氧酶

催化分於氧的氧原子與底物結合的氧化反應酶的總稱，屬於氧化還原酶類。

基本介紹

• 中文名：氧酶
• 含義：氧化反應酶
• 具體：催化分於氧的氧原子與底物結合
• 屬於：氧化還原酶類

催化分於氧的氧原子與底物結合的氧化反應酶的總稱，屬於氧化還原酶類。梅森等（H．S．Mason et al，1955）用18O2示蹤，根據18O結合於其氧化生成物而發現的，可分成氧分子的雙原子氧與底物結合的加二氧酶（dioxygenase）和僅結合一原子氧，且必需有對另一原子氧的氫供體（NADPH等）的加單氧酶（monooxygenase）。後者亦稱混合功能加氧酶（mixed－function oxygenase）或羥化酶。前者常伴隨有芳香環的開裂，例如兒茶酚-1，2-加二氧酶（catechol 1，2-dioxygenase，別名鄰苯二酚酶pyrocatechase，EC 1．13．11．1）。

血紅素加氧酶

人類在進化過程中一種適應性變化就是能夠抵禦外界氧化損傷而保持自身穩定。超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶和一些非酶類物質維生素E、維生素C在抵禦外界氧化損傷中都起了重要作用，還有鮮為人知的血紅素加氧酶（HO）在應激條件下保持細胞的穩定性也至關重要。HO基因缺失的個體不能正常生長並且對氧化損傷的敏感性增加，直至最後死亡。HO是血紅素氧化的限速酶，在體內有3種同工酶，HO1、 HO2和HO3，分別由不同的基因編碼，其胺基酸序列的同源性HO1與HO2之間是40%，HO2與HO3是90%。他們在分子結構、表達調節和組織分布中有很大差異。HO1為誘導型而HO2為構成型。HO的第3種亞型HO3最近才被發現，與HO2結構相似,但對血紅素的分解功能較弱。HO1在組織氧化損傷的病理條件下起著保護細胞作用，而HO2則起著生理性調節作用。目前研究主要集中在對HO1的基因表達、調控以及與疾病的關係等方面。

1 HO1的一般生物學特性與功能

HO1也稱之為熱休克蛋白32（HSP32），是目前研究最多的一種同工酶。相對分子質量為32000，染色體定位22q12，在細胞中定位於微粒體，誘導性表達於肝、脾、心、肺、血管平滑肌、腦等組織，誘導因素為應激、缺氧、內毒素、過氧化氫、重金屬、紫外線、細胞因子、生長因子等。作為血紅素降解的限速酶，HO1降解由衰老或破損的紅細胞釋放出血紅素，首先生成膽綠素、一氧化碳(CO)和Fe2+ ，然後膽綠素在膽綠素還原酶作用下轉換成膽紅素，Fe2+誘導並參與了體內鐵蛋白的合成。在血紅素降解過程中需要煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）供氫並消耗O2 。以往認為血紅素代謝產物不僅對機體無益，過量時還可對機體造成損害。如游離膽紅素如果不能和葡萄糖醛酸充分結合併排出體外，就容易透過血腦屏障對神經系統造成損傷；Fe2+ 可產生活性羥基引起嚴重的氧化應激，導致細胞膜損壞和組織的損傷；而CO和血紅蛋白結合後可造成組織缺氧。隨著研究深入，人們對HO1及其催化產物在機體中的作用有了更深入的了解。首先HO1分解血紅素，避免了血紅素對細胞的損傷，催化過程中消耗了O2，減少了氧自由基生成。其次HO1的催化產物鐵蛋白、CO、膽紅素在氧化應激中起著保護組織細胞的作用，其中鐵蛋白可降低細胞內Fe2+的濃度，同時HO1還可以上調內質網上的Fe2+通道，促進細胞內Fe2+泵出，防止由Fe2+介導的氧化應激損傷；膽紅素作為HO1的代謝產物，能有效地清除氧自由基，防止細胞脂質層過氧化，而且游離膽紅素比結合膽紅素更能有效地抑制低密度脂蛋白分解；CO可以促使血管舒張，其機制為CO和NO一樣可以活化鳥甘酸環化酶，使三磷酸鳥嘌呤核苷（GTP）轉化成環磷酸鳥甙（cGMP），使血管舒張；CO還可以通過刺激平滑肌細胞膜上的K+通道促使血管舒張，以及抑制縮血管內皮素(ET1)的釋放所引起的血管收縮。另外，CO還通過鳥甘酸環化酶活化P38有始分裂原活化MAPK信號轉導途徑，既可抑制炎症因子的基因表達，又可促進抗炎因子的產生來抑制炎症反應。除此以外，CO還有防止血管平滑肌細胞過度增生、抗血小板聚集、抗凋亡等作用。

2 HO1的誘導與表達

調控HO1可以被許多不同種類的因素所誘導，這些因素的共同特點是都能引起氧化應激，並通過有絲分裂原活化MAPK、蛋白激酶C、cAMP依賴性蛋白激酶A、cGMP依賴性蛋白激酶G等不同的信號途徑來誘導HO1基因表達。 研究表明，HO1基因表達調控主要在轉錄水平上， HO1啟動子區域包含不同的順式反應元件,包括激活蛋白1(AP1)結合位點、金屬反應元件、抗氧化反應元件、熱休克和血紅素反應元件等，轉錄因子如氧化應激反應轉錄因子NFκB和AP1等與這些特殊元件結合可導致HO1基因激活。但HO1基因調控在不同細胞種類和物種之間有很大差異，如在大鼠HO1的啟動子上有熱休克反應元件，熱休克可促使熱休克核因子聚集到相應的基因片段使HO1基因穩定。但在人類，兩者結合則會引起HO1基因的表達。目前研究最多的轉錄因子是激活蛋白因子1（AP1）家族，其中NFE2相關因子2（Nrf2）最為重要。Nrf2可以和HO1基因抗氧化反應片段結合，調節相關基因，在氧化應激細胞反應中起重要作用。動物試驗證實在小鼠HO1基因的增強區有一10bp序列，被稱為應激反應元件（StRE），對於缺氧以外各種因子引起的應激反應非常重要，StRE中包含了AP1家族結合位點，兩者結合可誘導HO1基因表達，而StRE突變會使HO1基因在應激狀況下不能被活化，顯示了AP1蛋白在HO1基因表達調控中的作用。 其他轉錄因子如低氧誘導因子1（HIF1），在與HO1基因相應片段結合後可誘導缺氧狀況下的HO1基因表達。HIF1在含氧量正常情況下也可被一些受體介導因子如生長因子、細胞因子所誘導，但效應遠低於低氧因素，低氧可以通過MAPK或磷脂醯肌醇3激酶信號通道介導HIF1蛋白合成。

3 HO1與心血管系統

3．1 HO1與冠狀動脈疾病（CAD）早在1994年Schwertner等第一次發現了血漿中膽紅素的濃度與CAD的發病率成顯著負相關，這個重要發現提示血漿中的膽紅素濃度低於正常可能會導致缺血性心臟疾病的發生。隨後，Hopkins等也注意到有家族性CAD的病人血漿中的膽紅素濃度明顯低於無家族史的病人。Hunt等進一步證實遺傳性膽紅素濃度降低病人早期易患CAD。另外人們發現膽紅素血漿濃度與許多CAD的危險因素如吸菸、低密度脂蛋白、糖尿病、肥胖呈負相關，與CAD保護性因素高密度脂蛋白呈正相關。但即使消除了CAD的危險因素，膽紅素血漿濃度降低仍易導致CAD,表明了血漿中的膽紅素濃度直接與CAD相關。CAD與氧自由基生成、脂質過氧化、動脈粥樣硬化以及炎症有關。血管動脈粥樣硬化主要是因為低密度脂蛋白氧化並被內皮巨噬細胞吞噬後形成了富含脂質的泡沫狀細胞。而膽紅素能防止脂蛋白特別是低密度脂蛋白氧化，從而阻止動脈粥樣硬化斑塊形成。同時膽紅素能清除氧自由基和與炎症有關的過氧化氫，保護心肌細胞膜免受氧化損傷。HO1還可通過其他途徑來影響CAD的發生。如HO1分解血紅蛋白（Heme），減少了Heme對心肌細胞的氧化損傷；產生的CO可通過活化鳥甘酸環化酶增加平滑肌細胞內的cGMP，使冠脈平滑肌舒張，還可抑制血小板聚集和血管平滑肌增生；HO1促使鐵蛋白合成增加也消除了由細胞內鐵引起的細胞損傷和慢性炎症。總之，HO1及其代謝產物可通過不同的途徑降低CAD發病的危險性。

3．2 心臟缺血再灌注損傷隨著心臟移植、體外循環、冠脈搭橋、冠脈介入治療套用於臨床，缺血再灌注損傷已引起醫學界的高度重視。動物實驗顯示，氧自由基、鈣超載、心肌纖維能量代謝障礙、血管內皮細胞、一氧化氮、中性粒細胞、細胞黏附分子和細胞凋亡等均可能參與再灌注損傷的發病過程。而HO1作為抗氧化應激的蛋白酶，它在心肌缺血及隨後的再灌注損傷中的作用也越來越受到人們關注。Clark等發現在心肌缺血前24h用氯高鐵血紅素(HO1誘導劑)預處理，再灌注後心肌功能較對照組有顯著改善，而且在HO1高表達的區域，線粒體完整性保存較好，心肌梗死面積明顯縮小。氯高鐵血紅素預處理是否影響其他熱休克蛋白（HSP）的水平或觸發其他的心肌保護機制還缺乏試驗證實，但用HO1抑制劑後即使再用氯高鐵血紅素預處理，心肌缺血再灌注損傷依然沒有加重，表明HO1與心肌缺血再灌注損傷程度有直接聯繫。同樣，Vulapalli等研究HO1在缺血再灌注心肌保護中的作用時發現，在心肌細胞中選擇性表達HO1的轉基因小鼠能有效防止缺血再灌注誘導的心肌細胞凋亡，而且HO1高表達並沒有影響到其他細胞保護性基因如HO2、HSp90的表達，這進一步證實了HO1在缺血再灌注中直接的心肌細胞保護作用。 除了HO1在催化中消耗O2，減少了氧自由基形成以及HO1的催化產物膽紅素的抗細胞氧化作用外，對於HO1催化產物CO在缺血再灌注損傷中的保護作用，Yet等發現CO可以阻止炎性細胞浸潤，減少炎性滲出。作用機制可能是CO抑制細胞間黏附因子1(VCAM1)、血管細胞黏附因子1（ICAM1）基因的表達，阻礙了中性粒細胞在血管壁上的黏附、滲出和浸潤，減少了炎性反應對心肌細胞的損害。CO舒張血管作用提高了再灌注心肌的血流，也可以減輕再灌注心肌的損傷。心肌缺血再灌注引起的氧化和炎症反應必然會導致心肌細胞的壞死和凋亡而造成心肌功能損害。Soares等證實HO1過度表達可以抑制由腫瘤壞死因子（TNFα）引起的內皮細胞凋亡。Vulapalli等的試驗結果也證實了HO1的抗調亡作用，但抗調亡機制尚不清楚，推測除了HO1的催化產物膽紅素和CO的抗氧化、抗炎作用抑制了引起細胞凋亡的因素外，HO1還促進抗凋亡基因Bcl2、抑制促凋亡基因caspase3的表達，提示HO1與凋亡相關基因之間的傳導途徑可為減輕缺血再灌注所造成的心肌損傷提供更有效的方法。

3．3 心肌重構以往人們認為心肌重構是由血壓或容量負荷增加引起心室壁應力的適應性變化，包括心肌細胞體積增大，心肌膠原蛋白合成增加。儘管開始是一種心臟功能代償機制，但病理性心臟肥大逐漸發展最終會導致充血性心力衰竭。在心臟重構過程中，心肌不斷對細胞外刺激如機械應激、缺血、氧自由基、生長因子、血管活性肽、激素等作出反應，心肌細胞體積不斷增大，膠原蛋白合成增加最終導致心力衰竭。有研究人員發現，HO1過表達能減輕Wister大鼠由血管緊張素Ⅱ（AngⅡ）引起的心肌肥厚，但不能緩解由AngⅡ引起的高血壓。這個發現提示AngⅡ引起的心肌重構可能並非直接繼發於AngⅡ引起的高血壓，HO1可能直接作用於心肌組織而非通過血壓調控機制來減輕心肌重構。Hu等認為由AngⅡ誘導產生的活性氧簇作為刺激心肌生長的信號分子而非由AngⅡ引起的血壓增高，在心肌重構中起了主要作用。而HO1的催化產物膽紅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構。這種假設和早期研究抗氧化可以抑制心肌重構的試驗結果相吻合。總之，活性氧被認為是一種生長刺激因素的信使，明確活性氧在心肌重構時的傳導途徑，用HO1作為基因治療手段，可以為臨床治療心臟損傷後的心肌重構提供一種新的方法。

4 小結與展望

HO1性質、功能與調控已日益引起人們的關注。大量研究表明HO1對氧化損傷所引起多種疾病具有保護作用。HO1催化血紅素降解的3個產物CO、膽紅素和鐵蛋白是發揮細胞保護作用的關鍵分子。雖然每個產物獨自作用時都有保護作用，但是細胞保護作用主要是三者協同作用的結果。當應激發生時，適量HO1的誘導產生，能維護細胞自身穩定，實現對細胞的保護。目前加拿大研究人員利用經改造過的病毒為載體，把額外的HO1基因副本釋放到實驗鼠的心臟組織，使其在缺血、缺氧情況下能迅速地製造出大量的HO1蛋白，以減輕心臟病發作對心肌的損傷。目前對HO1的研究已有很大進展，但HO1的分子結構、催化反應機制、調控系統尚未得到很好了解，有待進一步探索；3種降解產物之間的相互作用關係還知之甚少。進一步探索HO1以及血紅素催化產物的細胞保護機制、HO1生成量調控已成為下一步研究的重點。相信在不久的將來，HO1將會成為一種有效的治療藥物套用於臨床。

乳酸氧化酶

乳酸氧化酶能夠氧化乳酸生成丙酮酸，由於反應過程中不需要外源輔酶作為電子受體，而具有較好的套用前景。乳酸氧化酶和許多黃素蛋白酶相比較，具有明顯的共性，因此可視為黃素蛋白家族中的一員。乳酸單加氧酶的催化機理和乳酸氧化酶相似，但產物不同，這主要是由於中間產物複合體穩定性的差別。乳酸單加氧酶催化形成的中間複合體EFMNH2pyruvate很穩定，在氧的作用下，生成EFMNpyruvateH2O2
間體，繼續反應形成乙酸，CO2和H2O；乳酸氧化酶生成的EFMNH2pyruvate複合體不穩定，丙酮酸很快從複合體上分離下來，還原型中間體EFMNH2被氧氧化，同時形成過氧化氫。