摘要
过氧化氢酶作为一种抗氧化剂广泛存在于各类生物体中，也被应用于纺织废水、食品、工业酶催化等多个领域。在工业应用中，为了提高过氧化氢酶的催化效率、稳定性、操作稳定性，通常会对其进行固定化。该研究论述了过氧化氢酶的结构、特点、纯化方式、固定化和应用方面的研究进展。
关键词 过氧化氢酶;固定化;应用
中图分类号 S182 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）34-12035-04
The Progress of Catalase and Its Immobilization with Application
XU Juan， CHANG Yanhong*， LUO Hui
（University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083）
Abstract As one kind of antioxidant， catalase can be found in almost all organisms and has been used in various fields， such as textile wastewater， food and enzyme catalysis industries. In order to increase the catalytic efficiency， stability， usability in reactors for industrial application， the catalase often was immobilized. The structure， sources， purification methods， immobilization and application of catalase were discussed.
Key words Catalase; Immobilization; Application
过氧化氢酶（CAT， 1.11.1.6）广泛存在于古生菌、细菌、真菌、植物和动物体中。它作为一种抗氧化酶起着非常重要的作用，可以高效地将H2O2催化成水和氧气这2种无害的物质，具有清除生物体内自由基、保护细胞免受损害等作用。同时，过氧化氢酶还能对血红蛋白及其他含巯基蛋白质起到保护作用，使它们不被氧化[1]。由于该酶具有高效催化性能，它也被广泛应用于酶催化体系、生物传感器、纺织和食品领域。
1 过氧化氢酶的来源
过氧化氢酶的研究可以追溯到100多年前。最初Thenard发现了动植物组织可以分解过氧化氢，产生氧气。1892年Jacobson证明了过氧化氢酶的存在。后来经过人们的不断努力，不仅考察其化学活性，而且对其活性中心、活性基团进行深入的研究，并从牛肝中分离得到过氧化氢酶的结晶[2]。1948年Herbert和Pinsent[3]第一次从藤黄微球菌中获得原核过氧化氢酶。随着研究的深入，人们获取了真核生物所产过氧化氢酶，到后来也可以从酵母中获取过氧化氢酶[4-6]。目前，研究者们已筛选出越来越多产过氧化氢酶菌株。1951年，Brizuela等[7]首次报道了用杆菌Bacillus发酵生产过氧化氢酶。随后，Petruccioli等[8]在1994年通过研究发现变幻青霉生产过氧化氢酶的强度达0.1 U/（ml·h）。2004年筛选出的溶壁微球菌所产过氧化氢酶酶活可达到1 100 U/ml[9]。到2008年，Nakayama等[10]从枯草杆菌中获得的过氧化氢酶产量达18 000 U/ml，生产强度已高达1 000 U/（ml·h）。
随着菌种筛选工作的不断展开，人们对于产酶水平的要求也不断提高，但是通过筛选和培养难以获得大量且低成本的过氧化氢酶，因此采用基因工程菌来获取高产量且能满足不同应用条件的过氧化氢酶成为研究热点。
Furuta等[11]在1990年首次报道了以大肠杆菌为宿主构建产过氧化氢酶的基因工程菌，基因来源是小鼠肝脏细胞，但获得的产量不高，仅为总可溶蛋白的0.1%。为了获取产酶量高的过氧化氢酶重组菌，人们开始尝试不同来源的过氧化氢酶基因和不同表达宿主。1997年Nagy等[12]将结核分枝杆菌中的过氧化氢酶基因克隆并导入大肠杆菌，所得过氧化氢酶蛋白量为总蛋白量的30%。2008年又有研究者将嗜冷杆菌中的过氧化氢酶基因克隆导入到大肠杆菌中，重组菌酶活可到达11 000 U/ml，产率为458 U/（ml·h）[13]。张兴群等[14]发现，来源于微球菌的过氧化氢酶（CAT）比活高，因此将含微球菌过氧化氢酶基因的重组表达质粒pProExHTCAT导入大肠杆菌BL21（DE3）中，构建工程菌BL21（DE3）/pProExHTCAT，并且优化其培养条件，在相同实验条件下以野生菌酶为对照，重组酶活性提高了66%。
2 过氧化氢酶的结构
现今已有超过300种过氧化氢酶的序列被发现和报道。根据酶学性质的不同，可将过氧化氢酶分为单功能过氧化氢酶、双功能过氧化氢酶、非血红素过氧化氢酶和微量过氧化氢酶。其中，单功能过氧化氢酶种类最多，分布最广，活性最高，几乎分布在所有动植物和微生物体内。它由4个具有相同多肽链的亚基组成，且每个亚基含有一个血红素辅基作为活性位点，相对分子量为200～340 kDa。负责酶催化活性的血红素基团则位于β位点和几个螺旋内壁之间[15-17]。
双功能过氧化氢酶主要存在于好氧菌中，其分子量范围为120～340 kDa[18]。虽然在动物和植物中未发现该类酶，但其与动植物体内的过氧化物酶极其相似，而它的过氧化物活性也表现出血红素酶的特点[19]。
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