В каталаза е оксидоредуктаза ензим (Н2О2: Н2О2 оксидоредуктаза) е широко разпространен в природата. Той катализира, в различни тъкани и клетъчни типове, реакцията на „разпадане“ на водороден пероксид до молекулен кислород и вода.
Първите наблюдения на този вид ензими датират от началото на 1810-те, но едва през 1901 г. Лоев признава, че каталазата присъства практически във всички съществуващи живи организми и в множество различни видове клетки.
Молекулна структура на ензима Каталаза (Източник: Vossman чрез Wikimedia Commons)
Този ензим, решаващ за поддържането на клетъчната цялост и основният регулатор на метаболизма на водороден пероксид, беше основен фактор, който може да потвърди, че в природата има ензими, които действат върху специфични субстрати.
Бозайниците и други организми притежават каталазни ензими, които също могат да се държат като пероксидази, катализирайки редокс-реакции на различни субстрати, използвайки водороден пероксид.
В повечето еукариоти каталазните ензими се намират предимно в субклетъчни органели, известни като "пероксизоми", а при хората има многобройни патологични състояния, свързани с дефицита на този ензим.
характеристики
Активността на ензими като каталаза може да варира значително в зависимост от вида на разглежданата тъкан. При бозайниците например каталазната активност е значима както в бъбреците, така и в черния дроб и е много по-ниска в съединителните тъкани.
По този начин каталазата при бозайниците се свързва преди всичко с всички тъкани, проявяващи значителна аеробна обмяна.
Бозайниците притежават каталази и в митохондриите, и в пероксизомите, и в двете отделения те са ензими, свързани с органеларните мембрани. За разлика от еритроцитите, каталазната активност е свързана с разтворим ензим (не забравяйте, че еритроцитите имат малко вътрешни органели).
Каталазата е ензим с голям брой обороти или каталитична константа (тя е много бърза и ефективна) и общата реакция, която катализира, е следната:
2H2O2 → 2H2O + O2
При наличието на ниски концентрации на водороден пероксид, бозайниковата каталаза например се държи като оксидаза, като вместо това използва молекулен кислород (O2) за окисляване на молекули като индол и β-фенилетиламин, прекурсори на аминокиселината триптофан и невротрансмитер, съответно.
Понастоящем са известни някои конкурентни инхибитори на каталазната активност, по-специално натриев азид и 3-аминотриазол. Азидът в своята анионна форма е мощен инхибитор на други протеини с хем групи и се използва за елиминиране или предотвратяване на растежа на микроорганизми при различни условия.
структура
При хората каталазата е кодирана от 34 kb ген, който има 12 интрона и 13 екзона и кодира протеин от 526 аминокиселини.
Повечето от изследваните каталази са тетрамерни ензими с молекулно тегло, близко до 240 kDa (60 kDa за всяка субединица) и всеки мономер е свързан с група за протезиране на хемин или феропротопорфирин.
Структурата му се състои от четири домена, съставени от вторични структури, образувани от алфа спирали и бета-сгънати листове, а проучвания, проведени в чернодробния ензим на хората и говедата, показват, че тези протеини са свързани с четири NADPH молекули.
Тези NADPH молекули изглежда не са от съществено значение за ензимната активност на каталазата (за производството на вода и кислород от водороден прекис), но изглежда са свързани с намаляване на чувствителността на този ензим към високи концентрации на неговия токсичен субстрат.
Домените на всяка субединица в човешката каталаза са:
-Неглобуларно удължено N-крайно рамо, което функционира за стабилизиране на кватернерната структура
-А β-барел от осем антипаралелни β-сгънати листа, които допринасят някои от страничните свързващи остатъци към групата на хема
-Домен с обвивка, който заобикаля външния домейн, включително групата на хема и накрая
-Домен с алфа спирална структура
Четирите субединици, с тези четири домена, са отговорни за образуването на дълъг канал, чийто размер е критичен за механизма на разпознаване на водороден пероксид от ензима (който използва аминокиселини като хистидин, аспарагин, глутамин и аспарагинова киселина за то).
Характеристика
Според някои автори каталазата изпълнява две ензимни функции:
-Разлагането на водороден пероксид във вода и молекулен кислород (като специфична пероксидаза).
-Окисляване на протонни донори, като метанол, етанол, много феноли и мравчена киселина, като се използва един мол водороден пероксид (като неспецифична пероксидаза).
-В еритроцитите изглежда, че голямото количество каталаза играе важна роля в защитата на хемоглобина срещу окислители, като водороден пероксид, аскорбинова киселина, метилхидразин и други.
Ензимът, присъстващ в тези клетки, е отговорен за защитата на други тъкани с малка активност на каталаза срещу високи концентрации на водороден пероксид.
-Някои насекоми като бръмбар бомбардиер използват каталаза като защитен механизъм, тъй като те разлагат водороден пероксид и използват газообразния кислороден продукт от тази реакция, за да ускорят отделянето на вода и други химически съединения под формата на пари.
-В растенията каталазата (налична също и в пероксизомите) е един от компонентите на фотореспирационния механизъм, по време на който фосфогликолатът, произведен от ензима RuBisCO, се използва за производството на 3-фосфоглицерат.
Свързани патологии при хората
Основните източници на производство на субстрата за каталаза, водороден пероксид, са реакции, катализирани от оксидазни ензими, реактивни видове кислород и някои туморни клетки.
Това съединение участва във възпалителни процеси, в експресията на адхезивни молекули, в апоптоза, в регулирането на агрегацията на тромбоцитите и в контрола на клетъчната пролиферация.
Когато има дефицит на този ензим, се генерират високи концентрации на неговия субстрат, което причинява лезии в клетъчната мембрана, дефекти в транспорта на електрон в митохондриите, в хомоцистеиновия метаболизъм и в ДНК.
Сред болестите, свързани с мутациите в кодиращия ген за човешка каталаза, са:
-Мелитен диабет
-Артериална хипертония
-Alzheimer
-Витилиго и други
Препратки
- Agar, N., Sadrzadeh, S., Hallaway, P., & Eaton, J. (1986). Еритроцитна каталаза. Соматична окислителна защита? J. Clin. Инвестирам., 77, 319–321.
- Góth, L., Rass, P., & Páy, A. (2004). Каталазни ензимни мутации и тяхното свързване с болести. Молекулярна диагноза, 8 (3), 141–149.
- Kirkman, H., & Gaetanit, GF (1984). Каталаза: Тетрамерен ензим с четири плътно свързани молекули на NADPH. Proc. Natl. Акад. Sci. USA, 81, 4343-4347.
- Kirkman, HN, & Gaetani, GF (2006). Бозайническа каталаза: верен ензим с нови мистерии. Тенденции в биохимичните науки, 32 (1), 44–50.
- Rawn, JD (1998). Биохимия. Бърлингтън, Масачузетс: Нийл Патерсън Издатели.
- Solomon, E., Berg, L., & Martin, D. (1999). Биология (5-то издание). Филаделфия, Пенсилвания: Издателство на колежа Saunders.
- Vainshtein, B., Melik-Adamyan, W., Barynin, V., Vagin, A., & Grebenko, A. (1981). Триизмерна структура на ензимната каталаза. Природа, 293 (1), 411-412.