SOD

スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）は、スーパーオキシドを酸素と過酸化水素に変換する触媒酵素です。さまざまな動物、植物、微生物に広く存在し、重要な抗酸化物質です。スーパーオキシドジスムターゼは、酸素にさらされた細胞を保護し、体内のスーパーオキシドアニオンラジカルを除去し、酸素フリーラジカルによる生物への損傷に効果的に抵抗します。

分類と分布

SODはフリーラジカルを除去するプロテアーゼの一種であり、好気性生物の生存に重要な役割を果たし、酸素毒性の防御の鍵となります。これまでに、科学者たちは細菌、真菌、原生動物、藻類、昆虫、魚、植物、哺乳類などの生物からSODを分離しています。これらのSODは、金属補助群に応じて、Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、Fe-SODの少なくとも3種類に分類できます。

表1. SODの分類と分布。

構造

SODは構造的に2つのグループに分けることができます：Cu/Zn-SODが第一のグループで、Mn-SODとFe-SODが第二のグループです。自然に存在するSODは異なる活性中心イオンを持っていますが、触媒活性部位は高い構造的同一性と進化的保存を持ち、すなわち活性中心イオンは3または4のヒスチジン（His）、イミダゾリルおよび1つのH₂O分子からなる四面体または四角錐です。Cu/Zn-SODはSODの第一グループとして、SOD構造の研究における画期的なものであり、最も広く理解されているSODでもあります。異なる供給源からのCu/Zn-SODのアミノ酸配列を比較すると、それらの相同性が高いことがわかりました。一部のアミノ酸は非常に保存的であり、すべての配列で変化しないことが示唆されており、これらのアミノ酸が活性中心に関連していることを示しています。各分子のCu/Zn-SODは、疎水性相互作用と水素結合を介して2つのサブユニットによって二量体化されます。ペプチド鎖内のシステインC55およびC144のチオール基からなるジスルフィドブリッジは、サブユニットの結合に重要な役割を果たします。

Cu/Zn-SODの三次元構造によれば、SODの活性部位はCuを中心とした「疎水性ポケット」です。CuとZnは疎水性ポケットの底にあります。Cu(II)は4つのヒスチジン残基のイミダゾール環のN原子と配位して平面四角形構造を形成し、軸方向にはH₂O分子も取り込まれています。Zn(II)は3つのヒスチジンと1つのアスパラギン酸と配位して歪んだ四面体構造を形成します。Cu(II)とZn(II)は、ヒスチジンの1分子を共結合させることによって「イミダゾールブリッジ」構造を形成します。

Mn-SODとFe-SODはSODの第二グループに属します。Mn-SODは203のアミノ酸残基からなるテトラマーです。Mn(III)は三角双錐の配位環境にあり、1つの軸方向の配位は水分子で、もう1つの軸方向は配位基His-28が占め、他の3つの配位子His-83、His-170およびAsp-166は赤道面に位置しています。Fe-SODの構造は比較的単純で、Mn-SODに似ており、活性中心は3つのHis、1つのAspおよび1つのH₂Oから構成されています。

触媒メカニズム

スーパーオキシドジスムターゼの基質はスーパーオキシドアニオンラジカル（O₂▪）であり、負の電荷と不対電子の両方を持っています。異なる条件下で、O₂▪は還元剤としてO₂になり、酸化剤としてH₂O₂になります。H₂O₂はカタラーゼ（CAT）の作用によりH₂OとO₂を生成します。SODとCATの共同作用により、有毒なO₂が無毒なH₂OとO₂に変換されることがわかります。

図1. スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）、カタラーゼ、およびグルタチオンペルオキシダーゼによって触媒される反応。（Cerqueira M.D. et al. 2011）

SODによるスーパーオキシドの酸素と過酸化水素への変換は、主に2つのステップで達成されます。

M³⁺ + O₂▪ + H⁺ → M²⁺(H⁺) + O₂

M²⁺(H⁺) + H⁺ + O₂▪ → M³⁺ + H₂O₂

Mは金属補因子を表し、M³⁺は金属補因子の最高価を表し、M²⁺は酸化後の金属補因子の価を表します。この段階的メカニズムは、反応速度論の観点から以下の利点があります。第一に、分子反応は2つの分子の同時反応間の静電的反発を克服でき、正に帯電した活性金属が負に帯電したスーパーオキシドアニオン（O₂▪）に特異的に結合します。第二に、活性部位の金属イオンの静電的引力はプロトンによって吸収され保存されます。このメカニズムでは、二量体反応の生成物は中性であり、お互いに制約を与えません。第三に、第一ステップ反応によって放出されるエネルギーは第二ステップに供給され、スーパーオキシドアニオン（O₂▪）を還元し、その後過酸化水素還元酵素によってH₂Oに還元されます。

応用

人間の皮膚は酸素と直接接触しているため、皮膚の老化や損傷を引き起こす可能性があります。SODの皮膚保護および酸化防止効果は優れています。多くの化粧品や健康食品にはSODが添加されており、スキンケア、抗老化、シミ防止に一定の効果があります。

正常な健康な生物におけるフリーラジカルの生成と除去は動的平衡にありますが、年齢が増すにつれて、体内のSODの含有量は減少傾向を示します。それに伴い、フリーラジカルの増加は体のバランスを崩し、さまざまな病気を引き起こします。したがって、体内に適切な量のSODを維持することは、健康を維持し、老化を遅らせる効果的な方法です。この原則に基づき、フリーラジカル除去剤の1つであるSODは、臨床治療研究に使用され、一定の効果を上げています。

他の酸化剤と同様に、SODは缶詰食品、ジュース、ビールなどの酸化防止剤として使用され、過酸化酵素による食品の劣化や腐敗を防ぎ、果物や野菜の良好な保存料としても使用されます。食品におけるSODの応用範囲を拡大するためには、SODの安定性を高める必要があります。SODを化学的に修飾し、毒性副作用のない物質を修飾剤として選択する必要があります。例えば、ヘパリン化合物、コンドロイチン硫酸、脂肪酸などです。その中でも、グラス酸とラウリン酸で修飾されたSODは商業生産に投入されています。研究によれば、SODリポソームの調製は安定性を高めるだけでなく、人間の皮膚の吸収を促進します。

転写植物におけるSODの過剰発現は、植物のストレス耐性を高め、Mn-SOD遺伝子の過剰発現は転写植物の酸素ストレス耐性を高めることができます。遺伝子工学によって、植物におけるSODの発現を増加させることで、植物のストレス耐性を大幅に向上させることができます。

参考文献