Superóxido dismutasa

Superóxido dismutasa (SOD, EC 1.15.1.1) es una enzima que cataliza alternativamente la dismutación (o partición) del superóxido (O ⁻
₂) radical en oxígeno molecular ordinario (O₂) y peróxido de hidrógeno ( H
₂O
₂). El superóxido se produce como un subproducto del metabolismo del oxígeno y, si no se regula, causa muchos tipos de daño celular. El peróxido de hidrógeno también es dañino y es degradado por otras enzimas como la catalasa. Por lo tanto, SOD es una defensa antioxidante importante en casi todas las células vivas expuestas al oxígeno. Una excepción es Lactobacillus plantarum y los lactobacilos relacionados, que usan un mecanismo diferente para prevenir el daño de los reactivos O⁻
₂.

Reacción química

Las SOD catalizan la desproporción de superóxido:

2 HO₂ → O₂ + H₂O₂

De esta manera, O⁻
₂ se convierte en dos especies menos dañinas.

La vía por la cual se puede escribir la dismutación de superóxido catalizada por SOD, para Cu,Zn SOD, con las siguientes reacciones:

• Cu²⁺-SOD + O⁻
  ₂ → Cu⁺-SOD + O₂ (reducción del cobre; oxidación de la superóxido)
• Cu⁺-SOD + O⁻
  ₂ + 2H⁺ → Cu²⁺-SOD + H₂O₂ (oxidación del cobre; reducción de la superóxido)

La forma general, aplicable a todas las diferentes formas de SOD coordinadas con metales, se puede escribir de la siguiente manera:

• M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺-SOD + O⁻
  ₂ → Mⁿ⁺-SOD + O₂
• Mⁿ⁺-SOD + O⁻
  ₂ + 2H⁺ → M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺-SOD + H
  ₂O
  ₂

donde M = Cu (n=1); Manganeso (n=2); FE (n=2); Ni (n=2) solo en procariotas.

En una serie de tales reacciones, el estado de oxidación y la carga del catión metálico oscilan entre n y n+1: +1 y +2 para Cu, o +2 y +3 para los demás metales.

Tipos

Generales

Irwin Fridovich y Joe McCord de la Universidad de Duke descubrieron la actividad enzimática de la superóxido dismutasa en 1968. Las SOD se conocían anteriormente como un grupo de metaloproteínas con función desconocida; por ejemplo, la CuZnSOD se conocía como eritrocupreína (o hemocupreína o citocupreína) o como el fármaco antiinflamatorio veterinario "orgoteína". Asimismo, Brewer (1967) identificó una proteína que luego se conoció como superóxido dismutasa como una indofenol oxidasa mediante el análisis de proteínas de geles de almidón utilizando la técnica de fenazina-tetrazolio.

Hay tres familias principales de superóxido dismutasa, según el pliegue de la proteína y el cofactor metálico: el tipo Cu/Zn (que se une tanto al cobre como al zinc), los tipos Fe y Mn (que se unen al hierro o al manganeso) y el tipo Ni (que se une al níquel).

Diagrama de la cinta de la subunidad de la SOD bovina Cu-Zn

Sitio activo de humano Manganese SOD, manganeso mostrado en púrpura

Mn-SOD vs Fe-SOD dimers

• Cobre y zinc – más comúnmente utilizado por eucariotas, incluyendo humanos. Los citosoles de prácticamente todas las células eucariotas contienen una enzima SOD con cobre y zinc (Cu-Zn-SOD). Por ejemplo, Cu-Zn-SOD disponible comercialmente se purifica normalmente de los glóbulos rojos bovinos. La enzima bovine Cu-Zn es un homodimer de peso molecular 32,500. Fue el primer SOD cuya estructura de cristal de cola atómica se resolvió en 1975. Se trata de un beta-barrel de 8 ejes, con el sitio activo mantenido entre el cañón y dos lazos de superficie. Las dos subunidades se unen firmemente hacia atrás, principalmente por interacciones hidrofóbicas y electrostáticas. Los ligandos del cobre y el zinc son seis histidina y una cadena lateral aspartada; una histidina está ligada entre los dos metales.
• 

  Sitio activo para el superóxido de hierro dismutase
  Hierro o manganeso – utilizado por procariotas y protistas, y en mitocondria y cloroplastos
  • Hierro – Muchas bacterias contienen una forma de la enzima con hierro (Fe-SOD); algunas bacterias contienen Fe-SOD, otras Mn-SOD, y algunas (como E. coliContiene ambos. Fe-SOD también se puede encontrar en los cloroplastos de plantas. Las estructuras 3D de las dismutas homologosas Mn y Fe superóxido tienen el mismo arreglo de alfa-helices, y sus sitios activos contienen el mismo tipo y arreglo de las cadenas laterales aminoácidos. Por lo general son dimers, pero ocasionalmente tetramers.
  • Manganeso – Casi todas las mitocondrias, y muchas bacterias, contienen una forma con manganeso (Mn-SOD): Por ejemplo, el Mn-SOD encontrado en la mitocondria humana. Los ligandos de los iones manganesos son 3 cadenas laterales de histidina, una cadena lateral aspartada y una molécula de agua o ligand hidroxi, dependiendo del estado de oxidación Mn (respectivamente II y III).
• Nickel - procariota. Esto tiene una estructura hexamérica (6-copia) construida a partir de los paquetes de 4-hojas derechas, cada uno con ganchos N-terminal que mastican un Ni ion. El Ni-hook contiene el motivo His-Cys-X-X-Pro-Cys-Gly-X-Tyr; proporciona la mayoría de las interacciones críticas para la unión de metal y la catalisis y es, por lo tanto, un diagnóstico probable de NiSODs.

En plantas superiores, las isoenzimas SOD se han localizado en diferentes compartimentos celulares. Mn-SOD está presente en mitocondrias y peroxisomas. Fe-SOD se ha encontrado principalmente en cloroplastos, pero también se ha detectado en peroxisomas, y CuZn-SOD se ha localizado en citosol, cloroplastos, peroxisomas y apoplastos.

Humano

Hay tres formas de superóxido dismutasa presentes en los seres humanos, en todos los demás mamíferos y en la mayoría de los cordados. SOD1 se encuentra en el citoplasma, SOD2 en la mitocondria y SOD3 es extracelular. El primero es un dímero (consta de dos unidades), mientras que los otros son tetrámeros (cuatro subunidades). SOD1 y SOD3 contienen cobre y zinc, mientras que SOD2, la enzima mitocondrial, tiene manganeso en su centro reactivo. Los genes están ubicados en los cromosomas 21, 6 y 4, respectivamente (21q22.1, 6q25.3 y 4p15.3-p15.1).

Plantas

En las plantas superiores, las enzimas superóxido dismutasa (SOD) actúan como antioxidantes y protegen los componentes celulares de la oxidación por especies reactivas de oxígeno (ROS). Las ROS pueden formarse como resultado de sequías, lesiones, herbicidas y pesticidas, ozono, actividad metabólica de las plantas, deficiencias de nutrientes, fotoinhibición, temperatura por encima y por debajo del suelo, metales tóxicos y rayos UV o gamma. Para ser específicos, el O₂ molecular se reduce a O⁻
₂ (un ROS llamado superóxido) cuando absorbe un electrón excitado liberado de los compuestos de la cadena de transporte de electrones. Se sabe que el superóxido desnaturaliza las enzimas, oxida los lípidos y fragmenta el ADN. Los SOD catalizan la producción de O₂ y H
₂O
₂ de superóxido (O⁻
₂), lo que resulta en reactivos menos dañinos.

Al aclimatarse a mayores niveles de estrés oxidativo, las concentraciones de SOD generalmente aumentan con el grado de las condiciones de estrés. La compartimentación de diferentes formas de SOD en toda la planta hace que contrarresten el estrés de manera muy efectiva. Hay tres clases bien conocidas y estudiadas de coenzimas metálicas SOD que existen en las plantas. En primer lugar, las SOD de Fe constan de dos especies, un homodímero (que contiene de 1 a 2 g de Fe) y un tetrámero (que contiene de 2 a 4 g de Fe). Se cree que son las metaloenzimas SOD más antiguas y se encuentran tanto en procariotas como en eucariotas. Las SOD de Fe se localizan más abundantemente dentro de los cloroplastos de las plantas, donde son autóctonas. En segundo lugar, las SOD de Mn consisten en una especie de homodímero y homotetrámero, cada una de las cuales contiene un solo átomo de Mn(III) por subunidad. Se encuentran predominantemente en mitocondrias y peroxisomas. En tercer lugar, las SOD de Cu-Zn tienen propiedades eléctricas muy diferentes a las de las otras dos clases. Estos se concentran en el cloroplasto, el citosol y, en algunos casos, en el espacio extracelular. Tenga en cuenta que las SOD de Cu-Zn brindan menos protección que las SOD de Fe cuando se localizan en el cloroplasto.

Bacterias

Los glóbulos blancos humanos usan enzimas como la NADPH oxidasa para generar superóxido y otras especies reactivas de oxígeno para matar bacterias. Durante la infección, algunas bacterias (p. ej., Burkholderia pseudomallei) producen superóxido dismutasa para protegerse de ser eliminadas.

Bioquímica

SOD compite con las reacciones dañinas del superóxido, protegiendo así a la célula de la toxicidad del superóxido. La reacción de superóxido con no radicales está prohibida por espín. En los sistemas biológicos, esto significa que sus principales reacciones son consigo mismo (dismutación) o con otro radical biológico como el óxido nítrico (NO) o con un metal de la serie de transición. El anión radical superóxido (O⁻
₂) se dismuta espontáneamente a O₂ y peróxido de hidrógeno (H
₂O
₂) con bastante rapidez (~10⁵ M⁻¹ s⁻¹ a pH 7). La SOD es necesaria porque el superóxido reacciona con objetivos celulares sensibles y críticos. Por ejemplo, reacciona con el radical NO y produce peroxinitrito tóxico.

Debido a que la reacción de dismutación no catalizada del superóxido requiere que dos moléculas de superóxido reaccionen entre sí, la tasa de dismutación es de segundo orden con respecto a la concentración inicial de superóxido. Por lo tanto, la vida media del superóxido, aunque muy corta a altas concentraciones (p. ej., 0,05 segundos a 0,1 mM), en realidad es bastante larga a bajas concentraciones (p. ej., 14 horas a 0,1 nM). Por el contrario, la reacción de superóxido con SOD es de primer orden con respecto a la concentración de superóxido. Además, la superóxido dismutasa tiene el mayor k_cat/K_M (una aproximación de la eficiencia catalítica) de todos los conocidos. enzima (~7 x 10⁹ M⁻¹s⁻¹), esta reacción está limitada solo por la frecuencia de colisión entre sí misma y el superóxido. Es decir, la velocidad de reacción está "limitada por difusión".

La alta eficiencia de la superóxido dismutasa parece necesaria: incluso en las concentraciones subnanomolares logradas por las altas concentraciones de SOD dentro de las células, el superóxido inactiva la enzima aconitasa del ciclo del ácido cítrico, puede envenenar el metabolismo energético y libera hierro potencialmente tóxico. La aconitasa es una de varias (des)hidratasas que contienen hierro y azufre en las vías metabólicas que se ha demostrado que son inactivadas por el superóxido.

Mecanismo de estabilidad y plegado

SOD1 es una proteína extremadamente estable. En la forma holográfica (tanto ligada a cobre como a zinc) el punto de fusión es > 90 °C. En la forma apo (sin unión de cobre o zinc) el punto de fusión es de ~60 °C. Por calorimetría diferencial de barrido (DSC), holo SOD1 se despliega mediante un mecanismo de dos estados: de dímero a dos monómeros desplegados. En los experimentos de desnaturalización química, la holoSOD1 se despliega mediante un mecanismo de tres estados con la observación de un intermedio monomérico plegado.

Fisiología

El superóxido es una de las principales especies reactivas de oxígeno en la célula. Como consecuencia, la SOD cumple una función antioxidante clave. La importancia fisiológica de las SOD queda ilustrada por las graves patologías evidentes en ratones modificados genéticamente para que carezcan de estas enzimas. Los ratones que carecen de SOD2 mueren varios días después del nacimiento, en medio de un estrés oxidativo masivo. Los ratones que carecen de SOD1 desarrollan una amplia gama de patologías, incluido el carcinoma hepatocelular, una aceleración de la pérdida de masa muscular relacionada con la edad, una incidencia más temprana de cataratas y una vida útil reducida. Los ratones que carecen de SOD3 no muestran ningún defecto evidente y exhiben una vida útil normal, aunque son más sensibles a la lesión hiperóxica. Los ratones knockout de cualquier enzima SOD son más sensibles a los efectos letales de los compuestos generadores de superóxido, como el paraquat y el diquat (herbicidas).

Drosophila que carecen de SOD1 tienen una vida útil mucho más corta, mientras que las moscas que carecen de SOD2 mueren antes de nacer. El agotamiento de SOD1 y SOD2 en el sistema nervioso y los músculos de Drosophila se asocia con una vida útil reducida. La acumulación de ROS neuronal y muscular parece contribuir a las deficiencias asociadas con la edad. Cuando se induce la sobreexpresión de SOD2 mitocondrial, se prolonga la vida útil de Drosophila adulta.

Entre las hormigas negras de jardín (Lasius niger), la esperanza de vida de las reinas es un orden de magnitud mayor que la de las obreras, a pesar de que no existe una diferencia sistemática en la secuencia de nucleótidos entre ellas. Se descubrió que el gen SOD3 es el que se sobreexpresa de forma más diferencial en los cerebros de las hormigas reina frente a las obreras. Este hallazgo plantea la posibilidad de un papel importante de la función antioxidante en la modulación de la vida útil.

Derribos de SOD en el gusano C. elegans no causan alteraciones fisiológicas importantes. Sin embargo, la vida útil de C. elegans puede prolongarse con miméticos de superóxido/catalasa, lo que sugiere que el estrés oxidativo es un determinante importante de la tasa de envejecimiento.

Las mutaciones inactivas o nulas en SOD1 son muy perjudiciales para el crecimiento aeróbico en la levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae y provocan una reducción drástica de la vida útil posdiáusica. En S. cerevisiae de tipo salvaje, las tasas de daño del ADN aumentaron 3 veces con la edad, pero más de 5 veces en mutantes eliminados para los genes SOD1 o SOD2. Los niveles de especies reactivas de oxígeno aumentan con la edad en estas cepas mutantes y muestran un patrón similar al patrón de aumento del daño en el ADN con la edad. Por lo tanto, parece que la superóxido dismutasa juega un papel importante en la preservación de la integridad del genoma durante el envejecimiento en S. cerevisiae. Las mutaciones inactivas o nulas de SOD2 provocan la inhibición del crecimiento en las fuentes de carbono respiratorias, además de una disminución de la vida útil posdiáusica.

En la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe, la deficiencia de superóxido dismutasa mitocondrial SOD2 acelera el envejecimiento cronológico.

Se han generado varios mutantes nulos de SOD procarióticos, incluidos E. coli. La pérdida de CuZnSOD periplásmica provoca pérdida de virulencia y podría ser un objetivo atractivo para nuevos antibióticos.

Papel en la enfermedad

Las mutaciones en la primera enzima SOD (SOD1) pueden causar esclerosis lateral amiotrófica familiar (ELA, una forma de enfermedad de la neurona motora). La mutación más común en los EE. UU. es A4V, mientras que la más estudiada es G93A. Las otras dos isoformas de SOD no se han relacionado con muchas enfermedades humanas; sin embargo, en ratones, la inactivación de SOD2 causa letalidad perinatal y la inactivación de SOD1 causa carcinoma hepatocelular. Las mutaciones en SOD1 pueden causar ELA familiar (varios elementos de evidencia también muestran que SOD1 de tipo salvaje, en condiciones de estrés celular, está implicado en una fracción significativa de casos de ELA esporádica, que representan el 90 % de los pacientes con ELA), por un mecanismo eso no se entiende actualmente, pero no debido a la pérdida de actividad enzimática oa una disminución en la estabilidad conformacional de la proteína SOD1. La sobreexpresión de SOD1 se ha relacionado con los trastornos neurales observados en el síndrome de Down. En pacientes con talasemia, la SOD aumentará como una forma de mecanismo de compensación. Sin embargo, en la etapa crónica, la SOD no parece ser suficiente y tiende a disminuir debido a la destrucción de proteínas por la reacción masiva de oxidante-antioxidante.

En ratones, la superóxido dismutasa extracelular (SOD3, ecSOD) contribuye al desarrollo de hipertensión. La actividad disminuida de SOD3 se ha relacionado con enfermedades pulmonares como el síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA) o la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC).

La superóxido dismutasa tampoco se expresa en las células de la cresta neural en el feto en desarrollo. Por lo tanto, los altos niveles de radicales libres pueden dañarlos e inducir anomalías disráficas (defectos del tubo neural).

Actividad farmacológica

SOD tiene una potente actividad antiinflamatoria. Por ejemplo, SOD es un tratamiento experimental muy eficaz de la inflamación crónica en la colitis. El tratamiento con SOD disminuye la generación de especies reactivas de oxígeno y el estrés oxidativo y, por lo tanto, inhibe la activación endotelial. Por lo tanto, tales antioxidantes pueden ser nuevas terapias importantes para el tratamiento de la enfermedad inflamatoria intestinal.

Asimismo, la SOD tiene múltiples actividades farmacológicas. Por ejemplo, mejora la nefrotoxicidad inducida por cis-platino en roedores. Como "orgoteína" o "ontosein", una SOD de hígado bovino purificada farmacológicamente activa, también es eficaz en el tratamiento de la enfermedad inflamatoria del tracto urinario en el hombre. Durante un tiempo, la SOD de hígado bovino incluso contó con la aprobación reglamentaria en varios países europeos para dicho uso. Esto fue interrumpido por preocupaciones sobre la enfermedad priónica.

Un agente mimético de SOD, TEMPOL, se encuentra actualmente en ensayos clínicos para radioprotección y para prevenir la dermatitis inducida por radiación. TEMPOL y nitróxidos miméticos de SOD similares muestran una multiplicidad de acciones en enfermedades que involucran estrés oxidativo.

Usos cosméticos

La SOD puede reducir el daño de los radicales libres en la piel, por ejemplo, para reducir la fibrosis después de la radiación para el cáncer de mama. Sin embargo, los estudios de este tipo deben considerarse tentativos, ya que no hubo controles adecuados en el estudio, incluida la falta de aleatorización, doble ciego o placebo. Se sabe que la superóxido dismutasa revierte la fibrosis, posiblemente a través de la desdiferenciación de los miofibroblastos a fibroblastos.

Fuentes comerciales

SOD se obtiene comercialmente de fitoplancton marino, hígado bovino, rábano picante, melón y ciertas bacterias. Para fines terapéuticos, SOD generalmente se inyecta localmente. No hay evidencia de que la ingestión de SOD sin protección o alimentos ricos en SOD pueda tener efectos fisiológicos, ya que toda la SOD ingerida se descompone en aminoácidos antes de ser absorbida. Sin embargo, la ingestión de SOD unida a proteínas de trigo podría mejorar su actividad terapéutica, al menos en teoría.