張麗華，蔣俊峰

(山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西大同037009)

辣根過氧化物酶酶學(xué)特性及應(yīng)用進(jìn)展

張麗華，蔣俊峰

(山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西大同037009)

辣根過氧化物酶（HRP）是一種以亞鐵血紅素為氧化還原中心的過氧化物酶，從植物辣根的根部提取，目前被廣泛地應(yīng)用在污水處理、食品工業(yè)、有機(jī)合成和分析檢測等領(lǐng)域。本文綜述了辣根過氧化物酶的結(jié)構(gòu)、固定化及辣根過氧化物酶在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并對其工業(yè)應(yīng)用前景及未來研究方向進(jìn)行了探討。

辣根過氧化物酶；固定化；辣根

辣根（十字花科）是一種耐寒的常年生草本植物，主要分布在世界溫帶地區(qū)，它的根具有很好的烹飪價(jià)值。辣根的根部也是過氧化物酶的豐富來源，至少含有30多種HRP同功酶形式，其中HRP同功酶C（HRP-C）含量最豐富，因此統(tǒng)稱為辣根過氧化物酶（horseradish peroxidase，HRP）。辣根過氧化物酶也是一種利用過氧化氫可以氧化大多數(shù)有機(jī)物和無機(jī)物的血紅素酶。由于其比活性高、耐熱性高、酸堿穩(wěn)定性好，對污染物濃度和鹽度都有較高的耐受性，與抗原或抗體偶聯(lián)后，活性損失很少，因此被廣泛用于污水處理、食品工業(yè)、有機(jī)合成和分析檢測等領(lǐng)域。本文介紹了HRP的結(jié)構(gòu)、固定化及其在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

圖1 HRP C的結(jié)構(gòu)

1 辣根過氧化物酶的結(jié)構(gòu)

1976年，Welinder等[1]人首次確定了HRP-C是一組單亞基糖蛋白，包含308個(gè)氨基酸殘基和8個(gè)糖鏈，每分子HRP-C中有2分子Ca2+、1分子血紅素輔基和4對二硫鍵，相對分子質(zhì)量約為44 000。根據(jù)其等電點(diǎn)至少可將HRP分為5類[2-3]：酸性(HRPA)含糖量較高，pI值約為4；中性或微堿性(HRPB,-C)含糖量低，pI值在5.75～9.63范圍內(nèi)；強(qiáng)堿性(HRP-D,-E)含糖量較低，pI值在10.6～＞12范圍內(nèi)。1990年Smith等[4]最早成功研制出重組酶，而且對HRP-C的結(jié)構(gòu)和功能研究有了重大的進(jìn)展。1997年，Gajhede等[5]人通過X射線晶體學(xué)解出了HRP的三維結(jié)構(gòu)，2002年貝里隆德等[6]人描述出酶催化循環(huán)的高分辨率中間體。HRP-C含有2種不同類型的金屬中心，鐵(III)原卟啉IX（通常被稱為“血紅素”）和2個(gè)鈣原子（圖1，2）。

對于酶的結(jié)構(gòu)和功能完整性這兩者都是非常必要的。血紅素基通過組氨酸側(cè)鏈Na原子和血紅素鐵原子之間的配位鍵連接到酶His170（近端組氨酸殘基）上。第二軸向配體位置（在所謂的血紅素平面前端）沒被酶的靜息狀態(tài)占據(jù)而是被酶轉(zhuǎn)化期間的過氧化氫占據(jù)（圖3）。小分子如一氧化碳、氰化物、氟化物、疊氮化物結(jié)合到遠(yuǎn)端六配體過氧化物酶復(fù)合物的血紅素鐵原子上。只有在質(zhì)子化的形式下，一些鍵才是穩(wěn)定的，這是通過氫鍵與遠(yuǎn)端血紅素Arg38（遠(yuǎn)端精氨酸）和His42（遠(yuǎn)端組氨酸）的氨基酸側(cè)鏈之間的相互作用。2個(gè)鈣原子的結(jié)合位點(diǎn)分別位于血紅素平面的遠(yuǎn)端和近端，并且通過氫鍵被連接到血紅素結(jié)合區(qū)。每個(gè)鈣原子結(jié)合位點(diǎn)都是七配位的，去和氧供體配體配位，氧供體配體是由氨基酸側(cè)鏈的羧酸鹽(ASP)、羥基（絲氨酸，蘇氨酸）、羰基和結(jié)構(gòu)水分子（只有遠(yuǎn)端）的結(jié)合點(diǎn)提供的。1978年，Haschke和Friedhoff[7]發(fā)現(xiàn)了鈣的失去直接導(dǎo)致了酶活性的減少和酶熱穩(wěn)定性的降低，2001年，豪斯等[8]人并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了血紅素環(huán)境光譜發(fā)生了微妙的變化。

圖2 HRP C的重要結(jié)構(gòu)特征

圖3 HRP C活性中心的重要氨基酸殘基

2 辣根過氧化物酶的固定化

與游離酶相比，固定化酶既保持了高度催化性和嚴(yán)格的專一性，反應(yīng)條件溫和，又克服了游離酶的許多不足，同時(shí)呈現(xiàn)出穩(wěn)定性好、易分離回收、可重復(fù)利用、操作可控、工藝簡化、成本降低等一系列優(yōu)點(diǎn)。近年來，固定化HRP被廣泛應(yīng)用于環(huán)境水污染的治理與凈化，可有效除去水介質(zhì)中的多種有機(jī)污染物。為尋求穩(wěn)定性好、比活性高的HRP固定化載體及方法，各國學(xué)者作出許多努力[9-11]。

2012年雷青娟等[12]研究小組利用接枝聚合技術(shù)，制得了陰離子型雙功能復(fù)合載體SHBS-PGMA∕SiO2，并通過靜電相互作用將HRP共價(jià)固定在載體SHBS-PGMA∕SiO2上，研究了固定過程的作用機(jī)理。結(jié)果表明，在pH值較大范圍內(nèi)，復(fù)合載體SH?BS-PGMA∕SiO2表面呈現(xiàn)出高密度負(fù)電荷，pH為6.0時(shí)，HRP帶正電荷，與載體間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電作用，明顯促進(jìn)了HRP的固定化；當(dāng)載體表面SHBS的鍵合率約為18%時(shí)，促進(jìn)作用最強(qiáng)，且固化酶的偶聯(lián)率和比活力最高。離子強(qiáng)度對酶的固定化也有一定的影響，如加入NaCl會(huì)對載體與固酶蛋白間的靜電作用產(chǎn)生一定的屏蔽作用，且增大NaCl濃度可降低固定化HRP的偶聯(lián)率和比活力。

2011年雷青娟等[13]研究小組利用接枝聚合法和環(huán)氧基團(tuán)的開環(huán)反應(yīng)，制備了雙功能型復(fù)合載體EDA-PGMA∕SiO2,又通過共價(jià)偶聯(lián)法與HRP進(jìn)行固定。研究顯示，在水介質(zhì)中，復(fù)合載體表面胺基的質(zhì)子化，使載體微粒的ζ電位在較大的pH范圍內(nèi)保持正值；當(dāng)介質(zhì)pH=8.5，大于HRP的pI值時(shí)，強(qiáng)靜電作用會(huì)大大促進(jìn)HRP的固定；EDA的鍵合率為30%時(shí)，靜電作用最強(qiáng)，固酶的偶聯(lián)率與比活力都達(dá)到最高值。疏水作用也會(huì)影響化學(xué)法固定HRP，當(dāng)以接枝微粒PGMA∕SiO2為載體時(shí)，增大NaCl濃度，一方面可促進(jìn)酶蛋白與載體間的疏水作用，另一方面使固定化酶的偶聯(lián)率與比活力有所提高。

2010年，Qiu等[14]研究小組利用氮?dú)馕郊夹g(shù)，制備了納米級多孔銅(NPC)，通過掃描電子顯微鏡表征出孔徑在100～200 nm之間，HRP通過吸附法固定在納米級多孔銅上。與游離酶相比，固定化酶的熱穩(wěn)定性有了很大的提高，是由于酶分子和納米級多孔銅表面之間存在多個(gè)吸附點(diǎn)。結(jié)果表明，經(jīng)過2 h 50℃溫育，固定化HRP保留約90%的初始活性，而游離酶只有約10%的初始活性。HRP和多孔銅表面間的相互作用使得固定化酶的Km從0.43增加到0.80 mmol∕L，同時(shí)也使得固定化酶的Kcat從8.1×103min-1下降到2.2×103min-1?；贜PC電極良好的導(dǎo)電性和電催化性，也制成了鄰苯二胺(OPD)的電化學(xué)生物傳感器。生物傳感器的校準(zhǔn)曲線是0.5～14.5 μmol∕L的OPD范圍內(nèi)，靈敏度為0.37 A∕mol·L。實(shí)驗(yàn)測得生物傳感器的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性也是非常好的。當(dāng)工作電壓為-0.45 V，時(shí)間為200 s時(shí)，對10 μmol∕LOPD的電流響應(yīng)仍有其初始值的80%。用5個(gè)HRP固載多孔銅電極，對10 μmol∕L OPD電流響應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)約為4.5%。所有結(jié)果表明，用納米級多孔銅作為HRP的固定化載體，由于其價(jià)格低廉的特點(diǎn)非常有助于其大規(guī)模應(yīng)用。

3 辣根過氧化物酶的應(yīng)用

3.1 污水處理

大部分疏水性芳香族化合物對人類都是有害的[15]，而含酚廢水又是當(dāng)今世界危害最大的工業(yè)廢水之一，因此，廢水的處理與凈化將是全世界學(xué)者面臨的難題與挑戰(zhàn)。Klibanov等人最早采用過氧化物酶去除廢水中的酚類和芳香胺類化合物,并將其用于含酚廢水的脫色[16]。2006年Einollahi等人用HRP作解毒劑除去了廢水中的苯酚[17]。在過氧化氫存在下，HRP催化羥基酚，使其成為不穩(wěn)定的狀態(tài)，并產(chǎn)生苯氧自由基。這些自由基通過氧化自偶聯(lián)促進(jìn)酚類化合物的聚合[18]。而聚合苯酚（聚酚）不再是一種有毒化合物，成為不溶解的沉淀或是一種無毒的天然有機(jī)物[19]。

2012年，鮑騰等[20]研究小組采用凹凸棒石粘土、可溶性淀粉和工業(yè)水玻璃等基本材料，制備了改性后的凹凸棒石基多孔材料。將此多孔材料進(jìn)一步固定辣根過氧化物酶，應(yīng)用于含酚廢水的處理研究，并取得了良好的效果。結(jié)果表明，辣根過氧化物酶的最佳固定化條件為pH=5、固定化時(shí)間為15 h、單位酶載量為1 mg。固定化酶循環(huán)使用6次后，苯酚去除率仍能達(dá)到62.3%。

2011年，Li等[21]對辣根過氧化物酶氧化降解廢水中的雙酚A進(jìn)行了研究。降解最佳條件：pH= 9.0，T=25°C。理論上要使雙酚A完全轉(zhuǎn)化[H2O2]∕[BPA]物質(zhì)的量比為0.5，但實(shí)際數(shù)據(jù)顯示[H2O2]∕[BPA]物質(zhì)的量比為1.5。一種可能的解釋是，這是該降解產(chǎn)物，雙酚A在氧化過程中所形成的，如4-異丙烯基苯酚，它進(jìn)一步被過氧化氫氧化，使得總的過氧化氫的消耗量增大。而反應(yīng)剛開始過氧化氫會(huì)使HRP失活，這會(huì)降低雙酚A的氧化速度。剛開始3 h，反應(yīng)速度非?？?，幾乎80%的雙酚A被降解，反應(yīng) 5 h后 HRP的活性僅剩初始活性的13.1%。

3.2 食品工業(yè)

酶制劑屬于食品添加劑的一種，由于酶本身無毒、無嗅、且反應(yīng)所需溫度和pH溫和，所以添加酶不會(huì)影響食品的安全性和食品質(zhì)量；由于酶具有高效性和嚴(yán)格的專一性，少量酶也能使反應(yīng)快速進(jìn)行，也可避免復(fù)雜反應(yīng)中的一些化學(xué)變化；加熱可使酶失活，反應(yīng)終點(diǎn)非常易控制；因此近年來酶制劑已應(yīng)用于食品的解毒、保鮮、檢測和代替溴酸鉀等領(lǐng)域。

2011年，溫研等[22]人利用HRP和阿魏酸處理牛乳，并制得了凝固型酸奶。結(jié)果表明，添加HRP、阿魏酸和明膠不影響酸奶的主要成分，但明顯改善凝固型酸奶的品質(zhì)。與對照樣相比，加入明膠、HRP和阿魏酸后，酸奶硬度和黏度都有所提高，而乳清析出率都有所降低。同時(shí)，酸奶的表觀黏度、觸變性和粘彈性也都有所增加，添加明膠效果最明顯。

2011年，馬超越等[23]人以電子媒介體聚中性紅為載體，將其固定HRP制成了生物傳感器,并采用循環(huán)伏安法對其性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，HRP在該電極上會(huì)進(jìn)行穩(wěn)定的直接電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，H2O2濃度在3.18×10-8～3.18×10-3mol∕L的范圍內(nèi)，傳感器具有良好的線性相關(guān)性，檢出限達(dá)到6.36×10-9mol∕L。將該生物傳感器用于啤酒中H2O2的測定，效果很好，回收率達(dá)到88.5%～98.6%。

2011年，展海軍等[24]研究小組利用循環(huán)伏安法，在玻碳電極表面聚合一層均勻的聚苯胺膜，制備了納米TiO2固定化HRP的生物傳感器。結(jié)果表明，該傳感器對H2O2和NaNO2都具有很好的電催化還原性。且成功地應(yīng)用于火腿腸中NaNO2的測定，回收率為94%～103%。結(jié)果證明該生物傳感器靈敏度高，有良好的抗干擾性和穩(wěn)定性，也有良好的線性相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.994 6，檢出限為0.001 mg∕L。

3.3 有機(jī)合成

利用酶催化聚合取代傳統(tǒng)的化學(xué)催化或物理反應(yīng)，可以簡化工藝、節(jié)省設(shè)備、降低危險(xiǎn)和減少污染等。酶催化的顯著特點(diǎn)是高效、專一、溫和，聚合過程綠色環(huán)保、副產(chǎn)物較少、產(chǎn)物易分離、聚合物分子量大，所以酶催化在有機(jī)合成中受到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注[25]。HRP在氧化劑過氧化氫存在下，能催化酚及芳香胺類物質(zhì)聚合[26-27]。由于這些聚合物存在大TT共軛體系，因此可作為復(fù)合型導(dǎo)電聚合物材料、非線性光學(xué)特性材料、可制作發(fā)光二極管等，并用于大屏幕全色顯示等領(lǐng)域[28-30]。

2010年曾家豫等[31]研究小組以H2O2為氧化劑，采用HRP催化對苯二胺并與對氨基苯磺酸共聚，合成了聚對苯二胺一對氨基苯磺酸（PAn-I）。結(jié)果表明，合成的PAn—I具有電活性、熱穩(wěn)定性和良好的水溶性等優(yōu)點(diǎn)。聚合過程中以水為介質(zhì)，避免了有機(jī)溶劑的使用，使得反應(yīng)條件溫和，從而減少了酶的用量。

2012年，Zhang等[32]以十二烷基苯磺酸鈉（SD? BS）為表面活性劑，在水相膠束體系中利用HRP催化聚合酚。研究顯示，加入SDBS會(huì)大幅度提高聚合物的產(chǎn)率。隨著SDBS用量的增加，由GPC測定的THF可溶部分的分子量由1 100增大至2 000。在較寬的pH值(4～10)范圍內(nèi)，酚在水相膠束體系中聚合都維持了較高的收率。由于HRP在緩沖液SDBS中的活性是非常高，所以酚在水相膠束體系中聚合只在2 h內(nèi)就能以很高的收率完成。所得到的聚合物是一種粉末材料，它可以部分溶解于DMF，DMSO和THF中。IR分析表明，該聚合物結(jié)構(gòu)含有亞苯基和含氧亞苯基（oxyphenylene）單元的混合物。用TG分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)聚合物具有較高的熱穩(wěn)定性。

3.4 分析檢測

生物傳感器最早源于20世紀(jì)60年代，到80年代生物傳感器研究領(lǐng)域已基本形成，而研究最早應(yīng)用最多的生物傳感器是酶電極，因其具有設(shè)備簡單、成本低廉、靈敏度高等特點(diǎn)。辣根過氧化物酶是一種研究廣泛的過氧化物酶，將其固定在電極表面，在電子受體過氧化氫的作用下氧化反應(yīng)物，被氧化的反應(yīng)物在電極上電化學(xué)還原，其還原電流與反應(yīng)物的濃度成正比。因此，HRP修飾電極被廣泛用于H2O2、酚類、有機(jī)過氧化物、芳香胺化合物以及一些環(huán)境污染物的分析檢測中。

2010年，韓莉等[33]利用循環(huán)伏安法和電流時(shí)間法，在玻碳電極表面聚合一層均勻的聚乙烯醇縮丁醛∕碳納米管膜，制備了固定化HRP的生物傳感器。結(jié)果表明該傳感器對H2O2具有良好的電催化性能。當(dāng)pH=7.0，工作電位為-250 mV，對苯二酚濃度為4.2 mmol∕L，H2O2濃度在1.67×10-7～1.29 ×10-5mol∕L和1.58×10-5～1.17×10-3mol∕L范圍時(shí)，與生物傳感器的電流響應(yīng)呈良好的線性關(guān)系，檢出限(S/N=3)為5.554×10-8mol∕L。因此該傳感器具有制作簡單、成本低廉、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且對HO有快速靈敏的響應(yīng)。

2014年，Koposova等[34]研究小組首次以H2O2為氧化劑，將合成的油胺（OA）與HRP自組裝形成的極薄金納米線（NWS）和納米顆粒（納米顆粒）生物電化學(xué)傳感。用OANWs和OANPs改性的薄膜金電極具有良好的催化性，當(dāng)H2O2工作濃度范圍從20 μmol∕L到500μmol∕L時(shí)，具有0.031 AM?1cm?2（RSD 0.046）和0.027 AM?1cm?2（RSD 0.045）的敏感性，5μmol∕L和8μmol∕L的檢出限，（RSD附近的檢出限為9%～12%）。研究顯示，本研究小組制備基于酶的生物電化學(xué)傳感器，對于金屬蛋白生物電子學(xué)和能源研究具有重大的意義。

4 前景與展望

近年來，隨著生物技術(shù)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，酶工程在工業(yè)應(yīng)用中起著愈來愈重要的作用。對于辣根過氧化物酶的研究與應(yīng)用約有100多年的歷史，特別是現(xiàn)代儀器和檢測手段的應(yīng)用極大地推動(dòng)了我們對HRP的結(jié)構(gòu)與催化機(jī)制的了解，進(jìn)而對HRP在許多領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大指導(dǎo)意義。由于HRP價(jià)格低廉、來源豐富、提純工藝簡單和結(jié)構(gòu)熟知，該酶一直為工具酶研究的熱點(diǎn)之一。關(guān)于HRP的理論應(yīng)用報(bào)道非常多，但真正應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)中卻少之又少，那么現(xiàn)階段對于HRP的研究主要集中在：第一，通過先進(jìn)的儀器和檢測手段大規(guī)模的提取更高純度的HRP；第二，通過不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，將小型實(shí)驗(yàn)室的理論條件擴(kuò)大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)中；第三，嘗試更多的新型載體固定HRP，減少酶活損失的同時(shí)能最大限度保持原酶的活性，以更大程度適應(yīng)工業(yè)環(huán)境。

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Applications Advance and Characterization of Horseradish Peroxidase(HRP)

ZHANG Li-hua,JIANG Jun-feng
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi,037009）

Horseradish peroxidase(HRP)is a peroxidase with heme-containing enzyme for redox-center,which isolated from horseradish roots.In recent years,HRP could be applied for wastewater treatment and food industry,organic synthesis as well as chemi?luminescent assays.The structure,immobilization and application of horseradish peroxidase were introduced significantly.The present problems and the future advance in the industry of HRP were reviewed.

horseradish peroxidase；immobilization；horseradish root

Q554+.6,X703

A

1674-0874(2014)04-0030-05

2014-02-15

張麗華(1981-)，女，山西大同人，在讀碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：生物無機(jī)酶化學(xué)，酶的固定化及其應(yīng)用。

〔責(zé)任編輯 楊德兵〕