Superoxyde dismutase

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Superoxyde dismutase
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Structure tétramérique de la Mn-SOD humaine (PDB 1VAR)
N° EC EC 1.15.1.1
N° CAS 9054-89-1
Cofacteur(s) Fe ou Mn ou (Zn et Cu)
Activité enzymatique
IUBMB Entrée IUBMB
IntEnz Vue IntEnz
BRENDA Entrée BRENDA
KEGG Entrée KEGG
MetaCyc Voie métabolique
PRIAM Profil
PDB RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
GO AmiGO / EGO

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Structure dimérique de la Cu-SOD cytoplasmique humaine

Les superoxyde dismutases (SOD), sont des métalloprotéines possédant une activité enzymatique: la catalyse de la dismutation du superoxyde en dioxygène 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.

Cofacteurs métalliques

Les superoxyde dismutases sont des métalloprotéines caractérisées par le métal (cuivre Cu et zinc Zn, manganèse Mn, fer Fe ou nickel Ni) contenu dans leur site actif. Les superoxyde dismutases à cuivre-zinc [1] et les superoxyde dismutases à nickel [2] constituent des classes distinctes des superoxydes dismutases à fer et à manganèse. Ces deux dernières possèdent en effet des séquences protéiques et des structures tridimentionnelles très proches[3]. Certaines protéines de cette dernière famille sont cambialistiques. Elles acceptent dans leur site actif du fer ou du manganèse tout en conservant leur activité enzymatique[4].

Réaction catalytique

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

  • 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[5] 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, la coordination d'atomes donneurs issus de certaines chaînes latérales de la protéine (i.e. histidine, cystéine, aspartate) au centre métallique influe sur le potentiel redox de l'élément métallique, 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 mais un rôle structural.

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.

Les Procaryotes

Les bactéries photosynthétiques possèdent une Fe-SOD cytoplasmique. Les bactéries sulfato-réductrices sont généralement dotées d'une Fe-SOD périplasmique et d'une superoxyde réductase dans le cytoplasme. Les bactéries anaérobies facultatives ou aérobies possèdent des Fe-SOD ou des Mn-SOD généralement dimériques. Certaines de ces espèces peuvent posséder les deux protéines. E. coli, lorsqu'elle est cultivée en condition anaérobie exprime uniquement la Fe-SOD. En revanche en présence de dioxygène, les Mn-SOD et Fe-SOD sont exprimées. Dans les bactéries Gram négatives, la Mn-SOD est inductible et est associée avec l'ADN[6]. La Fe-SOD est une protéine constitutive localisée à proximité de la paroi cellulaire. 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. Une CuZn-SOD existe également chez les bactéries Gram négatives. Elle est localisée dans le périplasme sous forme monomérique ou dimérique selon les espèces. En condition standard de culture, la CuZn-SOD ne représente que 1 à 5 % de l'activité SOD totale. Elle protégerait la bactérie des effets du superoxyde exogène[7].

Les Eucaryotes

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 sont 4 chaînes latérales d'histidine. Les ligands du zinc sont constitués de 3 chaînes latérales d'histidine et d'une chaine latérale d'acide aspartique. Une particularité de cet ensemble est l'existence d'une chaine latéral d'histidine ligand des deux ions métalliques.

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).

Les plantes

Les plantes sont les seuls eucaryotes à disposer des trois types de SOD. Il n'a pas été observé de SOD extracellulaire végétale, suggérant que le stress oxydant présent dans les plantes est principalement généré lors de la photosynthèse ou de la respiration. Une Mn-SOD est présent dans la matrice mitochondriale sous forme dimérique ou tétramérique suivant les espèces. Il est possible de trouver, selon les espèces, des isoformes de la Mn-SOD dans le peroxysome et le glyoxysome. Une CuZn-SOD dimérique est trouvée dans le cytosol. Une CuZn-SOD tétramérique est trouvée dans le chloroplaste dans la plupart des espèces. Dans certain cas, il est possible d'y trouver également une Fe-SOD.


L'être humain

Chez l'être humain, il y a coexistence de trois formes de SOD. Il existe deux types de CuZn-SOD. Le premier type (SOD1) est une protéine dimérique se trouvant dans le cytoplasme et dans l'espace intermembranaire mitochondrial. Le deuxième type de CuZn-SOD (SOD3) est une protéine extracellulaire tétramèrique. Cette protéine a la capacité de se lier à la surface des membranes cellulaires ou dans le collagène I, elle protège les cellules du stress oxydant exogène. La Mn-SOD (SOD2) est située dans la matrice mitochondriale mais également sur la paroi interne des mitochondries. Cette SOD protège les mitochondries du stress oxydant généré lors de la respiration cellulaire. 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.

Les mutations sur la CuZnSOD cytosolique sont les seules causes connues à ce jour de la sclérose latérale amyotrophique familiale (FALS) ou maladie de Charcot[8]. Cette maladie neurodégénérative se caractérise par la destruction progressive des neurones moteurs et entraîne la mort des patients cinq ans en moyenne après l'apparition des premiers symptômes.

Médecine

Induction en réponse au stress oxydatif

La superoxyde dismutase est induite dans diverses pathologies associées au stress oxydatif, dont l'obésité (durant la jeunesse)[9].

Pathologies caractérisées par une surexpression de l'enzyme

La SOD étant localisée sur le chromosome 21, son expression est augmentée dans la trisomie 21. Contrairement à ce qui a été postulé, l'hyperactivité de la SOD chez les personnes trisomiques ne semble pas causer de troubles de santé : d'autres gènes du chromosome 21 sont associés au syndrome de Down[10].

Utilisation cosmétique

Une étude[11] 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).

Notes et références

  1. ↑ I. Bertini, S. Mangani and M.S. Viezzoli (1997) Structure and properties of copper-zinc superoxyde dismutases. Adv. Inorg. Chem. 45; 127-250.
  2. ↑ Choudhury, S.B., Lee, J.-W., Davidson, G., Yim, Y.-I., Bose, K., Sharma, M.L., Kang, S.-O., Cabelli, D.E. and Maroney, M.J. (1999) Examination of the nickel site structure and reaction mechanism in Streptomyces seoulensis superoxide dismutase. Biochemistry, 38; 3744-3752.
  3. ↑ Stallings W.C., Pattridge, K.A., Strong,R.K. and Ludwig, M.I. (1984) Manganese and iron superoxide dismutases are structural homologs. J. Biol. Chem.; 259, 10695-10699.
  4. ↑ Meier, B., Barra, D., Bossa,F., Calabrese, L., and Rotilio, G. (1982) Synthesis of either Fe or Mn-superoxide dismutase with an apparently identical protein moity by an anaerobic bacterium dependent of the metal supplied. J. Biol. Chem., 257; 13977-13980
  5. ↑ potentiels à pH=7, 25°C, et contre l'électrode standard à hydrogène
  6. ↑ Steinman, H.M., Weinstein, L., and Brenowitz, M. (1994) The manganese superoxide dismutase of E. coli K-12 associates with DNA. J. Biol. Chem. 269; 28629-28634
  7. ↑ Battistoni, A., Pacello, F., Mazzetti, A.P., Capo, C., Kroll, J.S., Langford, P.R., Sansone, A., Donnarumma, G., Valenti, P., and Rotilio, G. (2001) A Histidine-rich metal binding domain at the N terminus of Cu,Zn-Superoxyde Dismutases from pathogenic bacteria. A novel strategy for metal chaperoning. J. Biol. Chem. 276; 30315-30325
  8. ↑ Deng, H.-X., Hentati, A., Tainer, J.A., Iqbal, Z., Cayabyab, A., Hung, W.-Y., Getzoff, E.D., Hu, P., Herzfeldt, B., Roos, R.P., Warner, C., Deng, C., Soriano, E., Smyth, C., Parge, H.E., Ahmed, A., Roses,A.D., Hallewell, R.A., Pericak-Vance, M.A., and Siddique, T. (1993) Amyotrophic lateral sclerosis and structural defects in Cu,Zn superoxide dismutase.Science, 261; 1047-1051
  9. ↑ S. Sfar, R. Boussoffara, MT. Sfar et A. Kerkeni, « Antioxidant enzymes activities in obese Tunisian children. », Nutr J, vol. 12, no 1,‎ , p. 18 (PMID 23360568, DOI 10.1186/1475-2891-12-18)
  10. ↑ JF. Turrens, « Increased superoxide dismutase and Down's syndrome. », Med Hypotheses, vol. 56, no 6,‎ , p. 617-9 (PMID 11399108, DOI 10.1054/mehy.2001.1327)
  11. ↑ 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 »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?) (consulté le )

Voir aussi

Article connexe

Bibliographie

Liens externes

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