谷胱甘肽过氧化物酶

10．1．3　谷胱甘肽过氧化物酶

谷胱甘肽过氧化物酶（GPx），于1957年被Mills从牛红细胞中发现。它是清除H₂O₂与有机氢过氧化物酶的重要酶。

10．1．3．1　分子结构

从人与动物的组织或细胞中提纯的GPx，相对分子质量为76　000～95　000，平均约为85　000。它是一种水溶性四聚体蛋白质，四个亚基相同或极为相似。其硒含量为3．5～4．24g原子/mol，表明每个亚基有一个原子硒（见表10－3）。

表10－3　谷胱甘肽过氧化物酶的相对分子质量、亚基相对分子质量与硒含量

牛红细胞GPx有178个氨基酸残基。虽然其排列顺序尚未最后确定，但根据X射线对该酶晶体的分析结果，可以推测得知氨基酸排列顺序（见图10－1），如硒半胱氨酸处在第35位置。

图10－1　谷胱甘肽过氧化物酶的氨基酸排列顺序

GPx的亚基结构中，有α₁，α₂，α₃，α₄4处α螺旋及β₁，β2，β3，β44处β折叠，后者有半数为顺向平行，另半数为逆向平行，整个酶分子中，4个亚基处于一个平面。

4个Se原子在一个分子中的彼此距离（≥20）远超过二硒化物桥形成所需距离，因此在酶的氧化反应中，不会生成二硒化物桥。具有催化活性的硒半胱氨酸位于酶分子表面凹穴的活性部位，易于接触有机氢过氧化物等底物。后者虽不溶于水，但由于活性基团周围存在一些疏水性芳香环氨基酸残基，形成脂溶性底物可进入的疏水性区域，使底物与硒半胱氨酸反应，从而使GPx显示很高的反应性。

10．1．3．2　化学反应性

GPx可使H₂O₂转变为H₂O或使许多有机氢过氧化物（ROOH）还原为有机氢氧化物（ROH），但在催化反应中需要GSH作为氢供体，其反应式如下：

除非有些有机氢过氧化物如胆固醇－25－氢过氧基受空间阻遏的影响不能被酶催化还原为ROH外，几乎所有有机氢过氧化物都可在GPx的作用下还原为ROH。

GPx虽然可催化许多SH基化合物的氧化反应，但催化效率相对很低。在所有的SH基化合物中以α－谷胱甘肽催化效率最高。如果以后者为100%，则绝大多数SH基化合物仅被氧化1%～5%，甚至几乎无变化。

GPx愈纯，其性质愈不安定。纯酶置于冰箱中贮存，其酶活性会降低，如纯酶液的比活性为274u/mg，经深度冰冻融化后，其比活性下降至40u/mg。

GPx的最适pH为8～9，如大鼠肺的GPx的最适pH为8．8～9．0，人红细胞的GPx为8．5，在pH为6或6以下，GPx显不出活性。

氰化物与叠氮化物都不能抑制GPx的活性。它的吸收光谱在400～420nm处不显示Soret带，因此该酶不是血红素过氧化物酶。

10．1．3．3　作用机理

在GPx的催化反应中，其分子中硒半胱氨酸起到重要的作用。

在反应（1）中ROOH可用H₂O₂代替，无论ROOH还是H₂O₂，都可将GPx中的硒醇离子氧化为硒次磺酸衍生物（E－CysSeOH），但后者是整个酶促反应的中间物，属于简单过渡态复合物，在反应（2）中GSH为供氢体底物，它与酶反应的中间产物作用后产生酶GSSG。这三种反应明显地表现出GPx的催化反应是一种循环过程，其中硒半胱氨酸发生的可逆氧化还原反应确实起到重要作用，详见图10－2。

必须指出的是，在循环过程中GPx可恢复原来状态，但GSH却变成GSSG。要使GSSG还原成GSH，必须在GSH还原酶作用下由NADPH提供H。在此反应中，NADPH氧化成NADP＋，见图10－3。

图10－2　GPx的催化过程

图10－3　GPx与G－6－PD的关系

NADP^＋在戊糖磷酸旁路中在葡糖－6－磷酸脱氢酶的作用下，将葡糖－6－磷酸转变为核酮糖与磷酸，同时NADP^＋还原为NADPH。从这些机理中可以看出，酶促反应能否成为真正循环过程，不仅决定于GPx酶促反应本身，而且还决定于其他酶促反应，甚至涉及一些有关的代谢途径。

10．1．3．4　生物学作用

GPx的主要生物学作用是清除脂质氢过氧化物，并且在过氧化氢酶含量很少或H₂O₂产量很低的组织中，可代替过氧化氢酶清除H₂O₂。此外，由于该酶尚可广泛地清除有机氢过氧化物，故有防止畸变，预防衰老及参与前列腺素合成等重要生理作用。现将其生物学作用简述如下。

A．清除脂质氢过氧化物

动力学研究证明，GPx清除脂质氢过氧化物的速率方程式符合v＝d［LOOH］/dt＝k_＋1［LOOH］［E］。事实上在体外实验中所采用的LOOH浓度常为1mmol/L以上，一般都达到反应速率饱和程度，故实际上清除LOOH的速率与LOOH的种类和浓度无关，而与GSH浓度相关。体内实验和体外实验的结果是不同的，如体内实验所产生的LOOH浓度常在1μmol/L以下，根据结果推知，清除LOOH速率必与LOOH种类和浓度有关，而且由于GSH可以通过催化循环过程中再生，在正常生理情况下，GPx清除脂质过氧化物的速率却与GSH浓度无关。很明显，无论体内实验或体外实验，清除脂质氢过氧化物的速率均决定于GPx的浓度。

B．清除H₂O₂

脑与精子几乎不含过氧化氢酶，而含有较多的GPx，因此尽管在代谢反应中产生H₂O₂，仍可被GPx清除。即使含有过氧化氢酶较多的组织，亦需GPx清除H₂O₂，因为在细胞中过氧化氢酶存在于过氧化体中，而在胞浆与线粒体基质腔中却很少，它们含有较多的GPx，故不会受到H₂O₂的危害。有些病人缺乏产生过氧化氢酶的基因，但GPx可清除H₂O₂，损伤组织不明显。

C．减轻有机氢过氧化物对机体的损伤

在病理生理情况下，活性氧可能诱发脂质过氧化，除了直接造成生物膜损伤外，还可能通过脂质氢过氧化物与蛋白质（包括酶）或核酸的反应，使机体组织发生广泛性损伤，但是只要GPx清除脂质氢过氧化物能力不受到影响，脂质氢过氧化物对机体的损伤就可得到减轻。

除了脂质氢过氧化物外，尚可能出现其他有机氢过氧化物，如核酸氢过氧化物，胸腺嘧啶氢过氧化物。后两者属于致突剂。GPx既然有清除有机氢过氧化物的作用，当然会降低致突发生率。

细胞老化可能与脂质过氧化有关，尽管脂质过氧化仅是细胞老化原因之一，但预防脂质过氧化常可延缓细胞老化。GPx无疑在预防衰老方面起到重要作用。

必须指出的是，GSH还原酶与C－6－PD脱氢酶亦起到协同作用。如果这两种酶之一受到损害或生物合成受到抑制，则GPx的生物学作用也相应受到影响。