上世紀30年代，Mann和Keilin從牛紅細胞和肝臟中分離到一種藍色含銅的蛋白質(zhì)，并將這種蛋白質(zhì)命名為血銅蛋白，后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了含鐵和錳離子的同類蛋白質(zhì)，開始科學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。后來通過脈沖射線技術(shù)，放射化學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)的動力學性質(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傷害組織細胞。

  一般根據(jù)正式發(fā)表的文獻，認為是1969年，Irwin Fridovich和他的學生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，這是一個多事之秋，新年開始越南戰(zhàn)場就展開了春季攻勢，4月著名美國黑人活動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天，4月4日，美國杜克大學校園內(nèi)一個簡單的酶動力學實驗使兩位科學家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)得益于放射化學的研究，不過開始研究超氧陰離子的物理化學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。

兩位科學家首先在美國實驗生物學會聯(lián)合會會議上口頭報告，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將這一年作為SOD發(fā)現(xiàn)的時間。通過凝膠電泳分析，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)國際會議上的都是必選主題。開始5年，關(guān)于SOD的研究分化成兩大主題，一個是關(guān)于SOD蛋白質(zhì)化學和酶學的研究，另一個是針對生物體系中超氧陰離子來源和化學活性的研究。

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是最真核細胞常見的類型，幾乎所有的細胞都存在這種蛋白。最早從牛紅細胞中純化出的就是這種類型，這種蛋白是兩個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。是由8個b折疊組成的結(jié)構(gòu)，活性中心位于折疊區(qū)之間。兩個亞單位依靠疏水性和靜電作用緊密結(jié)合，6個組氨酸和1個天冬氨酸側(cè)鏈分別和兩個金屬離子結(jié)合，一個組氨酸在兩個金屬離子之間。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意義，一方面首次確定了自由基和機體的密切聯(lián)系，另一方面使自由基生物學研究擺脫了昂貴儀器束縛，在普通生化實驗室就能開展相關(guān)研究，從此自由基生物學從生物物理學領(lǐng)域迅速擴展到生物化學、細胞生物學和醫(yī)學等研究領(lǐng)域，由于這一突出貢獻，Fridovich和McCord曾經(jīng)在1982年成為諾貝爾獎候選人。SOD的發(fā)現(xiàn)，也給生物學家提供了發(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)白細胞吞噬細菌時可通過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為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)，打開了重新評價超氧陰離子生理功能的大門，不僅給人們從開始認為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)于氧化還原信號的概念正是起源于這一認識。活性氧是能量代謝的副產(chǎn)物，總產(chǎn)量大約為氧氣消耗總量的0.1%-0.2%，信號效應(yīng)肯定不是唯一功能。生物進化過程中，不僅逐漸形成了完善的對抗氧化應(yīng)激的系統(tǒng)，也將氧化還原信號變成能影響轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和酶活性調(diào)節(jié)的有效工具。

Fridovich是杜克大學生物化學教授，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。他用細菌長期從事SOD酶活性分析以及超氧陰離子毒性研究，確定了SOD作為對抗超氧陰離子毒性的關(guān)鍵作用。根據(jù)谷歌學術(shù)的數(shù)據(jù)，Fridovich教授的文章被引用高達5萬多次，超過1000次的論文有7篇，H指數(shù)為97。他關(guān)于SOD的發(fā)現(xiàn)，極大地促進了自由基生物醫(yī)學的發(fā)展，是自由基生物醫(yī)學的奠基性發(fā)現(xiàn)。由于他在SOD研究方面的突出貢獻，他是美國科學院和科學藝術(shù)學院院士，曾擔任國際氧氣學會和自由基生物醫(yī)學學會主席。

SOD是細胞內(nèi)非常重要的功能分子，但是SOD并沒有受到藥物研究領(lǐng)域的重視，一方面原因是這些分子難以通過細胞膜，無法達到發(fā)揮作用的部位，另一方面是隨著研究的深入，科學家逐漸認識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，如果人為干擾細胞內(nèi)SOD活性，不僅無法實現(xiàn)解毒目的，還會導致細胞功能的紊亂。盡管如此，仍然有少數(shù)人堅信SOD能作為治療疾病的藥物，在不斷進行研究，也有科學家針對這種蛋白的功能，開發(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1973年Bernard Babior證明炎癥反應(yīng)過程中，炎癥細胞可以通過呼吸爆發(fā)大量產(chǎn)生自由基，說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)直接導致自由基生物學的建立，開始學者認為自由基是危害機體健康的有毒分子，認為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，免疫細胞正是利用自由基殺滅細菌，自由基平衡的概念逐漸被確認。隨后隨著對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)注的重點逐漸從氧化損傷向氧化應(yīng)激，并逐漸過渡到氧化信號，雖然針對氧化損傷的研究依然十分重要，但對氧化信號和氧化調(diào)節(jié)的研究才是逐漸全面認識自由基生物學效應(yīng)的更符合邏輯的方向。

注：本文轉(zhuǎn)自《氫思語》 作者：解放軍第二軍醫(yī)大學海軍醫(yī)學系教授孫學軍