过氧化氢酶的研究进展

于德玲 王昌留

（鲁东大学生命科学学院，烟台 264025）



过氧化氢酶的研究进展

于德玲 王昌留*

（鲁东大学生命科学学院，烟台 264025）

过氧化氢酶是一类广泛存在于动物、植物和微生物体内的末端氧化酶，是生物体内抗氧化酶体系的重要成员。本文对过氧化氢酶的种类、结构特点以及在动植物和微生物中的生理功能进行了综述，并分析了该酶的基因序列研究现状以及对该酶研究的展望。

过氧化氢酶；结构；功能；序列分析；基因表达

过氧化氢酶（hydrogen peroxidase）是一类广泛存在于动物、植物和微生物体内的末端氧化酶，是在生物演化过程中建立起来的生物防御系统的关键酶之一。Thenard于1811年首次发现了过氧化氢酶。1900年，Loew［1］将这种酶命名为“catalase”，即过氧化氢酶，又称触酶（catalase，CAT），并发现该酶存在于许多动植物中，其主要功能是清除过量的过氧化氢。随后大量的实验证明CAT存在于各种生物中，在生物体内具清除H2O2的重要功能。早期对过氧化氢酶的研究主要集中在该酶化学特性的研究，随着分子生物学及基因工程的迅速发展，越来越多的学者用分子手段来研究过氧化氢酶的结构与功能以及其基因的结构与功能。该酶不仅在生物体内具有重要作用，在工业应用方面到也起到重要作用。目前为止CAT已经广泛应用于食品、环保［2］、造纸业和纺织业等。本文将主要对过氧化氢酶的种类、结构特点以及在动植物和微生物中的生理功能进行了综述，并对该酶的基因序列和基因表达的研究现状进行分析。

1　过氧化氢酶的结构与功能

1.1 CAT的结构

CAT根据其结构的不同分为3类：典型的单功能血红素CAT（图1A）、CAT-过氧化物酶（catalase peroxidases，CAT-POD）（图1B）以及非典型的锰过氧化氢酶（manganese catalase，MnCAT）（图1C）［3］。单功能血红素CAT存在于真细菌、古细菌、原核生物、真菌、植物和动物中，尽管来源不同，但其结构具有高度相似性。CAT由4个相同肽链亚基组成，每个亚基各有一个血红素活性位点（图1A），该血红素辅基以铁卟啉形式存在，每分子CAT含有四个铁原子，相对分子量一般为200～340Kd，四条肽链由亚基间的作用力相互缠绕，形成了CAT的特殊结构［4］。

CAT-POD可以说是典型 CAT的衍生物（图1B）。它主要存在于细菌、真菌和藻类，在动植物中未发现其存在，具有和典型CAT相同的催化功能，是CAT和POD产生的可逆复合体，其催化功能比典型CAT要低一个数量级，但这种差别在生物体内可以忽略不计。

MnCAT是一种不含血红素基，但含有锰的过氧化氢酶：锰离子替代了铁卟啉结构（图1C）。目前发现的MnCAT非常少，主要存在于一些嗜极微生物。张闻等［5］对MnCAT的活性中心结构、催化反应机理和模型物进行了研究，该研究中提到利用电子光谱与电子自旋共振（ESR）谱最先证实锰CAT有2个紧邻的锰离子，存在混合价态Mn2（Ⅱ，Ⅲ）和Mn2（Ⅲ，Ⅳ）。还原态Mn2（Ⅱ，Ⅱ）显示弱的反铁磁性偶合，而氧化态Mn2（Ⅲ，Ⅳ）显示较强的反铁磁性偶合。

三种酶虽然在结构上具有一定的差异，但是其功能都是一致的，都是通过两步氧化还原反应，将H2O2歧化为H2O和O2。其中单功能血红素CAT和CAT-过氧化物酶反应时是血红素卟啉环和铁先被H2O2氧化，形成复合物Ⅰ，然后该氧化后的复合物Ⅰ再将另一分子H2O2氧化，生成原来的酶、H2O和O［6］。而MnCAT研究较少，目前研究比较清楚的是

2Lactobacillus plantarum的MnCAT，它的催化反应机制如下［7］：

H2O2+｛Mn2（III，III）｝—O2+｛Mn2（II，II）+2H+｝H2O2+｛Mn2（II，II）+2H+｝—｛Mn2（III，III）｝+2H2O

三种酶的反应机制相似，底物相同，产物相同，不同之处就是MnCAT产生O2是在第一步反应，而单功能血红素CAT和CAT-过氧化物酶是在第二步产生O2。

图1　过氧化氢酶的结构与分类［3］。A，典型过氧化氢酶；B，过氧化氢酶-过氧化物酶；C，非典型的锰过氧化氢酶Fig.1 The structure and classification of catalase.A，typical catalase；B，catalase-peroxidases；C，atypical mncatalase

1.2 CAT的功能

CAT在原核生物和真核生物中普遍存在，其主要功能是能将H2O2分解为H2O和O2，而H2O2是一种有害的活性氧（reactive oxygen species，ROS），可以被还原为各种有害的自由基而氧化细胞中的各种成分，使细胞发生病变［8-9］。因此，CAT能够预防过量的过氧化氢对细胞产生的毒害作用，并与超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）共同组成抗氧化酶系统。最近的研究表明CAT还可以作为一种非常有用的生物标记物，检测引起水生生物氧化应激反应的污染物的含量［10］。生物体内适量的H2O2可以作为第二信使参与细胞的信号转导通路，引起免疫细胞的激活、炎症反应、细胞增生、细胞衰老和细胞凋亡［11-13］；相反，过量的H2O2能够损害生物细胞中的各种成分，如蛋白质、脂质、DNA等。因此，作为H2O2清除剂的CAT在生物机体中具有十分重要的作用，下面分别从微生物与动植物中介绍CAT的具体作用。

1.2.1 CAT在微生物中的功能

在对微生物的研究中发现，CAT可以保护病原微生物免遭宿主细胞的杀伤作用而使机体患病，因此进一步研究CAT的功能可以更加深入地研究病原微生物的致病机制，进而研制出更为有效的抗菌药物。作为机会致病菌的新型隐球菌，侵入宿主后可以在吞噬细胞中存活，说明该菌可以抵御宿主细胞的氧化应激反应。Giles等［14］研究了该菌的抗氧化防御机制，发现新型隐球菌的CAT基因家族有四个成员：CAT1、CAT2、CAT3、CAT4，这四种酶在抵御内在和外在的活性氧时相互协调，在不同时期，不同位置发挥抗氧化作用，以利于该菌在宿主细胞中生存。Loots［15］在研究耐药结核杆菌菌株对异烟肼抗药性时发现，该菌株的CAT-过氧化物酶基因突变时，该菌具有较高的抗药性，原因是该酶可以激活异烟肼（抗结核药）的前体药物。在对酵母菌的过氧化氢酶活性的研究中Martins等［16］发现诱导胞质中过氧化氢酶活性在保护酵母对抗外源性H2O2至关重要，但是当细胞处于没有营养的培养基中时该酶活性被过氧化氢所抑制。由此可以看出CAT在微生物中也有重要作用。

1.2.2 CAT在植物中的功能

在植物中过氧化氢酶基因家族由多基因编码且该酶普遍存在于乙醛酸循环体、过氧化物酶体、叶绿体及胞质中，是清除H2O2的关键酶。彭丹等［17］研究盐穗木的耐盐机制时发现，HcCAT1基因受盐胁迫表达量上调。邢朝斌等［18］为研究CAT基因在刺五加抗逆性反应以及次生代谢反应中的作用，用实时定量PCR检测到CAT基因在不同时期不同器官的表达量，结果显示CAT基因在不同时期不同器官都有表达，其表达量呈显著差异。另有研究证明，在光照、植物激素、臭氧、温度、外源物质、H2O2、高渗透压及重金属［19］等逆境下，植物中的CAT表达量以及活性都有所变化，说明CAT在应对这些逆境方面起重要作用。同时，CAT在植物细胞的衰老和细胞凋亡以及植物细胞内的氧化还原平衡也具有重要作用［20］。

1.2.3 CAT在动物中的功能

在对动物CAT的研究发现，该酶与一些无脊椎动物的免疫防御有关。如当一些水生生物受到外界环境刺激时，会导致呼吸爆发而产生过量的ROS来抵御外界刺激。CAT就是用来去除产生这些活性氧的中间产物H2O2的清除剂。而且人体内的CAT也是用来减缓细胞中的应激反应，该反应与人体的防御机制、细胞凋亡、细胞衰老、炎症反应、肿瘤的形成以及基因的突变都有一定的关系［4，21］。Li等［22］在研究彭泽鲫鱼受重金属镉刺激后体内活性氧的产生以及抗氧化酶系统的变化时发现，在不同镉离子浓度，以及不同组织中均检测到CAT活性，而且在镉离子浓度为0.1mg/L，肝组织中该酶的活性最强。这主要是由于在镉离子的刺激下肝内的活性氧含量升高，这也充分说明了CAT在抗氧化防御系统中的重要作用。Arockiaraj等［23］研究罗氏沼虾时，向其体内注射IHHNV（传染性皮下及造血组织坏血病毒）发现CAT在消化道、鳃、肌肉、血细胞、肝胰脏、附肢、大脑等组织中均有表达，而且在消化道中表达含量最高。这些结果表明当宿主遭受外界刺激时，CAT也具有重要的防御作用。

2　不同动物CAT的基因序列分析

早期对过氧化氢酶的研究仅限于其结构与功能，随着分子生物学、基因工程以及生物信息学的迅速发展，CAT基因序列研究逐渐活跃起来，本部分仅对研究较多的典型CAT基因序列做一简单概述。如表1［10，22，24-31］所示。通过表1可以看出近两年研究的这十种动物都是典型的过氧化氢酶且都含有一个CAT催化的活性位点以及一个血红素配体信号序列，而这两段序列在不同物种间差异较小，这说明典型CAT的蛋白质序列既有一定的保守性，又有一定的差异性。并且氨基酸数目差距也不大，最多的是541个氨基酸，最少的也有501个氨基酸。

表1　十种不同动物CAT的cDNA序列及氨基酸序列分析结果Table 1 The analysis results of ten different animals CAT cDNA sequence and amino acid sequence

早在几十年前就有研究人员研究人CAT基因，发现该基因位于人体11号染色体的短臂且拥有持家基因的所有特点，如没有TATA盒元件、没有起始因子序列以及在启动子处GC含量较高。该基因长度为32420bp，含有12个内含子和13个外显子，编码526个氨基酸，属于典型的过氧化氢酶家族［32］。Trasviña-Arenas等［33］研究发现凡纳滨对虾CAT基因总长为2974bp并且含有四个内含子，长度分别为821、223、114和298bp，而且该基因的表达及酶活性因不同组织差异明显。高彬［34］等研究仿刺参的CAT基因发现该基因的cDNA序列全长1885bp，其中5'-非编码序列长76bp，3'-非编码区序列长306bp，开放阅读框（open reading frame，ORF）为1503bp。序列比对发现仿刺参与三角帆蚌以及紫海胆的相似度最高，为75%。这些序列的研究均为其他物种该酶基因序列的研究奠定基础。

CAT广泛分布于系统发育的各个物种中，包括从细菌到人类，具有很高的物种特异性和部分序列的高度保守性。运用不同物种的CAT的蛋白质序列，就可以构建系统发育树分析物种之间的进化关系。本文选取几种不同代表动物的蛋白质序列，采用MEGA 5.05构建了系统发育树（图4）。该进化树显示，白鲢、草鱼、斑马鱼、军曹鱼在一个分支上，与虎皮鹦鹉、荷兰猪、牛、小家鼠这一支共同组成了脊椎动物这一大的分支。节肢动物凡纳滨对虾、拟穴青蟹、三疣梭子蟹等聚在一个分支，这与传统的进化地位相一致。三角帆蚌、盘鲍、长牡蛎、栉孔扇贝等软体动物聚为一支，与同属于无脊椎动物的节肢动物亲缘关系比较近。通过进化树也可以看出CAT在进化上比较保守，其进化规律也符合传统的进化过程。因此广泛开展不同物种CAT的序列研究对研究物种的进化具有重要的指导意义。

图2　利用Mega5软件构建的不同物种CAT蛋白序列的系统进化树。序列均来自GenBank；从上往下登入号如下：白鲢（ADJ67807）；草鱼（ACL99859）；斑马鱼（AAH51626）；军曹鱼（ACO07305）；虎皮鹦鹉（AAO72713）；荷兰猪（CAB57222）；牛（DAA21837）；小家鼠（AAA37373）；凡纳滨对虾（AAR99908）；拟穴青蟹（ACX46120）；三疣梭子蟹（ACI13850）；长牡蛎（ABS18267）；盘鲍（ABF67505）；三角帆蚌（ADL14588）；栉孔扇贝（ABI64115）Fig.2 The tree of catalase constructed with Mega5 software.Sequence from GenBank；From above Accession number is as follows：Hypophthalmichthys molitrix（ADJ67807）；Ctenopharyngodon idella（ACL99859）；Danio rerio（AAH51626）；Rachycentron canadum（ACO07305）；Melopsittacus undulatus（AAO72713）；Cavia porcellus（CAB57222）；Bos taurus（DAA21837）；Mus musculus（AAA37373）；Litopenaeus vanname（AAR99908）；Scylla paramamosain（ACX46120）；Portunus trituberculatus（ACI13850）；Crassostrea gigas（ABS18267）；Haliotis discus discus（ABF67505）；Hyriopsis cumingii（ADL14588）Azumapecten farreri（ABI64115）

3　展望

众多学者研究发现，CAT在生物的免疫肿瘤等方面具有重要作用，尤其是在某些无脊椎动物。高杉等［34］用细菌脂多糖LPS刺激仿刺参4h后发现其体腔细胞中的CAT基因的mRNA表达量明显增加，表明该基因在应对外来病原菌刺激的免疫应答中起重要作用。Guo等［25］用解藻阮酸弧菌处理珍珠牡蛎，发现其肠内的CAT基因的mRNA的表达显著上调，这也说明该基因可能与牡蛎的免疫应答反应相关。而在肿瘤的研究过程中研究者发现CAT在直肠癌、食管癌、肝癌、肺癌等许多癌组织中的表达量下调，这说明CAT基因很可能是一种抑癌基因。有些研究人员将过氧化氢酶基因转入到小鼠的皮肤癌［35］、肝癌［36］以及乳腺癌［37］细胞中，结果发现这些肿瘤细胞的生长明显受到限制，并且这些转基因小鼠的肿瘤细胞内的活性氧水平、肿瘤负担以及侵润性都有所降低。这揭示过氧化氢酶对转移性肿瘤有一定的抑制作用。Glorieux等［38］对过氧化氢酶在MCF-7中过量表达的研究中发现该酶的过量表达能够损害乳腺癌细胞的增殖和转移，而且还能保护癌细胞中活性氧与一些化疗药物的结合。这进一步说明了研究过氧化氢酶的表达变化对于研究癌细胞的耐药性具有一定的指导意义。

CAT作为一种抗氧化酶在生物体内起着重要作用。不仅在微生物的致病方面，植物的抗逆性方面以及动物的免疫方面等具有重要作用，而且CAT基因还很有可能是一种抑癌基因。虽然目前对该酶的研究比较广泛，但是其基因序列分析及其表达研究较少，而且没有深入的对其免疫机制以及基因的结构与功能进行研究，不能从根本上了解这些酶在生物体内所起的作用。因此，随着生物技术的不断发展，我们应该利用先进的分子生物学，细胞生物学以及生物信息学等技术研究该酶及其基因的功能，为进一步揭示生物的抗感染免疫机制以及该酶在癌症方面所起的作用奠定基础。而且CAT几乎已经遍布所有的原核和真核的病原菌中，因此了解它们的系统发育及结构与功能将有利于设计药物来预防人类及动植物的一些疾病。

［1］Loew O.A new enzyme of general occurrence in organisms. Science，1900，11（279）:701-702.

［2］Sudhir S，Melo JS，Eapen S，et al.Phenol removal using Brasssica juncea hairy roots:Role of in herent peroxidase and H2O2.J.Biotechnol，2006，123（1）:43-49.

［3］Eason MM，Fan X.The role and regulation of catalase in respiratory tract opportunistic bacterial pathogens.Microb. Pathog.，2014，74:50-58.

［4］Chelikani P，Ramana T，Radhakrishnan TM.Catalase:a repertoire of unusual features.Indian J.Clin.Biochem.，2005，20（2）:131-135.

［5］张闻，罗勤慧.锰过氧化氢酶及其模型物研究进展.化学通报，2000，63（10）：7-14.

［6］ Alfonso-Prieto M，Borovik A，Carpena X，et al.The structures and electronic configuration of compound I intermediates of helicobacter pylori and penicillium vitale catalases determined by X-ray crystallography and QM/MM density functional theory calculations.J.Am.Ceram.Soc.，2007，129（14）:4193-4205.

［7］Alfonso-Prieto M，Biarne’s X，Vidossich P，et al.The molecular mechanism of the catalase reaction.J.Am.Ceram.Soc.，2009，131（33）:11751-11761.

［8］Cabiscol E，Tamarit J，Ros J.Oxidative stress in bacteria and protein damage by reactive oxygen species.Int Microbiol.，2000，3（1）:3-8.

［9］Kirkman HN，Gaetani GF.Mammalian catalase:a venerable enzyme with new mysteries.Trends in Biochem.Sci.，2007，32（1）:44-50.

［10］Dash B，Phillips TD.Molecular characterization of a catalase from Hydra vulgaris.Gene，2012，501（2）:144-152.

［11］Peus D，Meves A，Vasa RA，et al.H2O2 is required for UVB-induced EGF receptor and downstream signaling pathway activation.Free Radical Biol.Med.，1999，27（11/ 12）:1197-1202.

［12］Rahman I，Adcock IM.Oxidative stress and redox regulation of lung inflammation in COPD.Eur Respir J.，2006，28（1）:219-242.

［13］Rani V，Mishra S，Yadav T，et al.Hydrogen peroxide sensing and signaling［M］//Free Radicals in human health and disease.Springer India，2015，105-116.

［14］Giles SS，Stajich JE，Nichols C，et al.The cryptococcus neoformans catalase gene family and its role in antioxidant defense.Eukaryot Cell，2006，5（9）:1447-1459.

［15］Loots DT.An altered mycobacterium tuberculosis metabolome induced by katG mutations resulting in isoniazid resistance.Antimicrob.Agents Chemother.，2014，58（4）: 2144-2149.

［16］Martins D，English AM.Catalase activity is stimulated by H2O2 in rich culture medium and is required for H2O2 resistance and adaptation in yeast.Redox Biol.，2014，2: 308-313.

［17］彭丹，张霞，张富春.盐穗木过氧化氢酶基因的克隆与功能分析.西北植物学报，2013，33（10）：1933-1939.

［18］邢朝斌，刘岩，修乐山，等.刺五加过氧化氢酶基因的克隆与表达分析.经济林研究，2014，32（（2）：24-27.

［19］Purev M，Kim YJ，Kim MK，et al.Isolation of a novel catalase（Cat1）gene from Panax ginseng and analysis of the response of this gene to various stresses.Plant Physiol.Biochem.，2010，48（6）:451-460.

［20］南芝润，范月仙.植物过氧化氢酶的研究进展.安徽农学通报，2008，14（5）：27-29.

［21］Zamocky M，Furtmuller PG，Obinger C.Evolution of catalases from bacteria to humans.Antioxid Redox Signal，2008，10（9）:1527-1548.

［22］Li M，Zheng Y，Liang H，et al.Molecular cloning and characterization of cat，gpx1 and Cu/Zn-sod genes in pengze crucian carp（Carassius auratus var.Pengze）and antioxidant enzyme modulation induced by hexavalent chromium in juveniles.Comp.Biochem.Physiol.C，2013，157（3）: 310-321.

［23］Arockiaraj J，Easwvarana S，Vanaraja P，et al.Molecular cloning，characterization and gene expression of an antioxidant enzyme catalase（MrCat）from Macrobrachium rosenbergii.Fish Shellfish Immunol.，2012，32（5）:670-682.

［24］Ekanayake PM，De Zoysa M，Kang HS，et al.Cloning，characterization and tissue expression of disk abalone（Haliotis discus discus）catalase.Fish Shellfish Immunol.，2008，24（3）:267-278.

［25］Guo H，Zhang D，Cui S，et al.Molecular characterization and mRNA expression of catalase from pearl oyster Pinctada fucata.Marine Genomics，2011，4（4）:245-251.

［26］Li C，Ni D，Song L，et al.Molecular cloning and characterization of a catalase gene from Zhikong scallop Chlamys farreri.Fish Shellfish Immunol.，2008，24（1）:26-34.

［27］Yang X，Li G，Wen C，et al.A catalase from the freshwater mussel Cristaria plicata with cloning，identification and protein characterization.Fish Shellfish Immunol.，2011，31（3）:389-399.

［28］Jo PG，Choi YK，Choi CY.Cloning and mRNA expression of antioxidant enzymes in the Pacific oyster，Crassostrea gigas in response to cadmium exposure.Comp.Biochem. Physiol.C，2008，147（4）:460-469.

［29］唐斌，施佐堃，郭红双，等.异色瓢虫过氧化氢酶（Catalase）的基因克隆及序列分析.应用昆虫学报，2014，51（1）：26-34.

［30］郑清梅，韩春艳，温茹淑，等.草鱼过氧化氢酶全长cDNA的克隆、序列同源分析与组织表达.基因组学与应用生物学，2011，30（5）：529-538.

［31］林峻，林娟，叶秀云.梅花鹿过氧化氢酶基因的克隆与表达.福州大学学报，2014，42（1）：154-160.

［32］Glorieux C，Zamocky M，Sandoval，et al.Regulation of catalase expression in healthy and cancer cells.Free Radical Biol.Med.，2015，87:84-97.

［33］Trasviña-Arenas CH，Garcia-Triana A，Peregrino-Uriarte AB，et al.White shrimp Litopenaeus vannamei catalase: gene structure，expression and activity under hypoxia and reoxygenation.Com.Biochem.Physiol.，B，2013，164（1）:44-52.

［34］高杉，周遵春，董颖，等.仿刺参过氧化氢酶基因全长cDNA的克隆及表达分析.中国农业科技导报，2014，16（2）：127-134.

［35］Kampkötter A，Wiegand C，Timpel C，et al.Increased expression of catalase in human hepatoma cells by the soy isoflavone，daidzein.Basic Clin Pharmacol Toxicol，2007，102:437-442.

［36］Ando T，Mimura K，Johansson CC，et al.Transduction with the antioxidant enzyme catalase protects human T cells against oxidative stressJ.Immunol.，2008，181（12）:8382-8390.

［37］Goh J，Enns L，Fatemie S，et al.Mitochondrial targeted catalase suppresses invasive breast cancer in mice.BMC Cancer，2011，11:191.

［38］Glorieux C，Dejeans N，Sid B，et al.Catalase overexpression in mammary cancer cells leads to a less aggressive phenotype and an altered response to chemotherapy.Biochem. Pharmacol.，2011，82（10）:1384-1390.

Progresses in the research of catalase

Yu Deling，Wang Changliu*
（School of Life Sciences，Ludong University，Yantai 264025，China）

Catalase is a kind of terminaloxidase that widely exists in animals，plants and microorganisms，which is an important member in the antioxidant enzyme system.This review summarized the information available on types of catalase，structure characteristics and physiological function in plants，animals and microbes，analyzed the current research status of its gene sequence，and anticipated the prospect of catalase research.

catalase；structure；function；sequence analysis；gene expression

Q554+.6

A

10.16705/j.cnki.1004-1850.

2016-01-07 〔修回日期〕2016-03-18

山东省自然科学基金资助（ZR2010CM030）

于德玲，女（1990年），汉族，硕士研究生

（To whom correspondence should be addressed）：changliuwang@sina.com