過(guò)氧化氫酶(cat)的特異功能與應(yīng)用領(lǐng)域！
過(guò)氧化氫酶(cat)，顧名思義是可以催化過(guò)氧化氫分解成氧和水的酶。然鵝，你要是認(rèn)為它只能催化過(guò)氧化氫分解那就大錯(cuò)特錯(cuò)了，人家還有特異功能呢。聽(tīng)我給大家詳細(xì)說(shuō)說(shuō)這種神奇的酶。
首先，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)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。
幾乎所有的生物機(jī)體都存在過(guò)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(lái)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(guò)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)楦沃械腸at含量水平高。
cat存在于細(xì)胞的過(guò)氧化物酶體內(nèi)。過(guò)氧化氫酶是過(guò)氧化物酶體的標(biāo)志酶, 約占過(guò)氧化物酶體酶總量的40%。過(guò)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(guò)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(guò)氧化氫。過(guò)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(guò)氧化氫酶被用于除去紡織物上的過(guò)氧化氫，以保證成品是不含過(guò)氧化物的。它還被用在隱形眼鏡的清潔上:眼鏡在含有過(guò)氧化氫的清潔劑中浸泡后，使用前再用過(guò)氧化氫酶除去殘留的過(guò)氧化氫。過(guò)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(guò)氧化氫，目的是增加表皮上層的細(xì)胞氧量。過(guò)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。
一、反應(yīng)機(jī)制
cat作用于過(guò)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。雖然過(guò)氧化氫酶完整的催化機(jī)制還沒(méi)有被了解，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。
二、接下來(lái)，劃重點(diǎn)：
過(guò)氧化氫酶也能夠氧化其他一些細(xì)胞毒性物質(zhì)，如甲醇、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 + ah2 → 2h2o + a
同樣，具體的反應(yīng)機(jī)制還不清楚。
沒(méi)錯(cuò)，這就是cat的特異功能，它也具有過(guò)氧化物酶活性，不僅可以催化過(guò)氧化氫反應(yīng)，還可以順帶氧化其他的小分子有毒物質(zhì)，而且必須在過(guò)氧化氫在場(chǎng)的情況下。
根據(jù)這個(gè)特性，在生化檢測(cè)中有的公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了利用cat過(guò)氧化物酶活性的檢測(cè)試劑盒。比如cayman公司的貨號(hào)為 700910的catalase assay kit (without hydrogen peroxide)該試劑盒的原理是甲醇和過(guò)氧化氫在cat的催化下反應(yīng)生成甲醛和水，然后用能與甲醛反應(yīng)顯色的物質(zhì)來(lái)測(cè)定生成的甲醛，測(cè)定cat的活性。這樣就避開(kāi)了利用cat的過(guò)氧化氫酶活性來(lái)測(cè)定cat需要準(zhǔn)確測(cè)定過(guò)氧化氫濃度的難題。由于過(guò)氧化氫不是非常穩(wěn)定，使用前需自行測(cè)定過(guò)氧化氫的實(shí)際濃度，需要測(cè)定240 nm的吸光度，比較麻煩。
三、過(guò)氧化氫酶（cat）的應(yīng)用
過(guò)氧化氫酶（cat）專一分解過(guò)氧化氫（h2o2）。商品過(guò)氧化氫酶是一種高效、安全、無(wú)毒的生物催化劑。近年來(lái)cat得到廣泛應(yīng)用，主要有以下幾個(gè)方面。
在牛奶保存和奶酪制造前用h2o2對(duì)牛乳和干酪原料乳進(jìn)行殺菌消毒，然后再用cat去除殘余h2o2。與加熱殺菌不同，這種殺菌消毒可以在低溫下進(jìn)行，不僅不會(huì)殺滅有用的乳酸菌，而且不會(huì)影響到脂肪酶、蛋白酶及磷酸酶的作用。另外，利用cat分解h2o2放出o2的性質(zhì)，可以在烘烤食品過(guò)程中同時(shí)添加h2o2和cat用作疏松劑。
在紙漿和造紙工業(yè)上，由于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的含氯漂白劑與紙漿中殘余木素反應(yīng)產(chǎn)生氯酚類(lèi)化合物等毒性污染物質(zhì)后，世界各國(guó)相繼采取措施，禁止在紙漿和造紙工業(yè)中采用含氯漂白劑，因此近年世界造紙行業(yè)相繼以h2o2漂白來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)漂白方法。
在棉針織物漂染色工藝中，采用cat生物除氧，比傳統(tǒng)的高溫水洗工藝去除殘留h2o2具有節(jié)省水、電、氣、人工的優(yōu)點(diǎn)，又大幅度降低了成本，提高了生產(chǎn)效率，并減少了對(duì)環(huán)境的污染。
利用cat與h2o2同時(shí)使用放出o2的機(jī)理，還可用于橡膠成型，塑料及多泡性黏合劑。
cat可以使細(xì)胞免于遭受h2o2的毒害。幾乎所有的生物機(jī)體都存在cat，其酶促活性為機(jī)體提供了抗氧化防御功能。鑒于含有過(guò)氧化物歧化酶的抗氧化復(fù)合物可用于治療，故認(rèn)為cat也可用于治療氧化損傷疾病。