Katalaza jest enzym oksydoreduktaza (H2O2: oksydoreduktaza H2O2), szeroko rozpowszechniona w przyrodzie. Katalizuje w różnych tkankach i typach komórek reakcję „rozpadu” nadtlenku wodoru na tlen cząsteczkowy i wodę.
Pierwsze obserwacje tego typu enzymu sięgają wczesnych lat 1810-tych XIX wieku, ale dopiero w 1901 roku Loew odkrył, że katalaza jest obecna w praktycznie wszystkich istniejących organizmach żywych oraz w wielu różnych typach komórek.
Struktura molekularna enzymu Catalase (źródło: Vossman via Wikimedia Commons)
Enzym ten, kluczowy dla utrzymania integralności komórkowej i główny regulator metabolizmu nadtlenku wodoru, był podstawowym czynnikiem pozwalającym stwierdzić, że w naturze istnieją enzymy działające na określone substraty.
Ssaki i inne organizmy posiadają enzymy katalazy, które mogą również zachowywać się jak peroksydazy, katalizując reakcje redoks różnych substratów przy użyciu nadtlenku wodoru.
U większości eukariotów enzymy katalazy znajdują się głównie w organellach subkomórkowych zwanych „peroksysomami”, a u ludzi występuje wiele stanów patologicznych związanych z niedoborem tego enzymu.
cechy
Aktywność enzymów, takich jak katalaza, może się znacznie różnić w zależności od typu rozważanej tkanki. Na przykład u ssaków aktywność katalazy jest znacząca zarówno w nerkach, jak iw wątrobie, a znacznie niższa w tkankach łącznych.
Zatem katalaza u ssaków jest głównie związana ze wszystkimi tkankami wykazującymi znaczący metabolizm tlenowy.
Ssaki posiadają katalazy zarówno w mitochondriach, jak i peroksysomach, aw obu przedziałach są enzymami związanymi z błonami organellarnymi. Natomiast w erytrocytach aktywność katalazy jest związana z rozpuszczalnym enzymem (należy pamiętać, że erytrocyty mają niewiele organelli wewnętrznych).
Katalaza to enzym o dużej liczbie obrotów lub stałej katalitycznej (jest bardzo szybki i wydajny), a ogólna reakcja, którą katalizuje, jest następująca:
2H2O2 → 2H2O + O2
W obecności niskiego stężenia nadtlenku wodoru, ssaka katalaza zachowuje się na przykład jak oksydaza, zamiast tego wykorzystuje tlen cząsteczkowy (O2) do utleniania cząsteczek, takich jak indol i β-fenyloetyloamina, prekursory aminokwasu tryptofanu i odpowiednio neuroprzekaźnik.
Obecnie znane są niektóre konkurencyjne inhibitory aktywności katalazy, zwłaszcza azydek sodu i 3-aminotriazol. Azydek w swojej anionowej formie jest silnym inhibitorem innych białek z grupami hemu i jest stosowany do eliminacji lub zapobiegania rozwojowi mikroorganizmów w różnych warunkach.
Struktura
U ludzi katalaza jest kodowana przez gen o wielkości 34 kb, który ma 12 intronów i 13 eksonów i koduje białko o 526 aminokwasach.
Większość badanych katalaz to enzymy tetrameryczne o masie cząsteczkowej bliskiej 240 kDa (60 kDa na każdą podjednostkę), a każdy monomer jest powiązany z protetyczną heminą lub grupą ferroprotoporfiryny.
Jego struktura składa się z czterech domen złożonych z drugorzędowych struktur utworzonych przez helisy alfa i złożone arkusze beta, a badania przeprowadzone w enzymie wątrobowym ludzi i bydła wykazały, że białka te są związane z czterema cząsteczkami NADPH.
Wydaje się, że te cząsteczki NADPH nie mają zasadniczego znaczenia dla aktywności enzymatycznej katalazy (do produkcji wody i tlenu z nadtlenku wodoru), ale wydaje się, że mają one związek ze zmniejszeniem podatności tego enzymu na wysokie stężenia jego toksyczne podłoże.
Domeny każdej podjednostki ludzkiej katalazy to:
-Nieglobularne przedłużone ramię z końcówką N, które służy do stabilizacji struktury czwartorzędowej
-Beczułka β złożona z ośmiu antyrównoległych β złożonych arkuszy, które stanowią część bocznych reszt wiążących do grupy hemu
-Domena „otoczki”, która otacza domenę zewnętrzną, w tym grupę hemową i wreszcie
-Domena o strukturze alfa helisy
Cztery podjednostki z tymi czterema domenami są odpowiedzialne za tworzenie długiego kanału, którego rozmiar ma kluczowe znaczenie dla mechanizmu rozpoznawania nadtlenku wodoru przez enzym (który wykorzystuje aminokwasy takie jak histydyna, asparagina, glutamina i kwas asparaginowy do to).
cechy
Według niektórych autorów katalaza spełnia dwie funkcje enzymatyczne:
-Rozkład nadtlenku wodoru na wodę i tlen cząsteczkowy (jako specyficzna peroksydaza).
-Utlenianie donorów protonów, takich jak metanol, etanol, wiele fenoli i kwas mrówkowy, przy użyciu jednego mola nadtlenku wodoru (jako niespecyficznej peroksydazy).
-W erytrocytach duże ilości katalazy wydają się odgrywać ważną rolę w ochronie hemoglobiny przed czynnikami utleniającymi, takimi jak nadtlenek wodoru, kwas askorbinowy, metylohydrazyna i inne.
Enzym obecny w tych komórkach jest odpowiedzialny za obronę innych tkanek o małej aktywności katalazy przed wysokimi stężeniami nadtlenku wodoru.
-Niektóre owady, takie jak chrząszcz bombardierowy, wykorzystują katalazę jako mechanizm obronny, ponieważ rozkładają nadtlenek wodoru i wykorzystują gazowy produkt tlenowy tej reakcji do napędzania uwalniania wody i innych związków chemicznych w postaci pary.
-U roślin katalaza (obecna również w peroksysomach) jest jednym ze składników mechanizmu fotooddychania, podczas którego fosfoglikolan wytwarzany przez enzym RuBisCO jest wykorzystywany do produkcji 3-fosfoglicerynianu.
Powiązane patologie u ludzi
Głównym źródłem produkcji substratu dla katalazy, nadtlenku wodoru, są reakcje katalizowane przez enzymy oksydazy, reaktywne formy tlenu oraz niektóre komórki nowotworowe.
Związek ten bierze udział w procesach zapalnych, w ekspresji cząsteczek adhezyjnych, w apoptozie, w regulacji agregacji płytek i kontroli proliferacji komórek.
Przy niedoborach tego enzymu generowane są wysokie stężenia jego substratu, co powoduje uszkodzenia błony komórkowej, defekty transportu elektronów w mitochondriach, metabolizmu homocysteiny oraz DNA.
Wśród chorób związanych z mutacjami w genie kodującym ludzką katalazę są:
-Cukrzyca Mellitus
-Nadciśnienie tętnicze
-Alzheimer
-Vitiligo i inne
Bibliografia
- Agar, N., Sadrzadeh, S., Hallaway, P. i Eaton, J. (1986). Katalaza erytrocytów. Ochrona przed utlenianiem somatycznym? J. Clin. Inwestować. , 77, 319–321.
- Góth, L., Rass, P. i Páy, A. (2004). Mutacje enzymatyczne katalazy i ich związek z chorobami. Diagnostyka molekularna, 8 (3), 141–149.
- Kirkman, H. i Gaetanit, GF (1984). Catalase: tetrameryczny enzym z czterema ściśle związanymi cząsteczkami NADPH. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 81, 4343-4347.
- Kirkman, HN i Gaetani, GF (2006). Katalaza ssaków: czcigodny enzym z nowymi tajemnicami. Trends in Biochemical Sciences, 32 (1), 44–50.
- Rawn, JD (1998). Biochemia. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
- Solomon, E., Berg, L. i Martin, D. (1999). Biology (5 wyd.). Filadelfia, Pensylwania: Saunders College Publishing.
- Vainshtein, B., Melik-Adamyan, W., Barynin, V., Vagin, A., & Grebenko, A. (1981). Trójwymiarowa struktura enzymu katalazy. Naturę, 293 (1), 411-412.