9001-05-2 / 過(guò)氧化氫酶的催化反應(yīng)

過(guò)氧化氫酶是一種廣泛存在于各類(lèi)生物體中的酶，它是一類(lèi)抗氧化劑，其作用是催化過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為水和氧氣的反應(yīng)。過(guò)氧化氫酶也是具有最高轉(zhuǎn)換數(shù)（與底物反應(yīng)速率）的酶之一；在酶達(dá)飽和的狀態(tài)下，一個(gè)過(guò)氧化氫酶分子每秒能將四千萬(wàn)個(gè)過(guò)氧化氫分子轉(zhuǎn)化為水和氧氣。

過(guò)氧化氫酶是一個(gè)同源四聚體，每一個(gè)亞基含有超過(guò)500個(gè)氨基酸殘基；并且每個(gè)亞基的活性位點(diǎn)都含有一個(gè)卟啉血紅素基團(tuán)，用于催化過(guò)氧化氫的反應(yīng)。過(guò)氧化氫酶的最適pH接近7，最適溫度則因物種而異。

歷史

作為一種物質(zhì)，過(guò)氧化氫酶是在1811年被過(guò)氧化氫（H2O2）的發(fā)現(xiàn)者泰納爾（Louis Jacques Thénard）首次發(fā)現(xiàn)。1900年，Oscar Loew將這種能夠降解過(guò)氧化氫的酶命名為“catalase”，即過(guò)氧化氫酶，并發(fā)現(xiàn)這種酶存在于許多植物和動(dòng)物中。1937年，詹姆斯·B·薩姆納將來(lái)自牛肝中的過(guò)氧化氫酶結(jié)晶，并在次年獲得了該酶的分子量。1969年，牛的過(guò)氧化氫酶的氨基酸序列得以解出。而后，1981年，其三維結(jié)構(gòu)得以解析。

催化反應(yīng)

過(guò)氧化氫分子

過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫分解的反應(yīng)可以表示如下：

2 H2O2→ 2 H2O + O2

反應(yīng)機(jī)制

雖然過(guò)氧化氫酶完整的催化機(jī)制還沒(méi)有完全被了解，但其催化過(guò)程被認(rèn)為分為兩步：

H2O2+ Fe(III)-E → H2O + O=Fe(IV)-E(.+)

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

其中，“Fe()-E”表示結(jié)合在酶上的血紅素基團(tuán)（E）的中心鐵原子(Fe)。Fe(IV)-E(.+)為Fe(V)-E的一種共振形式，即鐵原子并沒(méi)有完全氧化到+V價(jià)，而是從血紅素上接受了一些“支持電子”。因而，反應(yīng)式中的血紅素也就表示為自由基陽(yáng)離子(.+).

過(guò)氧化氫進(jìn)入活性位點(diǎn)并與酶147位上的天冬酰胺殘基（Asn147）和74位上的組氨酸殘基（His74）相互作用，使得一個(gè)質(zhì)子在氧原子間互相傳遞。自由的氧原子配位結(jié)合，生成水分子和Fe(IV)=O。Fe(IV)=O與第二個(gè)過(guò)氧化氫分子反應(yīng)重新形成Fe(III)-E，并生成水分子和氧氣?；钚灾行蔫F原子的反應(yīng)活性可能由于357位上酪氨酸殘基（Tyr357）的苯酚基側(cè)鏈的存在（幫助Fe(III)氧化為Fe(IV)）而得以提高。反應(yīng)的效率可能是通過(guò)His74和Asn147與反應(yīng)中間體作用而得以提高。該反應(yīng)的速率通?？梢酝ㄟ^(guò)米氏方程來(lái)確定。

過(guò)氧化氫酶也能夠氧化其他一些細(xì)胞毒性物質(zhì)，如甲醛、甲酸、苯酚和乙醇。這些氧化過(guò)程需要利用過(guò)氧化氫通過(guò)以下反應(yīng)來(lái)完成：

H2O2+ H2R → 2H2O + R

同樣，具體的反應(yīng)機(jī)制還不清楚。

任何重金屬離子（如硫酸銅中的銅離子）可以作為過(guò)氧化氫酶的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。另外，劇毒性的氰化物是過(guò)氧化氫酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，可以緊密地結(jié)合到酶中的血紅素上，阻止酶的催化反應(yīng)。

處于過(guò)氧化狀態(tài)的過(guò)氧化氫酶中間體的三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)獲得解析，可以在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到。

功能

過(guò)氧化氫是一種代謝過(guò)程中產(chǎn)生的廢物，它能夠?qū)C(jī)體造成損害。為了避免這種損害，過(guò)氧化氫必須被快速地轉(zhuǎn)化為其他無(wú)害或毒性較小的物質(zhì)。而過(guò)氧化氫酶就是常常被細(xì)胞用來(lái)催化過(guò)氧化氫分解的工具。

但過(guò)氧化氫酶真正的生物學(xué)重要性并不是如此簡(jiǎn)單：研究者發(fā)現(xiàn)基因工程改造后的過(guò)氧化氫酶缺失的小鼠依然為正常表現(xiàn)型，這就表明過(guò)氧化氫酶只是在一些特定條件下才對(duì)動(dòng)物是必不可少的。

一些人群體內(nèi)的過(guò)氧化氫酶水平非常低，但也不顯示出明顯的病理反應(yīng)。這很有可能是因?yàn)檎２溉閯?dòng)物細(xì)胞內(nèi)主要的過(guò)氧化氫清除劑是過(guò)氧化物還原酶（peroxiredoxin），而不是過(guò)氧化氫酶。

過(guò)氧化氫酶通常定位于一種被稱(chēng)為過(guò)氧化物酶體的細(xì)胞器中。植物細(xì)胞中的過(guò)氧化物酶體參與了光呼吸（利用氧氣并生成二氧化碳）和共生性氮固定（將氮?dú)?N2)解離為活性氮原子）。

但細(xì)胞被病原體感染時(shí)，過(guò)氧化氫可以被用作一種有效的抗微生物試劑。部分病原體，如結(jié)核桿菌、嗜肺軍團(tuán)菌和空腸彎曲菌，能夠生產(chǎn)過(guò)氧化氫酶以降解過(guò)氧化氫，使得它們能在宿主體內(nèi)存活。