Superoxyde dismutase


Superoxyde dismutase
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Structure tetramérique de la Mn-SOD humaine
Structure dimérique de la Cu-SOD dimérique cytoplasmique humaine

La superoxyde dismutase (SOD, numéro EC : 1.15.1.1), est une métalloprotéine avec une activité enzymatique: la catalyse de la dismutation du superoxyde en oxygène et peroxyde d'hydrogène. Pour cette raison, cette enzyme est une partie importante du système de défense contre les radicaux libres. Elle est présente dans presque tous les organismes aérobies. Une des rarissimes exceptions est Lactobacillus plantarum et les Lactobacillus apparentés, qui n'en possèdent pas et utilisent un mécanisme de défense différent.

Sommaire

Cofacteurs métalliques

Il existe quatre types de superoxydes dismutases selon les ions cofacteurs : cuivre et zinc ; manganèse ; fer ; nickel.

Réaction catalytique

La dismutation du superoxyde catalysée par les SOD peut être écrite à l'aide des deux demi-réactions suivantes :

  • M(n+1)+ − SOD + O2 → Mn+ − SOD + O2
  • Mn+ − SOD + O2 + 2H+ → M(n+1)+ − SOD + H2O2.

où M = Cu (n=1) ; Mn (n=2) ; Fe (n=2) ; Ni (n=2).

Considérant ces équations, tout élément métallique impliqué dans un couple redox monoélectronique, dont le potentiel d'oxydo-réduction à pH physiologique est compris entre les potentiels[1] des réactions d'oxydation (-0,33V, en dioxygène) et de réduction (+0,89V en peroxyde d'hydrogène) du superoxyde peut être employé au sein d'une SOD. Bien que ces cations métalliques (excepté le fer(II)) ne possèdent pas un potentiel approprié à l'état libre, les ligands (i.e. histidine, cystéine, aspartate) du centre métallique influent sur le potentiel redox du cation, permettant ainsi la catalyse de la réaction de dismutation du superoxyde.

Dans l'enzyme à cuivre et zinc, le zinc n'a pas de rôle catalytique.

Structure du site actif de la Mn-SOD mitochondriale humaine

Les SOD dans les êtres vivants

La localisation chez les êtres vivants des différents types de SOD est discutée dans cette section.

Le cytosol de presque toutes les cellules eucaryotes contient la forme à cuivre-zinc de la SOD (CuZn-SOD). (Par exemple, la CuZn-SOD qui est disponible comme produit commercial est purifiée à partir des globules rouges bovins : PDB 1SXA, EC 1.15.1.1). L'enzyme à Cu-Zn est un homodimère de poids moléculaire de 32 500 daltons.

Les deux sous-unités interagissent principalement par des mécanismes hydrophobes et électrostatiques. Les ligands du cuivre et du zinc sont des chaînes latérales d'histidine.

Les mitochondries des cellules eucaryotes, et beaucoup de bactéries (par exemple E. coli) contiennent une SOD à manganèse (Mn-SOD). (Par exemple, le Mn-SOD mitochondriale humaine: PDB 1N0J, EC 1.15.1.1). Les ligands du manganèse sont trois chaines latérales d'histidine, une chaine latérale d'aspartate et une molécule d'eau ou un ion OH- suivant l'état d'oxydation du manganèse (respectivement II et III).

E. coli et d'autres bactéries contiennent aussi la forme à fer de l'enzyme. Certaines bactéries contiennent la Fe-SOD d'autres la Mn-SOD, et certaines contiennent les deux ou des SOD cambialistiques pouvant fonctionner soit avec le Fe, soit avec le manganèse en fonction de la biodisponibilité des cations de ces métaux. Fe-SOD d'E. coli: PDB 1ISA, EC 1.15.1.1). Les sites actifs de la Mn-SOD et de la Fe-SOD contiennent le même type de chaînes latérales et ont quasiment la même structure.

Être humain

Chez l'être humain, il y a coexistence de trois formes de SOD. Un type de CuZn-SOD (SOD1) se trouve dans le cytoplasme, la Mn-SOD (SOD2) dans les mitochondries et un deuxième type de CuZn-SOD (SOD3) est extracellulaire. Les gènes correspondant aux SOD1-3 se trouvent respectivement dans les chromosomes 21, 6 et 4 (21q22.1, 6q25.3 et 4p15.3-p15.1).

Physiologie

Article détaillé : Radical libre.

Le radical-anion superoxyde O2-) dismute spontanément en O2 et H2O2 mais, dans les conditions physiologiques, la vitesse de cette réaction bimoléculaire est faible et le temps de vie du superoxyde est suffisamment long pour qu'il puisse soit oxyder des composants des macromolécules biologiques (acides nucléiques, protéines …), soit générer d'autres espèces réactives oxygénées bien plus toxiques que le superoxyde lui-même (telles que le péroxynitrite en réagissant avec NO ou le radical hydroxyle en réagissant avec le H2O2).

Pour éviter la toxicité du superoxyde et de ses dérivés, l'évolution a permis d'obtenir des SOD hautement efficaces. La CuZn-SOD a la plus grande constante de vitesse catalytique connue pour une enzyme, kcat=~109 M-1 s-1). La réaction entre la CuZn-SOD et le superoxyde n'est limitée que par la diffusion du superoxyde vers le site actif de l'enzyme. Les autres SOD sont légèrement moins efficaces (kcat=~108 M-1 s-1.)

Dans les conditions normales, la SOD réduit efficacement la concentration de superoxyde dans les tissus vivants, empêchant la toxicité du superoxyde de se manifester.

Mutations

L'importance physiologique des SOD a été mise en évidence à l'aide d'études réalisées sur des lignées de souris génétiquement modifiées dans lesquelles un des types de SOD a été inactivé.

Effets des mutations :

  • Les souris dépourvues de SOD1 (CuZn-SOD cytosolique) développent une grande quantité de pathologies parmi lesquelles des cancers du foie, une accélération de la perte de masse musculaire avec l'âge, une incidence précoce de la cataracte et une espérance de vie réduite.
  • Les souris dépourvues de SOD2 (Mn-SOD) meurent quelques jours après la naissance dans des conditions de stress oxydant massif.
  • Les souris dépourvues de SOD3 ne présentent, par contre, aucune anomalie visible.

Utilisation cosmétique

Une étude[2] décrit une utilisation possible de la CuZn-SOD pour réduire le stress oxydant subi par la peau, par exemple pour réduire la fibrose causée par les traitements radiologique du cancer du sein. Toutefois, cette étude n'est que préliminaire, en raison de limitations du protocole expérimental (pas de double aveugle, ni de groupe placébo).

Voir aussi

Notes et références

  1. potentiels à pH=7, 25°C, et contre l'électrode standard à hydrogène
  2. F. Campana, Topical superoxide dismutase reduces post-irradiation breast cancer fibrosis, J. Cell. Mol. Med., 2004, 8(1), 109-116. Texte en accès libre - PDF 333kB

Bibliographie

  • (en) Barry Halliwell & John Gutteridge, Free Radicals in Biology and Medicine, Oxford University Press, USA, 1999.

Liens externes


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