过氧化氢酶

过氧化氢酶

过氧化氢酶，是催化过氧化氢分解成氧和水的酶，存在于细胞的过氧化物体内。过氧化氢酶是过氧化物酶体的标志酶, 约占过氧化物酶体酶总量的40%。过氧化氢酶存在于所有已知的动物的各个组织中，特别在肝脏中以高浓度存在。过氧化氢酶在食品工业中被用于除去用于制造奶酪的牛奶中的过氧化氢。过氧化氢酶也被用于食品包装，防止食物被氧化。

触酶

过氧化氢酶（CAT）是一种酶类清除剂，又称为触酶，是以铁卟啉为辅基的结合酶。它可促使H2O2分解为分子氧和水，清除体内的过氧化氢，从而使细胞免于遭受H2O2的毒害，是生物防御体系的关键酶之一。CAT作用于过氧化氢的机理实质上是H2O2的歧化，必须有两个H2O2先后与CAT相遇且碰撞在活性中心上，才能发生反应。H2O2浓度越高，分解速度越快。

来源

几乎所有的生物机体都存在过氧化氢酶。其普遍存在于能呼吸的生物体内，主要存在于植物的叶绿体、线粒体、内质网、动物的肝和红细胞中，其酶促活性为机体提供了抗氧化防御机理。

CAT是红血素酶，不同的来源有不同的结构。在不同的组织中其活性水平高低不同。过氧化氢在肝脏中分解速度比在脑或心脏等器官快，就是因为肝中的CAT含量水平高。

过氧化氢酶历史

作为一种物质，过氧化氢酶是在1811年被过氧化氢（H2O2）的发现者泰纳尔（Louis Jacques Thénard）首次发现。1900年，Oscar Loew将这种能够降解过氧化氢的酶命名为“catalase”，即过氧化氢酶，并发现这种酶存在于许多植物和动物中。1937年，詹姆斯·B·萨姆纳将来自牛肝中的过氧化氢酶结晶，并在次年获得了该酶的分子量。1969年，牛的过氧化氢酶的氨基酸序列得以解出。而后，1981年，其三维结构得以解析。

功能

过氧化氢是一种代谢过程中产生的废物，它能够对机体造成损害。为了避免这种损害，过氧化氢必须被快速地转化为其他无害或毒性较小的物质。而过氧化氢酶就是常常被细胞用来催化过氧化氢分解的工具。

但过氧化氢酶真正的生物学重要性并不是如此简单：研究者发现基因工程改造后的过氧化氢酶缺失的小鼠依然为正常表现型，这就表明过氧化氢酶只是在一些特定条件下才对动物是必不可少的。

一些人群体内的过氧化氢酶水平非常低，但也不显示出明显的病理反应。这很有可能是因为正常哺乳动物细胞内主要的过氧化氢清除剂是过氧化物还原酶（peroxiredoxin），而不是过氧化氢酶。

过氧化氢酶通常定位于一种被称为过氧化物酶体的细胞器中。植物细胞中的过氧化物酶体参与了光呼吸（利用氧气并生成二氧化碳）和共生性氮固定（将氮气(N2)解离为活性氮原子）。

但细胞被病原体感染时，过氧化氢可以被用作一种有效的抗微生物试剂。部分病原体，如结核杆菌、嗜肺军团菌和空肠弯曲菌，能够生产过氧化氢酶以降解过氧化氢，使得它们能在宿主体内存活。

在生物体中的分布

过氧化氢酶存在于所有已知的动物的各个组织中，特别在肝脏中以高浓度存在。在投弹手甲虫（bombardier beetle）中，过氧化氢酶具有独特用途。这种甲虫具有两套分开储存于腺体中的化学物。大的腺体中储存着对苯二酚和过氧化氢，而小的腺体中储存着过氧化氢酶和辣根过氧化物酶。当甲虫将两个腺体中的化学物质混合在一起时，就会释放出氧气，而氧气既可以氧化对苯二酚又可以作为助推剂。

过氧化氢酶也普遍存在于植物中，但不包括真菌，虽然有些真菌被发现在低pH值和温暖的环境下能够产生该酶。

绝大多数需氧微生物都含有过氧化氢酶[4]。例外包括Streptococcus，一种没有过氧化氢酶的需氧细菌。部分厌氧微生物，如Methanosarcina barkeri，也含有过氧化氢酶。

应用

过氧化氢酶在食品工业中被用于除去用于制造奶酪的牛奶中的过氧化氢。过氧化氢酶也被用于食品包装，防止食物被氧化。它还被用在隐形眼镜的清洁上：眼镜在含有过氧化氢的清洁剂中浸泡后，使用前再用过氧化氢酶除去残留的过氧化氢。近年来，过氧化氢酶开始使用在美容业中。一些面部护理中加入了该酶和过氧化氢，目的是增加表皮上层的细胞氧量。

过氧化氢酶在实验室中还常常被用作了解酶对反应速率影响的工具。

在纺织工艺中，棉针织物的染色大多采用活性染料，该染料主要靠染料中的活性基团与纤维发生共价键的结合，若氧漂后织物上残留过氧化氢，就会在染液中将染料反应基团氧化分解，使染料和纤维不能产生充分有效的键合，从而产生色浅、色花，甚至色光改变。因此，对氧漂后织物上残留的双氧水必须充分有效地去除。在色泽方面，以往工艺只是在浅色及鲜艳的颜色做氧漂，而现在均要求在染色前做漂底，以期得到更艳丽的色彩使色光更加纯，正由于大多数活性染料对氧化剂较为敏感，为了保证后道染色的安全性,必须将氧漂时残留的双氧水去除干净。若采用传统的高温水洗分解双氧水的工艺，势必使生产中水、电、蒸汽的消耗随产量增加而大幅增加，也给污水处理增加了负担生物除氧具有高效专一的特点，但由于过氧化氢酶价格昂贵，必须对其应用的可行性作一评估。基于此，我们对传统高温除氧工艺与生物除氧工艺进行对比试验，并根据实际生产情况作了成本核算，获得了较满意的结果。在染整工业中过氧化氢酶有着广泛的应用,广泛用于纺织、印染造纸加工等行业，用于去除残余双氧水的助剂。在传统的氧漂工艺中,棉纱线和针织物氧漂后采用热水洗和还原剂还原法去除残余双氧水,这两种方法均有一定的不足之处,而过氧化氢酶的使用存在以下的优点：在大幅度节约用水和能源的情况下，清除氧漂后织物和水浴中对后续

活性燃料可能产生料染分解；即在染色之前，去除氧漂后残留于纺织品及其工艺环境中的过氧化氢。其意义在于能大幅度节约水资源和其它能源的情况下，高效快速地清除氧漂后织物和水浴中残留的过氧化氢。以免残存的过氧化氢对染料的破坏，出现染色疵病。过氧化氢酶能有效的提高染色质量，缩短工序时间，减少三废排放。过氧化氢酶使用过程中无须加热，工艺流程短．降低能源消耗。过氧化氢酶在生产使用过程中无刺激性气味，无粉尘飞扬，保障了操作工人的身体健康，消除了生产车间的安全隐患，它是真正的环保型印染助剂。

过氧化氢酶检测

进行中的过氧化氢酶检测，可以观察到气泡。

过氧化氢酶检测是微生物学家鉴定细菌种类的主要的三种检测手段之一，即用过氧化氢来检测过氧化氢酶是否存在。假如细菌中含有过氧化氢酶，则在过氧化氢溶液中加入少量细菌提取物就能观察到氧气气泡生成。

有气泡生成，则该菌被认为是呈“过氧化氢酶阳性”。如staphylococcus和micrococcus。没有，则该菌被认为是呈“过氧化氢酶阴性”。如streptococcus和enterococcus。虽然过氧化氢酶检测无法鉴定特定生物体，但与其他检测方法结合，它可以有效地帮助诊断。

此外细菌中是否存在过氧化氢酶，还取决于细胞生长条件和所使用的培养基。

反应机制

虽然过氧化氢酶完整的催化机制还没有完全被了解，但其催化过程被认为分为两步：H2O2 + Fe(III)-E → H2O + O=Fe(IV)-E(.+)

H2O2 + O=Fe(IV)-E(.+) → H2O + Fe(III)-E + O2[12]

其中，“Fe()-E”表示结合在酶上的血红素基团（E）的中心铁原子(Fe)。Fe(IV)-E(.+)为Fe(V)-E的一种共振形式，即铁原子并没有完全氧化到+V价，而是从血红素上接受了一些“支持电子”。因而，反应式中的血红素也就表示为自由基阳离子(.+).

过氧化氢进入活性位点并与酶147位上的天冬酰胺残基（Asn147）和74位上的组氨酸残基（His74）相互作用，使得一个质子在氧原子间互相传递。自由的氧原子配位结合，生成水分子和Fe(IV)=O。Fe(IV)=O与第二个过氧化氢分子反应重新形成Fe(III)-E，并生成水分子和氧气。[12]活性中心铁原子的反应活性可能由于357位上酪氨酸残基（Tyr357）的苯酚基侧链的存在（帮助Fe(III)氧化为Fe(IV)）而得以提高。反应的效率可能是通过His74和Asn147与反应中间体作用而得以提高。[12]该反应的速率通常可以通过米氏方程来确定。

[2]

过氧化氢酶也能够氧化其他一些细胞毒性物质，如甲醛、甲酸、苯酚和乙醇。这些氧化过程需要利用过氧化氢通过以下反应来完成：

H2O2 + H2R → 2H2O + R

任何重金属离子（如硫酸铜中的铜离子）可以作为过氧化氢酶的非竞争性抑制剂。另外，剧毒性的氰化物是过氧化氢酶的竞争性抑制剂，可以紧密地结合到酶中的血红素上，阻止酶的催化反应。

处于过氧化状态的过氧化氢酶中间体的三维结构已经获得解析，可以在蛋白质数据库中检索到。