升高而下降，人皮膚中的Cu/Zn-SOD和Mn-SOD的活力變化與年齡呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]。尤其值得注意的是，Semseil等[9]發(fā)現(xiàn)老齡大鼠肝、腦SOD活力降低時，其相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄水平幾乎以同樣比例下降，由此可以推測老齡大鼠SOD活性的下降與相應(yīng)基因表達(dá)減少有關(guān)。因此，SOD活力水平與衰老有直接關(guān)系，補(bǔ)充外源的SOD有助于延緩衰老。

SOD的一個重要應(yīng)用就是可以作為化妝品的添加劑。研究表明，化妝品中添加SOD可起到四方面的作用[10]：①有明顯的防曬效果，皮膚變黑的主要原因是氧自由基的損害，SOD可有效防止皮膚受紫外線的輻射，從而起到防曬效果；②SOD為抗氧酶，能有效防止皮膚衰老、祛斑、抗皺；③有明顯的抗炎效果；④對防治皮膚病有一定效果。另外，SOD具有一定的防治瘢痕形成的作用。國內(nèi)外不少高級化妝品添加有SOD，典型化妝品如北京三露開發(fā)的大寶SOD蜜，受到國內(nèi)消費(fèi)者的喜愛。實驗證明，外源SOD能透過皮膚進(jìn)入體內(nèi)，還有大量資料和實驗證實，SOD無毒、無不良反應(yīng)。但作為化妝品每克基質(zhì)中SOD的活性不應(yīng)低于100U，可采用修飾SOD代替天然SOD[11]，還應(yīng)注意化妝品中防腐劑和表面活性劑的品種和濃度等。

3.2 SOD與植物抗逆性

植物處于逆境下，也會產(chǎn)生自由基反應(yīng)。胡景江等[12]對元寶楓進(jìn)行模擬脅迫處理發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫條件下元寶楓的SOD活性先下降而后逐漸回升至接近正常水平。另外，空氣中的SO2與水作用后可形成酸雨或酸霧，當(dāng)被植物吸收后可誘導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生多種自由基，發(fā)生缺綠病、壞死或早落等。SO2還能誘導(dǎo)過氧化物活性上升，而SOD可減輕過氧化物活性上升給植物帶來的損傷。研究表明，耐干旱、霜凍、高鹽堿、有毒物質(zhì)等的植物內(nèi)SOD活性明顯較高，故SOD與植物耐逆境能力有關(guān)，有助于培養(yǎng)抗逆能力強(qiáng)、有經(jīng)濟(jì)效益的新品種[13]。

表1 4類主要SOD的理化性質(zhì)

表2 SOD藥物的開發(fā)及應(yīng)用

3.3 SOD在食品工業(yè)中的應(yīng)用

基于SOD優(yōu)質(zhì)的保健作用，人們將SOD添加應(yīng)用于食品中，讓人食用后吸收利用，發(fā)揮其作用。如實驗人員用可提高體內(nèi)SOD的水平的金針菇（Flammulina velulips）發(fā)酵液處理后的飼料（飼料中加入金針菇發(fā)酵液）飼喂小鼠，能使其紅細(xì)胞SOD活性增加32.0%，現(xiàn)已證明該發(fā)酵液配制的功能飲料具有抗癌、增智、防衰老等功效。

此外市場上還出現(xiàn)了強(qiáng)化SOD牛奶，在牛奶中添加SOD使牛奶中的SOD水平與人乳相近（由于牛奶中SOD的含量低于人乳中SOD水平，前者每毫升中含3.2U，后者每毫升中含7.1U）提高人體內(nèi)SOD的水平，目前已上市的SOD強(qiáng)化牛奶和冰淇淋為試產(chǎn)品（由上海東海乳品公司開發(fā)研制），批量正式投產(chǎn)還要解決一些關(guān)鍵的工藝操作。

2002年，三門峽市從中國農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)專利的SOD蘋果在種植基地開發(fā)成功，成為全國乃至國際惟一的SOD蘋果生產(chǎn)基地。SOD 蘋果的生產(chǎn)以樹上噴施為主。施采用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的SOD系列微生物制劑，配制一定濃度，分次噴灑再生長期的蘋果樹上，通過樹枝、樹葉和幼果等樹體各部分的代謝和吸收，使蘋果果實富含SOD。專家分析，每人每天食用200g SOD蘋果（約1個蘋果，含SOD 4000個酶活單位），即可滿足當(dāng)天人體對SOD的需要，起到保健和延緩衰老的作用[14]。

除了具有保健功效外，SOD還可以在食品工業(yè)中作為抗氧化劑，應(yīng)用于罐頭食品、果汁、啤酒等的保藏，防止過氧化物酶引起食品變質(zhì)和腐敗現(xiàn)象；也可作為水果和蔬菜的保鮮劑。

3.4 SOD與醫(yī)學(xué)研究

自SOD的酶學(xué)作用被發(fā)現(xiàn)以來，已充分證明了其在防治與超氧自由基有關(guān)的疾病中的重要作用。當(dāng)機(jī)體中SOD濃度偏低或超氧陰離子產(chǎn)生過多時，均會引起機(jī)體產(chǎn)生疾病，給予外源性SOD即可防治疾病的發(fā)生。

3.4.1 燒傷

有研究表明，對于Ⅱ°～Ⅲ°燒傷的創(chuàng)面，用0.1%的SOD凝膠涂抹于患處，連續(xù)涂抹7d，每日使用2次，可顯著地加速創(chuàng)面表皮的再生和創(chuàng)傷的愈合[15]。

3.4.2 自身免疫性疾病

SOD在治療自身免疫性疾病方面效果也比較顯著。將5例系統(tǒng)性紅斑狼瘡和5例系統(tǒng)性硬化癥患者的淋巴細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其細(xì)胞中染色體斷裂現(xiàn)象增加，其血清中存在一種基因誘變劑（Clastogenic），在體外試驗中證實，后者引起正常人細(xì)胞染色體的斷裂，但加入SOD后，這種現(xiàn)象即被抑制，連同一些臨床觀察表明，以SOD治療紅斑狼瘡，皮肌炎等免疫性疾病可獲得一定療效[16]。

3.4.3 艾滋病的輔助治療

研究表明，艾滋病的發(fā)生與一種Clastogenic因子（CFs）有重要關(guān)系，該因子在HIV-1基因表達(dá)調(diào)控中起了重要作用。SOD對艾滋病有一定的治療作用，主要治療機(jī)制為：在感染HIV病毒早期，SOD能抑制CFs因子從而減除了病毒誘導(dǎo)因素。在感染早期如果能將SOD和其他藥物聯(lián)合使用，將大大延長病毒的潛伏期[17]。AZT（三疊氮二脫氧胸苷）是目前治療艾滋病的首選藥物，但其毒性較強(qiáng)，治療中往往伴隨著氧損傷，從而引起很多組織的細(xì)胞功能紊亂，應(yīng)用上受到較大的限制。若將SOD作為AZT的輔助藥應(yīng)用于艾滋病的治療，將為艾滋病的治療提供更廣闊的前景[18]。

SOD在應(yīng)用于治療時，是毒性和不良反應(yīng)很小的生物大分子，但作為抗原，多次注入體內(nèi)仍可誘發(fā)免疫反應(yīng)，故最理想的方法是將人SOD基因克隆和表達(dá)，及hSOD。世界各國也相繼成功開發(fā)了SOD基因工程產(chǎn)品，并進(jìn)行了臨床實驗，見表2。

4 SOD活性模擬物的研究

SOD的生物學(xué)作用已經(jīng)得到了充分的認(rèn)識，但其應(yīng)用仍受到了一定的限制，原因主要是SOD 具有相對分子質(zhì)量大、不易透過細(xì)胞膜、半衰期短、能被蛋白酶水解等缺點(diǎn)[19]，不少科學(xué)家正致力于用化學(xué)方法模擬合成有SOD活性的配合物[20]。這些配合物克服了天然SOD的缺點(diǎn)，具有相對分子質(zhì)量小、易溶于極性溶劑、較易透過半透膜、半衰期長、對蛋白質(zhì)酶有較強(qiáng)的抵抗力等優(yōu)點(diǎn)[21,22]。在SOD 模擬研究方面，目前研究較多的是Cu、Zn-SOD和Mn-SOD的化學(xué)模擬。前者研究聚焦于結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，而后者則偏重于在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。總體說來，SOD酶模擬物已從早期的活性中心金屬核殼結(jié)構(gòu)的模擬，發(fā)展到對活性中心金屬核殼及次層結(jié)構(gòu)的整體模擬；從單一體外生物活性研究發(fā)展到體內(nèi)抗氧化、抗炎癥及抗衰老研究[23-27]。

5 SOD應(yīng)用中存在的問題及應(yīng)用前景

綜上所述，SOD有很多可以被人們利用的功能，但SOD相關(guān)產(chǎn)品卻不多。原因如下：首先基礎(chǔ)研究不足，外源SOD經(jīng)人口服和經(jīng)皮膚吸收機(jī)制仍不明確，有研究表明，外源SOD進(jìn)入生物體后會刺激生物體自身產(chǎn)生SOD，但其產(chǎn)生機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。其次還存在著吸收的外源SOD與自身產(chǎn)生SOD的作用是否協(xié)調(diào)一致[28]。關(guān)于SOD酶活力的測定方法問題，目前已建立了很多種，但各方法間測定結(jié)果的差異很大，不具有可比性；SOD酶活性的表示方法也不統(tǒng)一，我國在1991年5月召開了“全國SOD活性檢測與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)學(xué)術(shù)研討會”，會上雖然制定了化妝品和食品中SOD添加的標(biāo)準(zhǔn)，但尚未制定含SOD的保健食品的添加標(biāo)準(zhǔn)，給規(guī)范和監(jiān)督這類功能性食品的質(zhì)量造成了一定困難；對于特殊人群，攝入多少SOD才具有明顯生理作用，在特定的時期（如懷孕時）是否可以攝入外源SOD；另外SOD的生產(chǎn)成本現(xiàn)在還較高，商家也會考慮到生產(chǎn)成本問題，此外還有酶的最適溫度、最佳活性以及加入食品或化妝品中還應(yīng)考慮其他因素的影響問題直接影響SOD功能在各方面的研制、開發(fā)。

目前，SOD的研究熱點(diǎn)仍集中在對SOD分子進(jìn)行化學(xué)修飾，脂質(zhì)化改造，運(yùn)用基因工程法制備SOD，人工有機(jī)合成SOD 模擬酶的研究上，并且已取得了可喜的成果。在臨床上，SOD已應(yīng)用于一些炎癥、腫瘤、皮膚病等的治療和預(yù)防。在國外，已有專利生產(chǎn)SOD消炎藥、治局部缺血癥SOD制劑等。隨著研究的不斷深入，將進(jìn)一步探明不同物種SOD差異性和SOD的遺傳信息，進(jìn)一步加快SOD模擬酶的開發(fā)與應(yīng)用，為SOD的應(yīng)用提供更加廣闊的前景。

[1] MannT,Keilin D.Haemocuprein and hepatocuprein,copper-protein compounds of blood and liver in mammals[J].Proc R Soc B,1938,126(844):303-315.

[2] McCord JM,Fridovich I.Superoxide dismutase:An enzymatic function for erythrocuprein(hemocuprein)[J].J Biol Chem,1969,24 4(22):6049-6055.

[3] Patel RN,Singh N,Shukla KK,et al.Synthesis,structure and biomimetic properties of Cu(II)-Cu(II)and Cu(II)-Zn(II)binuclear complexes:possible models for the chemistry of Cu-Zn superoxide dismu-tase[J].J Inorg Biochem,2005,99(2):651-663.

[4] 陳鴻鵬,譚曉風(fēng). 超氧化物歧化酶SOD研究綜述[J].經(jīng)濟(jì)林研究,2007,25(1):59-61.

[5] 李敬璽,劉繼蘭,王選年,等.超氧化物歧化酶研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].動物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2007,28 (7) :70-75.

[6] 時沁峰.曹威榮超氧化物歧化酶(SOD)的研究概況[J].畜禽業(yè),2009(4):66-68.

[7] 馮優(yōu),滕莉,王鳳山.超氧化物歧化酶的研究進(jìn)展[J].食品與藥品,2006,8(02A):5-8.

[8] 章軼鋒,唐善虎,秦文玲,等.銅鋅超氧化物歧化酶的研究進(jìn)展[J].四川畜牧獸醫(yī),2008(1):33-35.

[9] Semseil L.Mech Aging Dev,1999,58 (1):13-19.

[10] 馬振華,楊紅強(qiáng),楊瓊.超氧化物歧化酶(SOD)的功能及應(yīng)用[J].新學(xué)術(shù),2008(4):316-319.

[11] 侯孝軍,劉樹滔,潘劍茹.SOD特性改善技術(shù)研究進(jìn)展[J].海峽藥學(xué),2009,21(2):11-14.

[12] 胡景江,文建雷,王姝清.土壤干旱對元寶楓滲透調(diào)節(jié)能力的影響[J].西北植物學(xué)報,2004,24(10):1832-1836.

[13] 李金華,王豐,廖亦龍.水稻種子活力的生理生化及遺傳研究[J].分子植物育種,2009,7(4) :772-777.

[14] 仇宏昌,張煥珍,高艷華.SOD蘋果發(fā)展前景和生產(chǎn)技術(shù)[J].果農(nóng)之友,2004,15(3):15.

[15] Hwang CC,Fang RH.J Surg Assoc Rup China,1995,28(5):387.

[16] 馮高閎. 超氧化物歧化酶臨床藥理研究進(jìn)展[J].江西醫(yī)學(xué)院學(xué)報,1993,33(4):102-106.

[17] Edeas MA,Ementi I,Khalfoun Y,et al.Clastogenic factors in plasma of HIV-1 infected patients active HIV-1 replication in vitro:inhibition by superoxide dismutase [J].Free Radic Biol Med,1997,23(4):571-578.

[18] Prakash O,Teng S,Ai M,et al.The human immunodeficiency virus type 1 Tat protein potentiates zidovudine induced cellular toxicity in transgenic mice[J].Arch Bochum Biophys,1997,343(2):173-180.

[19] Riley DP.Functional Minics of Superoxide Dismutase Enzymes as Thera-peutic Agents[J].Chem Rev,1999,99(9):2573-2588.

[20] 史春艷,左夏林,丁宇.超氧化物歧化酶修飾改造的研究進(jìn)展[J].中國老年學(xué)雜志,2009,29(13):1723-1725.

[21] Pong K1Oxidative stress in neurodegenerative diseases:therapeutic implications for super oxide dismutase mimetics[J].Expert Opin BioTher,2003,3 (1) : 1272-1291.

[22] Peng J,Stevenson FF,Doctrow SR,et al1Superoxide dis mutase /catalase mimetics are neurop rotective against selective paraquat2 mediated dopam-inergic neur on death in the substantial nigra:imp licati ons for Parkins on Disease [J]. J Biol Chem,2005,280(32) : 291-294.

[23] 胡平,吳耿偉,夏青,等.SOD 模擬及其抗氧化和抗炎癥功能的研究進(jìn)展[J].化學(xué)進(jìn)展,2009,21(5):873-879.

[24] 丁書茂,楊旭.超氧化物歧化酶及其模擬化合物研究進(jìn)展[J].高等函授學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,17(1):1-5.

[25] 魏文樹,曾昭全,劉錫鈞.超氧化物歧化酶模擬物研究進(jìn)展[J].藥物生物技術(shù),2003,10(4):256-260.

[26] 張龍澤,馬書林.SOD模擬化合物的研究進(jìn)展[J].藥學(xué)學(xué)報,2002,37(3):235-240.

[27] 楊東升.超氧化物歧化酶的研究與應(yīng)用[J].化學(xué)與生物工程,2004,21(3):7-9.

[28] 姜云,茅力,蔡云清.果蔬中超氧化物歧化酶的提純與測活技術(shù)研究進(jìn)展[J].食品科學(xué),2008,29(12):780-784.

醫(yī)學(xué)科技期刊物理量（physical quantity）與縮寫

用于定量地掃描物理現(xiàn)象的量，即科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里使用的表示長度、質(zhì)量、時間、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量和發(fā)光強(qiáng)度的量。使用的單位應(yīng)是法定計量單位。

兩分鐘→2min，一秒鐘→1s，三小時→3h，4天→4d，1國際單位用IU。國際代號不用于無數(shù)字的文句中，如每天不能用每d，但每天10mg應(yīng)寫為10mg/d，次/秒→次/s。

Q55

A

1671-8194（2010）15-0037-03

北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃項目，北京城市學(xué)實驗室開放基金資助項目（KF200806）

北京城市學(xué)院 生物技術(shù)實驗中心（100094）