[科普中国]-过氧化氢酶

过氧化氢酶（CAT），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。

简介过氧化氢(H2O2)即人们熟知的双氧水,比水(H2O)多了一个氧原子(0),这个氧原子极不稳定,总想从别的物质分子中再夺取一个氧原子,形成O2。平时我们用双氧水杀菌消毒,就是因为细菌遭到H2O2的破坏而死亡,消毒时起泡是产生氧气的结果。然而,过氧化氢可穿透大部分细胞膜,因此它比超氧阴离子自由基(不能穿透细胞膜)具有更强的细胞毒性,穿透细胞膜后可与细胞内的铁发生反应生成羟基自由基。过氧化氢酶(CAT)是抗氧化酵素系统的重要一员,又被称为触酶,是以铁卟啉为辅基的结合酶。SOD酵素将氧自由基歧化后生成过氧化氢(H2O2)和氧气(O2),过氧化氢在体内仍然是具有氧化剂毒性的物质,过氧化氢酶的作用就是促使过氧化氢分解为分子氧和水,使细胞免于遭受H2O2的毒害。CAT作用于过氧化氢的机理实质上是过氧化氢的岐化,必须有两个H2O2分子先后与CAT相遇且碰撞在活性中心上,才能发生反应。H2O2浓度越高,分解速度越快几乎所有的生理机体,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、内质网以及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。过氧化氢酶的生物功能是在细胞中促进过氧化氢分解,使其不会进一步产生毒性很大的氢氧自由基,从而保护抗氧化酵素系统的功能作用,对于人体的生长发育和代谢活动亦具有重要意义。

阎世英编著,酵素决定健康,中国医药科技出版社,2015.12

过氧化氢酶存在于红细胞及某些组织内的过氧化体中，它的主要作用就是催化H2O2分解为H2O与O2，使得H2O2不至于与O2在铁螯合物作用下反应生成非常有害的-OH

过氧化氢酶的作用是使过氧化氢还原成水： 2H2O2=O2↑+ 2H2O

中文名称:过氧化氢酶

英文别名: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

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。

分解酶这是一种稳定的过氧化氢分解酶，能将过氧化氢分解成水和氧气，而对纤维和染料没有影响，因而漂白后染色前，通过H2O2 分解酶去除漂白织物上和染缸中残留的过氧化氢，以避免纤维的进一步氧化和染色时染料的氧化。同时能缩短加工时间，减少水洗用水，降低废水量。尤其对纱线、筒子纱和针织物更为适用。 同样，过氧化氢分解酶随pH 值和温度的改变，其活力随之变化，在pH7 左右和30～40 ℃活性最大。过氧化氢浓度增大，会加快分解反应速度，但必须注意当浓度大于一定量时，酶的作用将减弱，这样过多的残留H2O2 对纤维和染料是不利的。所以不能因为有了H2O2 分解酶，就能任意地加大H2O2 的用量。 使用时，通常要注意H2O2 分解酶对常用表面活性剂和H2O2 稳定剂的相容性，实际生产应用pH为6～8，温度20～55 ℃，酶用量5～10KCLU/ 升，时间10～20min。此技术已慢慢地被国内所认识和接受，它对提高活性染料色泽鲜艳度很有利。

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。

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

同样，具体的反应机制还不清楚。

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。

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。

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。在纺织工业中，过氧化氢酶被用于除去纺织物上的过氧化氢，以保证成品是不含过氧化物的。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。过氧化氢酶在美容业中的使用：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。

功能功能概述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。

漂白作用要说明的是用酶可促进漂白的进行，羊毛在含有蛋白酶Bactosol ST的过氧化氢漂液中漂白，可显著提高羊毛的白度和亲水性。这是由于酶促进羊毛纤维初始受到快速的浸蚀，致使羊毛漂白较易进行。从此原理出发，将蛋白酶对羊毛先预处理，使纤维表面裸露，再进行漂白，显然效果更好，且纤维损伤也易控制。

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。

相关疾病过氧化物酶体异常（peroxisomal disorder）过氧化物酶缺乏症（acatalasia）是由过氧化氢酶功能缺陷所造成的。

本词条内容贡献者为:

江松敏 - 副教授 - 复旦大学