SOD

スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）は、不均化反応によりスーパーオキシドを酸素および過酸化水素へ変換する反応を触媒する酵素である。SODは各種の動物、植物および微生物に広く存在し、重要な抗酸化酵素として位置付けられる。SODは酸素に曝露される細胞を保護し、生体内のスーパーオキシドアニオンラジカルを除去することで、酸素フリーラジカルによる生体への障害に対して有効に抵抗する。

分類と分布

SODはフリーラジカルを消去する酵素の一種であり、好気性生物の生存において重要な役割を担い、酸素毒性防御の鍵となる。これまでに、細菌、真菌、原生動物、藻類、昆虫、魚類、植物および哺乳類などからSODが単離されている。これらのSODは、金属補因子の種類に応じて、少なくとも3種類（Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、Fe-SOD）に分類される。

表1．SODの分類と分布。

構造

SODは構造上、2つのグループに大別される。第1群はCu/Zn-SODであり、第2群はMn-SODおよびFe-SODである。天然に存在するSODは活性中心の金属イオンが異なる一方で、触媒活性部位は高い構造同一性と進化的保存性を示す。すなわち、活性中心金属イオンは、3または4残基のヒスチジン（His）のイミダゾリル基および1分子のH₂Oからなる四角錐または四面体配位構造をとる。第1群であるCu/Zn-SODは、SOD構造研究の進展における重要なブレークスルーであり、最も詳細に理解されているSODでもある。由来の異なるCu/Zn-SODのアミノ酸配列を比較すると、高い相同性が認められる。さらに、一部のアミノ酸は全配列で高度に保存されており、これらの残基が活性中心に関与することが示唆される。Cu/Zn-SODは、2つのサブユニットが疎水性相互作用および水素結合により二量体を形成する。ペプチド鎖内部に存在するシステインC55およびC144のチオール基からなるジスルフィド結合は、サブユニット会合に重要な役割を果たす。

Cu/Zn-SODの三次元構造に基づくと、SODの活性部位はCuを中心とする「疎水性ポケット」である。CuおよびZnは疎水性ポケットの底部に位置する。Cu(II)は4つのヒスチジン残基のイミダゾール環上のN原子と配位して平面正方形構造を形成し、さらに軸方向位置にH₂O分子1個を取り込む。Zn(II)は3つのヒスチジンおよび1つのアスパラギン酸と配位し、歪んだ四面体構造を形成する。Cu(II)とZn(II)は、1分子のヒスチジンを共有することで「イミダゾール架橋」構造を形成する。

Mn-SODおよびFe-SODはいずれも第2群に属する。Mn-SODは203個のアミノ酸残基からなる四量体である。Mn(III)は三角両錐型の配位環境にあり、軸方向の一方は水分子、他方の軸方向は配位基His-28が占め、残りの3つの配位子であるHis-83、His-170およびAsp-166は赤道面上に位置する。Fe-SODの構造は比較的単純でMn-SODに類似しており、活性中心は3つのHis、1つのAspおよび1分子のH₂Oから構成される。

触媒機構

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、負電荷と不対電子の双方を有する。条件により、O₂▪は還元剤として作用してO₂となり、また酸化剤として作用してH₂O₂となる。H₂O₂はカタラーゼ（CAT）の作用によりH₂OおよびO₂を生成する。すなわち、SODとCATの協働作用により、有害なO₂▪は無害なH₂OおよびO₂へと変換される。

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り触媒される反応。（Cerqueira M.D. et al. 2011）

SODが触媒する不均化反応によるスーパーオキシドから酸素および過酸化水素への変換は、主として以下の2段階で進行する。

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原子価、M²⁺は酸化後の金属補因子の原子価を表す。この逐次機構は反応速度論の観点から以下の利点を有する。第一に、分子内（逐次）反応により、2分子が同時に反応する際に生じる静電反発を回避でき、正電荷を帯びた活性金属が負電荷のスーパーオキシドアニオン（O₂▪）に特異的に結合する。第二に、活性部位の金属イオンによる静電引力はプロトンにより吸収・保持される。本機構では不均化反応の生成物が中性であり、相互に制約しない。第三に、第1段階で放出されるエネルギーが第2段階に供給され、スーパーオキシドアニオン（O₂▪）の還元が進行し、その後、過酸化水素還元酵素によりH₂O₂がH₂Oへ還元される。

応用

ヒト皮膚は酸素と直接接触しているため、皮膚老化および損傷を引き起こし得る。皮膚保護および酸化抑制におけるSODの作用は顕著である。多くの化粧品およびヘルスケア製品にSODが配合されており、スキンケア、抗老化および加齢性色素斑の予防に一定の効果があるとされる。

健常な生体におけるフリーラジカルの生成と消去は動的平衡にあるが、加齢に伴い体内のSOD量は低下傾向を示す。これに対応してフリーラジカルが増加すると、生体の恒常性が破綻し、各種疾患を惹起し得る。したがって、体内に適正量のSODを維持することは、健康維持および老化遅延の有効な方策である。この考え方に基づき、フリーラジカル消去剤の一つであるSODは臨床応用に向けた治療研究に用いられ、一定の有効性が報告されている。

SODは他の酸化防止剤と同様に、缶詰、ジュース、ビール等における酸化防止用途として使用でき、ペルオキシダーゼによる食品の劣化・腐敗を防止し、果実・野菜の良好な保存剤としても有用である。食品分野におけるSODの適用範囲を拡大するためには、SODの安定性向上が必要である。そのため、SODの化学修飾を行い、修飾剤として毒性および副作用のない物質（ヘパリン化合物、コンドロイチン硫酸、脂肪酸等）を選択する必要がある。これらのうち、（ガラス酸）およびラウリン酸で修飾したSODは商業生産に導入されている。研究により、SODリポソーム製剤の調製は安定性を高めるだけでなく、ヒト皮膚への吸収を促進することが示されている。

遺伝子組換え植物におけるSODの過剰発現は、植物のストレス耐性を向上させ得る。また、Mn-SOD遺伝子の過剰発現は、遺伝子組換え植物の酸化ストレス耐性を増強し得る。遺伝子工学的手法により植物におけるSOD発現を増加させることで、植物のストレス耐性を大幅に高めることが可能である。

参考文献