上世紀(jì)30年代，Mann和Keilin從牛紅細(xì)胞和肝臟中分離到一種藍(lán)色含銅的蛋白質(zhì)，并將這種蛋白質(zhì)命名為血銅蛋白，后來(lái)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了含鐵和錳離子的同類蛋白質(zhì)，開(kāi)始科學(xué)家并不清楚這些蛋白質(zhì)有什么功能。超氧陰離子自由基也是在30年代研究放射線處理水的過(guò)程中被Linus Pauling發(fā)現(xiàn)的，超氧陰離子是產(chǎn)量依賴于水中氧氣的濃度。后來(lái)通過(guò)脈沖射線技術(shù)，放射化學(xué)家確定了超氧陰離子共軛酸的pKa，并研究了超氧陰離子自身歧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，確定了這種物質(zhì)的吸收光譜。但Pauling不知道這種自由基在生物體系也能產(chǎn)生，更不清楚這種自由基會(huì)傷害組織細(xì)胞。
一般根據(jù)正式發(fā)表的文獻(xiàn)，認(rèn)為是1969年，Irwin Fridovich和他的學(xué)生JoeMcCord優(yōu)化了這種蛋白的純化方法，并確定了血銅蛋白具有超氧陰離子歧化酶活性，根據(jù)這一功能將這類蛋白命名為超氧化物歧化酶SOD。根據(jù)Fridovich的回憶，這一發(fā)現(xiàn)是在1968年，這是一個(gè)多事之秋，新年開(kāi)始越南戰(zhàn)場(chǎng)就展開(kāi)了春季攻勢(shì)，4月著名美國(guó)黑人活動(dòng)家馬丁路德金博士被暗殺，6月眾議員羅伯特·肯尼迪被暗殺。就在馬丁路德金博士被暗殺的當(dāng)天，4月4日，美國(guó)杜克大學(xué)校園內(nèi)一個(gè)簡(jiǎn)單的酶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)使兩位科學(xué)家Joe M. McCord和IrwinFridovich發(fā)現(xiàn)了一種新的酶，根據(jù)其活性命名為超氧化物歧化酶（SOD），SOD的獨(dú)特作用是清除一種氧氣衍生的超氧陰離子自由基。雖然研究技術(shù)得益于放射化學(xué)的研究，不過(guò)開(kāi)始研究超氧陰離子的物理化學(xué)家并不接受生物系統(tǒng)存在超氧陰離子以及能催化這種物質(zhì)發(fā)生歧化反應(yīng)的酶。隨著越來(lái)越多的證據(jù)證明這一發(fā)現(xiàn)的正確性，最終這一發(fā)現(xiàn)被廣泛接受。
兩位科學(xué)家首先在美國(guó)實(shí)驗(yàn)生物學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)會(huì)議上口頭報(bào)告，隨后1969年以分析技術(shù)的形式發(fā)表在JBC雜志上，這也是為什么許多文獻(xiàn)將這一年作為SOD發(fā)現(xiàn)的時(shí)間。通過(guò)凝膠電泳分析，不久發(fā)現(xiàn)了更多類型的SOD。SOD很快成為明星分子，所有金屬蛋白酶和氧化還原酶相關(guān)國(guó)際會(huì)議上的都是必選主題。開(kāi)始5年，關(guān)于SOD的研究分化成兩大主題，一個(gè)是關(guān)于SOD蛋白質(zhì)化學(xué)和酶學(xué)的研究，另一個(gè)是針對(duì)生物體系中超氧陰離子來(lái)源和化學(xué)活性的研究。
根據(jù)含有不同的金屬離子，可將SOD分成許多類型，例如銅／鋅、鐵／錳和鎳SOD。銅／鋅SOD是最真核細(xì)胞常見(jiàn)的類型，幾乎所有的細(xì)胞都存在這種蛋白。最早從牛紅細(xì)胞中純化出的就是這種類型，這種蛋白是兩個(gè)32.5 kDa的同源二聚體。1975年牛銅／鋅SOD的結(jié)構(gòu)被分析出來(lái)。是由8個(gè)b折疊組成的結(jié)構(gòu)，活性中心位于折疊區(qū)之間。兩個(gè)亞單位依靠疏水性和靜電作用緊密結(jié)合，6個(gè)組氨酸和1個(gè)天冬氨酸側(cè)鏈分別和兩個(gè)金屬離子結(jié)合，一個(gè)組氨酸在兩個(gè)金屬離子之間。鐵或錳SOD一般分布在線粒體內(nèi)。
SOD發(fā)現(xiàn)具有非常重要的生物學(xué)意義，一方面首次確定了自由基和機(jī)體的密切聯(lián)系，另一方面使自由基生物學(xué)研究擺脫了昂貴儀器束縛，在普通生化實(shí)驗(yàn)室就能開(kāi)展相關(guān)研究，從此自由基生物學(xué)從生物物理學(xué)領(lǐng)域迅速擴(kuò)展到生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域，由于這一突出貢獻(xiàn)，Fridovich和McCord曾經(jīng)在1982年成為諾貝爾獎(jiǎng)候選人。SOD的發(fā)現(xiàn)，也給生物學(xué)家提供了發(fā)現(xiàn)重要生物分子并闡述其功能的研究范式。比較成功的例子是1973年BernardBabior發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞吞噬細(xì)菌時(shí)可通過(guò)NADPH氧化酶呼吸爆發(fā)產(chǎn)生大量超氧陰離子。這給人們深入理解因?yàn)?/span>NADPH氧化酶基因缺陷引起慢性肉牙腫提供了基礎(chǔ)。正是這一發(fā)現(xiàn)，打開(kāi)了重新評(píng)價(jià)超氧陰離子生理功能的大門，不僅給人們從開(kāi)始認(rèn)為SOD是自由基清除功能轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂苫胶庹{(diào)節(jié)功能的看法奠定了基礎(chǔ)，而且關(guān)于氧化還原信號(hào)的概念正是起源于這一認(rèn)識(shí)?；钚匝跏悄芰看x的副產(chǎn)物，總產(chǎn)量大約為氧氣消耗總量的0.1%-0.2%，信號(hào)效應(yīng)肯定不是唯一功能。生物進(jìn)化過(guò)程中，不僅逐漸形成了完善的對(duì)抗氧化應(yīng)激的系統(tǒng)，也將氧化還原信號(hào)變成能影響轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和酶活性調(diào)節(jié)的有效工具。
Fridovich是杜克大學(xué)生物化學(xué)教授，1969年首先發(fā)現(xiàn)銅／鋅SOD的酶活性后，再接再厲，又確定了線粒體內(nèi)存在錳SOD。他用細(xì)菌長(zhǎng)期從事SOD酶活性分析以及超氧陰離子毒性研究，確定了SOD作為對(duì)抗超氧陰離子毒性的關(guān)鍵作用。根據(jù)谷歌學(xué)術(shù)的數(shù)據(jù)，Fridovich教授的文章被引用高達(dá)5萬(wàn)多次，超過(guò)1000次的論文有7篇，H指數(shù)為97。他關(guān)于SOD的發(fā)現(xiàn)，極大地促進(jìn)了自由基生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，是自由基生物醫(yī)學(xué)的奠基性發(fā)現(xiàn)。由于他在SOD研究方面的突出貢獻(xiàn)，他是美國(guó)科學(xué)院和科學(xué)藝術(shù)學(xué)院院士，曾擔(dān)任國(guó)際氧氣學(xué)會(huì)和自由基生物醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)主席。
SOD是細(xì)胞內(nèi)非常重要的功能分子，但是SOD并沒(méi)有受到藥物研究領(lǐng)域的重視，一方面原因是這些分子難以通過(guò)細(xì)胞膜，無(wú)法達(dá)到發(fā)揮作用的部位，另一方面是隨著研究的深入，科學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到超氧陰離子雖然具有毒性，但本身具有十分重要的生理功能，SOD是調(diào)節(jié)超氧陰離子水平的關(guān)鍵分子，如果人為干擾細(xì)胞內(nèi)SOD活性，不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)解毒目的，還會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞功能的紊亂。盡管如此，仍然有少數(shù)人堅(jiān)信SOD能作為治療疾病的藥物，在不斷進(jìn)行研究，也有科學(xué)家針對(duì)這種蛋白的功能，開(kāi)發(fā)出一些小分子SOD替代物。
關(guān)于SOD蛋白的早期研究，一般學(xué)者容易忽視的是60年代Huber從牛肝臟中分離出一種蛋白，他命名為Orgotein，而且證明這種蛋白具有抗炎癥效應(yīng)。不過(guò)1973年Bernard Babior證明炎癥反應(yīng)過(guò)程中，炎癥細(xì)胞可以通過(guò)呼吸爆發(fā)大量產(chǎn)生自由基，說(shuō)明炎癥也是一種氧化應(yīng)激，理論上完全可以解釋Huber的早起發(fā)現(xiàn)。
SOD的發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致自由基生物學(xué)的建立，開(kāi)始學(xué)者認(rèn)為自由基是危害機(jī)體健康的有毒分子，認(rèn)為SOD是清除自由基的重要分子。隨著研究深入，尤其呼吸爆發(fā)等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，人們逐漸明白，自由基也具有生理功能，免疫細(xì)胞正是利用自由基殺滅細(xì)菌，自由基平衡的概念逐漸被確認(rèn)。隨后隨著對(duì)自由基功能研究的深入，發(fā)現(xiàn)了生物體內(nèi)存在多種多樣自由基的類型，這些自由基大部分都具有生理作用。例如一氧化氮就具有十分廣泛而重要的生理效應(yīng)，人們關(guān)注的重點(diǎn)逐漸從氧化損傷向氧化應(yīng)激，并逐漸過(guò)渡到氧化信號(hào)，雖然針對(duì)氧化損傷的研究依然十分重要，但對(duì)氧化信號(hào)和氧化調(diào)節(jié)的研究才是逐漸全面認(rèn)識(shí)自由基生物學(xué)效應(yīng)的更符合邏輯的方向。
注：本文轉(zhuǎn)自《氫思語(yǔ)》 作者：解放軍第二軍醫(yī)大學(xué)海軍醫(yī)學(xué)系教授孫學(xué)軍
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