氧酶

氧化反应酶

氧酶，催化分于氧的氧原子与底物结合的氧化反应酶的总称，属于氧化还原酶类。

物质简介

梅森等（H．S．Mason et al，1955）用18O2示踪，根据18O结合于其氧化生成物而发现的，可分成氧分子的双原子氧与底物结合的加二氧酶（dioxygenase）和仅结合一原子氧，且必需有对另一原子氧的氢供体（NADPH等）的加单氧酶（monooxygenase）。后者亦称混合功能加氧酶（mixed－function oxygenase）或羟化酶。前者常伴随有芳香环的开裂，例如儿茶酚-1，2-加二氧酶（catechol 1，2-dioxygenase，别名邻苯二酚酶pyrocatechase，EC 1．13．11．1）。

血红素加氧酶

人类在进化过程中一种适应性变化就是能够抵御外界氧化损伤而保持自身稳定。超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和一些非酶类物质维生素E、维生素C在抵御外界氧化损伤中都起了重要作用，还有鲜为人知的血红素加氧酶（HO）在应激条件下保持细胞的稳定性也至关重要。HO基因缺失的个体不能正常生长并且对氧化损伤的敏感性增加，直至最后死亡。HO是血红素氧化的限速酶，在体内有3种同工酶，HO1、 HO2和HO3，分别由不同的基因编码，其氨基酸序列的同源性HO1与HO2之间是40%，HO2与HO3是90%。他们在分子结构、表达调节和组织分布中有很大差异。HO1为诱导型而HO2为构成型。HO的第3种亚型HO3最近才被发现，与HO2结构相似,但对血红素的分解功能较弱。HO1在组织氧化损伤的病理条件下起着保护细胞作用，而HO2则起着生理性调节作用。研究主要集中在对HO1的基因表达、调控以及与疾病的关系等方面。

1 HO1的一般生物学特性与功能

HO1也称之为热休克蛋白32（HSP32），是研究最多的一种同工酶。相对分子质量为32000，染色体定位22q12，在细胞中定位于微粒体，诱导性表达于肝、脾、心、肺、血管平滑肌、脑等组织，诱导因素为应激、缺氧、内毒素、过氧化氢、重金属、紫外线、细胞因子、生长因子等。作为血红素降解的限速酶，HO1降解由衰老或破损的红细胞释放出血红素，首先生成胆绿素、一氧化碳(CO)和Fe2+ ，然后胆绿素在胆绿素还原酶作用下转换成胆红素，Fe2+诱导并参与了体内铁蛋白的合成。在血红素降解过程中需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）供氢并消耗O2 。以往认为血红素代谢产物不仅对机体无益，过量时还可对机体造成损害。如游离胆红素如果不能和葡萄糖醛酸充分结合并排出体外，就容易透过血脑屏障对神经系统造成损伤；Fe2+ 可产生活性羟基引起严重的氧化应激，导致细胞膜损坏和组织的损伤；而CO和血红蛋白结合后可造成组织缺氧。随着研究深入，人们对HO1及其催化产物在机体中的作用有了更深入的了解。首先HO1分解血红素，避免了血红素对细胞的损伤，催化过程中消耗了O2，减少了氧自由基生成。其次HO1的催化产物铁蛋白、CO、胆红素在氧化应激中起着保护组织细胞的作用，其中铁蛋白可降低细胞内Fe2+的浓度，同时HO1还可以上调内质网上的Fe2+通道，促进细胞内Fe2+泵出，防止由Fe2+介导的氧化应激损伤；胆红素作为HO1的代谢产物，能有效地清除氧自由基，防止细胞脂质层过氧化，而且游离胆红素比结合胆红素更能有效地抑制低密度脂蛋白分解；CO可以促使血管舒张，其机制为CO和NO一样可以活化鸟甘酸环化酶，使三磷酸鸟嘌呤核苷（GTP）转化成环磷酸鸟甙（cGMP），使血管舒张；CO还可以通过刺激平滑肌细胞膜上的K+通道促使血管舒张，以及抑制缩血管内皮素(ET1)的释放所引起的血管收缩。另外，CO还通过鸟甘酸环化酶活化P38有始分裂原活化MAPK信号转导途径，既可抑制炎症因子的基因表达，又可促进抗炎因子的产生来抑制炎症反应。除此以外，CO还有防止血管平滑肌细胞过度增生、抗血小板聚集、抗凋亡等作用。

2 HO1的诱导与表达

调控HO1可以被许多不同种类的因素所诱导，这些因素的共同特点是都能引起氧化应激，并通过有丝分裂原活化MAPK、蛋白激酶C、cAMP依赖性蛋白激酶A、cGMP依赖性蛋白激酶G等不同的信号途径来诱导HO1基因表达。研究表明，HO1基因表达调控主要在转录水平上， HO1启动子区域包含不同的顺式反应元件,包括激活蛋白1(AP1)结合位点、金属反应元件、抗氧化反应元件、热休克和血红素反应元件等，转录因子如氧化应激反应转录因子NFκB和AP1等与这些特殊元件结合可导致HO1基因激活。但HO1基因调控在不同细胞种类和物种之间有很大差异，如在大鼠HO1的启动子上有热休克反应元件，热休克可促使热休克核因子聚集到相应的基因片段使HO1基因稳定。但在人类，两者结合则会引起HO1基因的表达。研究最多的转录因子是激活蛋白因子1（AP1）家族，其中NFE2相关因子2（Nrf2）最为重要。Nrf2可以和HO1基因抗氧化反应片段结合，调节相关基因，在氧化应激细胞反应中起重要作用。动物试验证实在小鼠HO1基因的增强区有一10bp序列，被称为应激反应元件（StRE），对于缺氧以外各种因子引起的应激反应非常重要，StRE中包含了AP1家族结合位点，两者结合可诱导HO1基因表达，而StRE突变会使HO1基因在应激状况下不能被活化，显示了AP1蛋白在HO1基因表达调控中的作用。其他转录因子如低氧诱导因子1（HIF1），在与HO1基因相应片段结合后可诱导缺氧状况下的HO1基因表达。HIF1在含氧量正常情况下也可被一些受体介导因子如生长因子、细胞因子所诱导，但效应远低于低氧因素，低氧可以通过MAPK或磷脂酰肌醇3激酶信号通道介导HIF1蛋白合成。

3 HO1与心血管系统

3．1 HO1与冠状动脉疾病（CAD）早在1994年Schwertner等第一次发现了血浆中胆红素的浓度与CAD的发病率成显著负相关，这个重要发现提示血浆中的胆红素浓度低于正常可能会导致缺血性心脏疾病的发生。随后，Hopkins等也注意到有家族性CAD的病人血浆中的胆红素浓度明显低于无家族史的病人。Hunt等进一步证实遗传性胆红素浓度降低病人早期易患CAD。另外人们发现胆红素血浆浓度与许多CAD的危险因素如吸烟、低密度脂蛋白、糖尿病、肥胖呈负相关，与CAD保护性因素高密度脂蛋白呈正相关。但即使消除了CAD的危险因素，胆红素血浆浓度降低仍易导致CAD,表明了血浆中的胆红素浓度直接与CAD相关。CAD与氧自由基生成、脂质过氧化、动脉粥样硬化以及炎症有关。血管动脉粥样硬化主要是因为低密度脂蛋白氧化并被内皮巨噬细胞吞噬后形成了富含脂质的泡沫状细胞。而胆红素能防止脂蛋白特别是低密度脂蛋白氧化，从而阻止动脉粥样硬化斑块形成。同时胆红素能清除氧自由基和与炎症有关的过氧化氢，保护心肌细胞膜免受氧化损伤。HO1还可通过其他途径来影响CAD的发生。如HO1分解血红蛋白（Heme），减少了Heme对心肌细胞的氧化损伤；产生的CO可通过活化鸟甘酸环化酶增加平滑肌细胞内的cGMP，使冠脉平滑肌舒张，还可抑制血小板聚集和血管平滑肌增生；HO1促使铁蛋白合成增加也消除了由细胞内铁引起的细胞损伤和慢性炎症。总之，HO1及其代谢产物可通过不同的途径降低CAD发病的危险性。

3．2 心脏缺血再灌注损伤随着心脏移植、体外循环、冠脉搭桥、冠脉介入治疗应用于临床，缺血再灌注损伤已引起医学界的高度重视。动物实验显示，氧自由基、钙超载、心肌纤维能量代谢障碍、血管内皮细胞、一氧化氮、中性粒细胞、细胞黏附分子和细胞凋亡等均可能参与再灌注损伤的发病过程。而HO1作为抗氧化应激的蛋白酶，它在心肌缺血及随后的再灌注损伤中的作用也越来越受到人们关注。Clark等发现在心肌缺血前24h用氯高铁血红素(HO1诱导剂)预处理，再灌注后心肌功能较对照组有显著改善，而且在HO1高表达的区域，线粒体完整性保存较好，心肌梗死面积明显缩小。氯高铁血红素预处理是否影响其他热休克蛋白（HSP）的水平或触发其他的心肌保护机制还缺乏试验证实，但用HO1抑制剂后即使再用氯高铁血红素预处理，心肌缺血再灌注损伤依然没有加重，表明HO1与心肌缺血再灌注损伤程度有直接联系。同样，Vulapalli等研究HO1在缺血再灌注心肌保护中的作用时发现，在心肌细胞中选择性表达HO1的转基因小鼠能有效防止缺血再灌注诱导的心肌细胞凋亡，而且HO1高表达并没有影响到其他细胞保护性基因如HO2、HSp90的表达，这进一步证实了HO1在缺血再灌注中直接的心肌细胞保护作用。除了HO1在催化中消耗O2，减少了氧自由基形成以及HO1的催化产物胆红素的抗细胞氧化作用外，对于HO1催化产物CO在缺血再灌注损伤中的保护作用，Yet等发现CO可以阻止炎性细胞浸润，减少炎性渗出。作用机制可能是CO抑制细胞间黏附因子1(VCAM1)、血管细胞黏附因子1（ICAM1）基因的表达，阻碍了中性粒细胞在血管壁上的黏附、渗出和浸润，减少了炎性反应对心肌细胞的损害。CO舒张血管作用提高了再灌注心肌的血流，也可以减轻再灌注心肌的损伤。心肌缺血再灌注引起的氧化和炎症反应必然会导致心肌细胞的坏死和凋亡而造成心肌功能损害。Soares等证实HO1过度表达可以抑制由肿瘤坏死因子（TNFα）引起的内皮细胞凋亡。Vulapalli等的试验结果也证实了HO1的抗调亡作用，但抗调亡机制尚不清楚，推测除了HO1的催化产物胆红素和CO的抗氧化、抗炎作用抑制了引起细胞凋亡的因素外，HO1还促进抗凋亡基因Bcl2、抑制促凋亡基因caspase3的表达，提示HO1与凋亡相关基因之间的传导途径可为减轻缺血再灌注所造成的心肌损伤提供更有效的方法。

3．3 心肌重构以往人们认为心肌重构是由血压或容量负荷增加引起心室壁应力的适应性变化，包括心肌细胞体积增大，心肌胶原蛋白合成增加。尽管开始是一种心脏功能代偿机制，但病理性心脏肥大逐渐发展最终会导致充血性心力衰竭。在心脏重构过程中，心肌不断对细胞外刺激如机械应激、缺血、氧自由基、生长因子、血管活性肽、激素等作出反应，心肌细胞体积不断增大，胶原蛋白合成增加最终导致心力衰竭。有研究人员发现，HO1过表达能减轻Wister大鼠由血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）引起的心肌肥厚，但不能缓解由AngⅡ引起的高血压。这个发现提示AngⅡ引起的心肌重构可能并非直接继发于AngⅡ引起的高血压，HO1可能直接作用于心肌组织而非通过血压调控机制来减轻心肌重构。Hu等认为由AngⅡ诱导产生的活性氧簇作为刺激心肌生长的信号分子而非由AngⅡ引起的血压增高，在心肌重构中起了主要作用。而HO1的催化产物胆红素清除活性氧和抗氧化作用，可以抑制活性氧簇引起的心肌重构。这种假设和早期研究抗氧化可以抑制心肌重构的试验结果相吻合。总之，活性氧被认为是一种生长刺激因素的信使，明确活性氧在心肌重构时的传导途径，用HO1作为基因治疗手段，可以为临床治疗心脏损伤后的心肌重构提供一种新的方法。

4 小结与展望

HO1性质、功能与调控已日益引起人们的关注。大量研究表明HO1对氧化损伤所引起多种疾病具有保护作用。HO1催化血红素降解的3个产物CO、胆红素和铁蛋白是发挥细胞保护作用的关键分子。虽然每个产物独自作用时都有保护作用，但是细胞保护作用主要是三者协同作用的结果。当应激发生时，适量HO1的诱导产生，能维护细胞自身稳定，实现对细胞的保护。加拿大研究人员利用经改造过的病毒为载体，把额外的HO1基因副本释放到实验鼠的心脏组织，使其在缺血、缺氧情况下能迅速地制造出大量的HO1蛋白，以减轻心脏病发作对心肌的损伤。对HO1的研究已有很大进展，但HO1的分子结构、催化反应机制、调控系统尚未得到很好了解，有待进一步探索；3种降解产物之间的相互作用关系还知之甚少。进一步探索HO1以及血红素催化产物的细胞保护机制、HO1生成量调控已成为下一步研究的重点。相信在不久的将来，HO1将会成为一种有效的治疗药物应用于临床。

乳酸氧化酶

乳酸氧化酶能够氧化乳酸生成丙酮酸，由于反应过程中不需要外源辅酶作为电子受体，而具有较好的应用前景。乳酸氧化酶和许多黄素蛋白酶相比较，具有明显的共性，因此可视为黄素蛋白家族中的一员。乳酸单加氧酶的催化机理和乳酸氧化酶相似，但产物不同，这主要是由于中间产物复合体稳定性的差别。乳酸单加氧酶催化形成的中间复合体EFMNH2pyruvate很稳定，在氧的作用下，生成EFMNpyruvateH2O2

间体，继续反应形成乙酸，CO2和H2O；乳酸氧化酶生成的EFMNH2pyruvate复合体不稳定，丙酮酸很快从复合体上分离下来，还原型中间体EFMNH2被氧氧化，同时形成过氧化氢。

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