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過氧化氫酶
過氧化氫酶（CAT），是催化過氧化氫分解成氧和水的酶，存在于細(xì)胞的過氧化物體內(nèi)。過氧化氫酶是過氧化物酶體的標(biāo)志酶, 約占過氧化物酶體酶總量的40%。過氧化氫酶存在于所有已知的動(dòng)物的各個(gè)組織中，特別在肝臟中以高濃度存在。過氧化氫酶在食品工業(yè)中被用于除去用于制造奶酪的牛奶中的過氧化氫。過氧化氫酶也被用于食品包裝，防止食物被氧化。
- 中文名：過氧化氫酶
- 外文名：CATALASE FROM MICROCOCCUS LYSODEIKTICUS
- 別 稱：自溶血性鏈球菌分離的過氧化氫酶
- 主要作用：催化H2O2分解為H2O與O2
- 存 在：能呼吸的生物體內(nèi)
- 應(yīng) 用：食品、紡織等
簡(jiǎn)介
過氧化氫(H2O2)即人們熟知的雙氧水,比水(H2O)多了一個(gè)氧原子(0),這個(gè)氧原子極不穩(wěn)定,總想從別的物質(zhì)分子中再奪取一個(gè)氧原子,形成O2。平時(shí)我們用雙氧水殺菌消毒,就是因?yàn)榧?xì)菌遭到H2O2的破壞而死亡,消毒時(shí)起泡是產(chǎn)生氧氣的結(jié)果。然而,過氧化氫可穿透大部分細(xì)胞膜,因此它比超氧陰離子自由基(不能穿透細(xì)胞膜)具有更強(qiáng)的細(xì)胞毒性,穿透細(xì)胞膜后可與細(xì)胞內(nèi)的鐵發(fā)生反應(yīng)生成羥基自由基。過氧化氫酶(CAT)是抗氧化酵素系統(tǒng)的重要一員,又被稱為觸酶,是以鐵卟啉為輔基的結(jié)合酶。SOD酵素將氧自由基歧化后生成過氧化氫(H2O2)和氧氣(O2),過氧化氫在體內(nèi)仍然是具有氧化劑毒性的物質(zhì),過氧化氫酶的作用就是促使過氧化氫分解為分子氧和水,使細(xì)胞免于遭受H2O2的毒害。CAT作用于過氧化氫的機(jī)理實(shí)質(zhì)上是過氧化氫的岐化,必須有兩個(gè)H2O2分子先后與CAT相遇且碰撞在活性中心上,才能發(fā)生反應(yīng)。H2O2濃度越高,分解速度越快幾乎所有的生理機(jī)體,都存在過氧化氫酶。其普遍存在于能呼吸的生物體內(nèi),主要存在于植物的葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及動(dòng)物的肝和紅細(xì)胞中其酶促活性為機(jī)體提供了抗氧化防御機(jī)理。過氧化氫酶的生物功能是在細(xì)胞中促進(jìn)過氧化氫分解,使其不會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生毒性很大的氫氧自由基,從而保護(hù)抗氧化酵素系統(tǒng)的功能作用,對(duì)于人體的生長(zhǎng)發(fā)育和代謝活動(dòng)亦具有重要意義。
閻世英編著,酵素決定健康,中國(guó)醫(yī)藥科技出版社,2015.12
過氧化氫酶存在于紅細(xì)胞及某些組織內(nèi)的過氧化體中，它的主要作用就是催化H2O2分解為H2O與O2，使得H2O2不至于與O2在鐵螯合物作用下反應(yīng)生成非常有害的-OH
過氧化氫酶的作用是使過氧化氫還原成水： 2H2O2=O2↑+ 2H2O
中文名稱:過氧化氫酶
英文別名:Fungal catalase; catalase from bovine liver; catalase F. bov. liv.,cryst.susp. in H2O; Catalase from microorganisms; catalse from bovine liver; catalase from human erythrocytes; catalase from dog liver; catalase from mouse liver; catalase from bison liver; Catalase (bovine liver); Catalase, Human Erythrocytes; Catalase Aspergillus niger; Catalase from Corynebacterium glutamicum; Catalase Micrococcus lysodeikticus; Catalase
CAS:9001-05-2
EINECS:232-577-1
EC 1.11.1.6
觸酶
過氧化氫酶（CAT）是一種酶類清除劑，又稱為觸酶，是以鐵卟啉為輔基的結(jié)合酶。它可促使H2O2分解為分子氧和水，清除體內(nèi)的過氧化氫，從而使細(xì)胞免于遭受H2O2的毒害，是生物防御體系的關(guān)鍵酶之一。CAT作用于過氧化氫的機(jī)理實(shí)質(zhì)上是H2O2的歧化，必須有兩個(gè)H2O2先后與CAT相遇且碰撞在活性中心上，才能發(fā)生反應(yīng)。H2O2濃度越高，分解速度越快。
分解酶
這是一種穩(wěn)定的過氧化氫分解酶，能將過氧化氫分解成水和氧氣，而對(duì)纖維和染料沒有影響，因而漂白后染色前，通過H2O2 分解酶去除漂白織物上和染缸中殘留的過氧化氫，以避免纖維的進(jìn)一步氧化和染色時(shí)染料的氧化。同時(shí)能縮短加工時(shí)間，減少水洗用水，降低廢水量。尤其對(duì)紗線、筒子紗和針織物更為適用。 同樣，過氧化氫分解酶隨pH 值和溫度的改變，其活力隨之變化，在pH7 左右和30～40 ℃活性最大。過氧化氫濃度增大，會(huì)加快分解反應(yīng)速度，但必須注意當(dāng)濃度大于一定量時(shí)，酶的作用將減弱，這樣過多的殘留H2O2 對(duì)纖維和染料是不利的。所以不能因?yàn)橛辛薍2O2 分解酶，就能任意地加大H2O2 的用量。 使用時(shí)，通常要注意H2O2 分解酶對(duì)常用表面活性劑和H2O2 穩(wěn)定劑的相容性，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用pH為6～8，溫度20～55 ℃，酶用量5～10KCLU/ 升，時(shí)間10～20min。此技術(shù)已慢慢地被國(guó)內(nèi)所認(rèn)識(shí)和接受，它對(duì)提高活性染料色澤鮮艷度很有利。
來源
幾乎所有的生物機(jī)體都存在過氧化氫酶。其普遍存在于能呼吸的生物體內(nèi)，主要存在于植物的葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、動(dòng)物的肝和紅細(xì)胞中，其酶促活性為機(jī)體提供了抗氧化防御機(jī)理。
CAT是紅血素酶，不同的來源有不同的結(jié)構(gòu)。在不同的組織中其活性水平高低不同。過氧化氫在肝臟中分解速度比在腦或心臟等器官快，就是因?yàn)楦沃械腃AT含量水平高。
反應(yīng)機(jī)制
雖然過氧化氫酶完整的催化機(jī)制還沒有完全被了解，但其催化過程被認(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[12]
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離子（.+).
過氧化氫進(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)過氧化氫分子反應(yīng)重新形成Fe(III)-E，并生成水分子和氧氣。[12]活性中心鐵原子的反應(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His74和Asn147與反應(yīng)中間體作用而得以提高。[12]該反應(yīng)的速率通常可以通過米氏方程來確定。[2]
過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。這些氧化過程需要利用過氧化氫通過以下反應(yīng)來完成：
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)。
處于過氧化狀態(tài)的過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)庫中檢索到。
檢測(cè)
進(jìn)行中的過氧化氫酶檢測(cè)，可以觀察到氣泡。
過氧化氫酶檢測(cè)是微生物學(xué)家鑒定細(xì)菌種類的主要的三種檢測(cè)手段之一，即用過氧化氫來檢測(cè)過氧化氫酶是否存在。假如細(xì)菌中含有過氧化氫酶，則在過氧化氫溶液中加入少量細(xì)菌提取物就能觀察到氧氣氣泡生成。
有氣泡生成，則該菌被認(rèn)為是呈“過氧化氫酶陽性”。如staphylococcus和micrococcus。沒有，則該菌被認(rèn)為是呈“過氧化氫酶陰性”。如streptococcus和enterococcus。 雖然過氧化氫酶檢測(cè)無法鑒定特定生物體，但與其他檢測(cè)方法結(jié)合，它可以有效地幫助診斷。
此外細(xì)菌中是否存在過氧化氫酶，還取決于細(xì)胞生長(zhǎng)條件和所使用的培養(yǎng)基。
分布
過氧化氫酶存在于所有已知的動(dòng)物的各個(gè)組織中，特別在肝臟中以高濃度存在。在投彈手甲蟲（bombardier beetle）中，過氧化氫酶具有獨(dú)特用途。這種甲蟲具有兩套分開儲(chǔ)存于腺體中的化學(xué)物。大的腺體中儲(chǔ)存著對(duì)苯二酚和過氧化氫，而小的腺體中儲(chǔ)存著過氧化氫酶和辣根過氧化物酶。當(dāng)甲蟲將兩個(gè)腺體中的化學(xué)物質(zhì)混合在一起時(shí)，就會(huì)釋放出氧氣，而氧氣既可以氧化對(duì)苯二酚又可以作為助推劑。
過氧化氫酶也普遍存在于植物中，但不包括真菌，雖然有些真菌被發(fā)現(xiàn)在低pH值和溫暖的環(huán)境下能夠產(chǎn)生該酶。
絕大多數(shù)需氧微生物都含有過氧化氫酶[4]。例外包括Streptococcus，一種沒有過氧化氫酶的需氧細(xì)菌。部分厭氧微生物，如Methanosarcina barkeri，也含有過氧化氫酶。
應(yīng)用
過氧化氫酶在食品工業(yè)中被用于除去用于制造奶酪的牛奶中的過氧化氫。過氧化氫酶也被用于食品包裝，防止食物被氧化。在紡織工業(yè)中，過氧化氫酶被用于除去紡織物上的過氧化氫，以保證成品是不含過氧化物的。它還被用在隱形眼鏡的清潔上：眼鏡在含有過氧化氫的清潔劑中浸泡后，使用前再用過氧化氫酶除去殘留的過氧化氫。過氧化氫酶在美容業(yè)中的使用：一些面部護(hù)理中加入了該酶和過氧化氫，目的是增加表皮上層的細(xì)胞氧量。
過氧化氫酶在實(shí)驗(yàn)室中還常常被用作了解酶對(duì)反應(yīng)速率影響的工具。
功能
功能概述
過氧化氫是一種代謝過程中產(chǎn)生的廢物，它能夠?qū)C(jī)體造成損害。為了避免這種損害，過氧化氫必須被快速地轉(zhuǎn)化為其他無害或毒性較小的物質(zhì)。而過氧化氫酶就是常常被細(xì)胞用來催化過氧化氫分解的工具。
但過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氧化氫酶缺失的小鼠依然為正常表現(xiàn)型，這就表明過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)主要的過氧化氫清除劑是過氧化物還原酶（peroxiredoxin），而不是過氧化氫酶。
過氧化氫酶通常定位于一種被稱為過氧化物酶體的細(xì)胞器中。植物細(xì)胞中的過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)過氧化氫酶以降解過氧化氫，使得它們能在宿主體內(nèi)存活。
漂白作用
要說明的是用酶可促進(jìn)漂白的進(jìn)行，羊毛在含有蛋白酶Bactosol ST的過氧化氫漂液中漂白，可顯著提高羊毛的白度和親水性。這是由于酶促進(jìn)羊毛纖維初始受到快速的浸蝕，致使羊毛漂白較易進(jìn)行。從此原理出發(fā)，將蛋白酶對(duì)羊毛先預(yù)處理，使纖維表面裸露，再進(jìn)行漂白，顯然效果更好，且纖維損傷也易控制。
歷史
作為一種物質(zhì)，過氧化氫酶是在1811年被過氧化氫（H2O2）的發(fā)現(xiàn)者泰納爾（Louis Jacques Thénard）首次發(fā)現(xiàn)。1900年，Oscar Loew將這種能夠降解過氧化氫的酶命名為“catalase”，即過氧化氫酶，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·薩姆納將來自牛肝中的過氧化氫酶結(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。
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