SUPEROXYDE DISMUTASE: CARACTÉRISTIQUES, STRUCTURE, FONCTIONS - LA BIOLOGIE - 2025

Les superoxyde dismutases (SOD) ou superoxyde oxydoréductases, sont une famille d'enzymes de nature omniprésente, dont la fonction principale est de défendre les organismes aérobies contre les radicaux libres d'oxygène, en particulier les radicaux anioniques superoxydes.

La réaction que ces enzymes catalysent se produit dans pratiquement toutes les cellules capables de respirer (aérobie) et est essentielle à leur survie, car elle élimine les radicaux libres toxiques de l'oxygène, à la fois chez les eucaryotes et les procaryotes.

Représentation graphique d'une Superoxyde Dismutase de Cu-Zn (SOD) (Source: Jawahar Swaminathan et le personnel MSD de l'Institut Européen de Bioinformatique via Wikimedia Commons)

De nombreuses maladies animales sont liées à l'accumulation de différentes espèces réactives de l'oxygène, et il en est de même pour les plantes, car l'environnement impose de nombreux et constants types de stress oxydatif qui sont surmontés grâce à l'activité des superoxydes dismutases.

Ce groupe d'enzymes a été découvert en 1969 par McCord et Fridovich et depuis lors, des progrès considérables ont été réalisés concernant ces enzymes et les réactions qu'elles catalysent chez les êtres vivants.

caractéristiques

Les superoxydes dismutases réagissent avec les radicaux superoxydes à des taux très élevés, ce qui se traduit par une ligne de défense très efficace pour l'élimination de ces molécules.

Chez les mammifères, au moins trois isoformes ont été décrites pour la superoxyde dismutase, respectivement appelées SOD1, SOD2 et SOD3.

Deux de ces isoformes ont des atomes de cuivre et de zinc dans leurs centres catalytiques et diffèrent l'une de l'autre par leur emplacement: intracellulaire (cytosolique, SOD1 ou Cu / Zn-SOD) ou avec des éléments extracellulaires (EC-SOD ou SOD3).

L'isoforme SOD2 ou Mn-SOD, contrairement aux deux précédentes, a un atome de manganèse comme cofacteur et sa localisation semble être limitée aux mitochondries des cellules aérobies.

Les isoenzymes SOD1 se trouvent principalement dans le cytosol, bien qu'elles aient également été détectées dans le compartiment nucléaire et dans les lysosomes. Les isoenzymes SOD 3, en revanche, ont été décrites dans le plasma sanguin, la lymphe et les liquides céphalo-rachidiens humains.

Chacune de ces isoformes est codée par des gènes différents, mais appartenant à la même famille, et leur régulation transcriptionnelle est essentiellement contrôlée par des conditions extra et intracellulaires, qui déclenchent différentes cascades de signalisation interne.

Autres superoxyde dismutases

Les superoxydes dismutases avec des sites catalytiques qui possèdent des ions cuivre et zinc ou manganèse ne sont pas propres aux mammifères, elles sont également présentes dans d'autres organismes, y compris des plantes et des bactéries de différentes classes.

Il existe un groupe supplémentaire de superoxyde dismutases, qui ne se trouvent pas chez les mammifères, et qui sont facilement reconnaissables, car dans leur site actif elles contiennent du fer au lieu de l'un des trois ions précédemment décrits pour les autres classes de superoxyde dismutases.

Chez E. coli, la superoxyde dismutase contenant du fer est une enzyme périplasmique qui est également responsable de la détection et de l'élimination des radicaux libres d'oxygène générés pendant la respiration. Cette enzyme est similaire à celle trouvée dans les mitochondries de nombreux eucaryotes.

Les plantes possèdent trois types d'enzymes: celles qui contiennent du cuivre et du zinc (Cu / Zn-SOD), celles qui contiennent du manganèse (Mn-SOD) et celles qui contiennent du fer (Fe-SOD) dans leur centre actif et dans ces organismes. ils exercent des fonctions analogues à celles des enzymes non végétales.

Réaction

Les substrats des superoxydes dismutases sont des anions superoxyde, qui sont représentés par O2- et sont des composés intermédiaires dans le processus de réduction de l'oxygène.

La réaction qu'ils catalysent peut être considérée globalement comme la transformation (dismutation) de radicaux libres pour former de l'oxygène moléculaire et du peroxyde d'hydrogène, qui sont respectivement libérés dans le milieu ou utilisés comme substrat pour d'autres enzymes.

Le peroxyde d'hydrogène peut ensuite être éliminé des cellules grâce à l'action de l'une des enzymes glutathion peroxydase et catalase, qui ont également des fonctions importantes dans la protection cellulaire.

Structure

Les isoenzymes des superoxyde dismutases chez l'homme peuvent différer les unes des autres sur certains aspects structurels. Par exemple, l'isozyme SOD1 a un poids moléculaire de 32 kDa, tandis que SOD2 et SOD3 sont des homotétramères de poids moléculaire de 95 et 135 kDa, respectivement.

L'autre groupe de superoxyde dismutases, la Fe-SOD présente dans les plantes et d'autres organismes autres que les mammifères, sont des enzymes dimères de sous-unités identiques, c'est-à-dire des homodimères.

Dans certaines plantes, ces Fe-SOD contiennent une séquence signal N-terminale putative pour le transport dans les chloroplastes et d'autres contiennent une séquence tripeptidique C-terminale pour le transport vers les peroxisomes, donc on suppose que leur distribution subcellulaire est limité aux deux compartiments.

La structure moléculaire des trois types d'enzymes superoxyde dismutase est essentiellement constituée d'hélices alpha et de feuillets pliés B.

Caractéristiques

Les superoxyde dismutases défendent les cellules, les organes et les tissus corporels contre les dommages que les radicaux libres d'oxygène peuvent causer, tels que la peroxydation lipidique, la dénaturation des protéines et la mutagenèse de l'ADN.

Chez les animaux, ces espèces réactives peuvent également provoquer des lésions cardiaques, accélérer le vieillissement et participer au développement de maladies inflammatoires.

Les plantes ont également besoin de l'activité enzymatique essentielle de la superoxyde dismutase, car de nombreuses conditions de stress dans l'environnement augmentent le stress oxydatif, c'est-à-dire la concentration d'espèces réactives délétères.

Chez l'homme et chez d'autres mammifères, les trois isoformes décrites pour la superoxyde dismutase ont des fonctions différentes. L'isoenzyme SOD2, par exemple, est impliquée dans la différenciation cellulaire et la tumorigenèse ainsi que dans la protection contre la toxicité pulmonaire induite par l'hyperoxie (concentration élevée en oxygène).

Pour certaines espèces de bactéries pathogènes, les enzymes SOD fonctionnent comme des «facteurs de virulence» qui leur permettent de surmonter de nombreuses barrières de stress oxydatif auxquelles elles peuvent être confrontées pendant le processus d'invasion.

Maladies liées

Une diminution de l'activité de la superoxyde dismutase peut survenir en raison de plusieurs facteurs, à la fois internes et externes. Certains sont liés à des défauts génétiques directs dans les gènes codant pour les enzymes SOD, tandis que d'autres peuvent être indirects, liés à l'expression de molécules régulatrices.

Un grand nombre de conditions pathologiques chez l'homme sont liées aux enzymes SOD, notamment l'obésité, le diabète, le cancer et autres.

En ce qui concerne le cancer, il a été déterminé qu'il existe un grand nombre de types de tumeurs cancéreuses qui possèdent de faibles taux de l'une quelconque des trois superoxyde dismutases de mammifères (SOD1, SOD2 et SOD3).

Le stress oxydatif que l'activité de la superoxyde dismutase prévient est également associé à d'autres pathologies articulaires telles que l'arthrose, la polyarthrite rhumatoïde. Beaucoup de ces maladies sont liées à l'expression de facteurs qui inhibent l'activité de la SOD, comme le facteur TNF-α.

Références

1. Fridovich, I. (1973). Dismutases de superoxyde. Annu. Rev. Biochem., 44, 147-159.
2. Johnson, F. et Giulivi, C. (2005). Superoxyde dismutases et leur impact sur la santé humaine. Aspects moléculaires de la médecine, 26, 340–352.
3. Oberley, LW et Bueftner, GR (1979). Rôle de la superoxyde Dismutase dans le cancer: une revue. Cancer Research, 39, 1141-1149.
4. Taylor, P., Bowler, C., Camp, W. Van, Montagu, M. Van, Inzé, D., et Asada, K. (2012). Superoxyde Dismutase dans les plantes. Revues critiques en sciences végétales, 13 (3), 37–41.
5. Zelko, I., Mariani, T., et Folz, R. (2002). Famille multigénique de la superoxyde dismutase: une comparaison des structures, de l'évolution et de l'expression des gènes CuZn-SOD (SOD1), Mn-SOD (SOD2) et EC-SOD (SOD3). Free Radical Biology & Medicine, 33 (3), 337–349.