Den katalase er en oxidoreduktase-enzym (H2O2: H2O2 oxidoreductase) vidt udbredt i naturen. Det katalyserer i forskellige væv og celletyper "nedbrydning" -reaktionen af hydrogenperoxid til molekylært ilt og vand.
De første observationer af denne type enzym dateres tilbage til de tidlige 1810'ere, men det var i 1901, at Loew erkendte, at katalase er til stede i stort set alle eksisterende levende organismer og i mange forskellige celletyper.
Molekylstruktur af enzymet Catalase (Kilde: Vossman via Wikimedia Commons)
Dette enzym, der var afgørende for at opretholde cellulær integritet og den vigtigste regulator af brintperoxidmetabolismen, var en grundlæggende faktor for at kunne bekræfte, at der i naturen findes enzymer, der virker på specifikke underlag.
Pattedyr og andre organismer har katalaseenzymer, der også kan opføre sig som peroxidaser, idet de katalyserer redoxreaktioner af forskellige substrater under anvendelse af hydrogenperoxid.
I de fleste eukaryoter findes katalaseenzymer overvejende i subcellulære organeller kendt som "peroxisomer", og hos mennesker er der adskillige patologiske tilstande relateret til manglen på dette enzym.
egenskaber
Aktiviteten af enzymer som katalase kan variere betydeligt afhængigt af den betragtede vævstype. Hos pattedyr er for eksempel katalaseaktivitet signifikant i både nyrerne og leveren og er meget lavere i bindevæv.
Katalase i pattedyr er således primært forbundet med alle væv, der udviser betydelig aerob metabolisme.
Pattedyr har katalaser i både mitokondrier og peroxisomer, og i begge rum er de enzymer, der er forbundet med organellmembraner. I erythrocytter er derimod katalaseaktivitet forbundet med et opløseligt enzym (husk, at erythrocytter har få indre organeller).
Catalase er et enzym med et højt omsætningsantal eller katalytisk konstant (det er meget hurtigt og effektivt), og den generelle reaktion, som det katalyserer, er følgende:
2H2O2 → 2H2O + O2
I nærvær af lave koncentrationer af hydrogenperoxid opfører pattedyrskatalase for eksempel sig som en oxidase, i stedet for ved anvendelse af molekylært oxygen (O2) til at oxidere molekyler såsom indol og ß-phenylethylamin, forløbere for aminosyretryptophan og henholdsvis en neurotransmitter.
Nogle kompetitive inhibitorer af katalaseaktivitet er i øjeblikket kendt, især natriumazid og 3-aminotriazol. Azid er i sin anioniske form en kraftig hæmmer af andre proteiner med hemmegrupper og bruges til eliminering eller forebyggelse af vækst af mikroorganismer under forskellige betingelser.
Struktur
Hos mennesker kodes katalase af et 34 kb gen, der har 12 introner og 13 eksoner og koder for et 526 aminosyreprotein.
De fleste af de undersøgte katalaser er tetrameriske enzymer med en molekylvægt tæt på 240 kDa (60 kDa for hver underenhed), og hver monomer er forbundet med en protetisk hemin eller ferroprotoporphyrin-gruppe.
Dens struktur består af fire domæner sammensat af sekundære strukturer dannet af alfa-helikser og beta-foldede ark, og undersøgelser udført i leverenzymet hos mennesker og kvæg har vist, at disse proteiner er bundet til fire NADPH-molekyler.
Disse NADPH-molekyler ser ikke ud til at være essentielle for den enzymatiske aktivitet af katalase (til produktion af vand og ilt fra brintperoxid), men de ser ud til at være relateret til et fald i følsomheden af dette enzym for høje koncentrationer af dets giftigt underlag.
Domænerne for hver underenhed i human katalase er:
-En ikke-kugleudvidet N-terminal arm, der fungerer til stabilisering af den kvartære struktur
-En ß-tønde med otte antiparallelle ß-foldede ark, som bidrager med nogle af de laterale bindingsrester til hemmegruppen
-Et "kuvert" -domæne, der omgiver det ydre domæne, inklusive heme-gruppen og endelig
-Et domæne med alfa-helixstruktur
De fire underenheder med disse fire domæner er ansvarlige for dannelsen af en lang kanal, hvis størrelse er kritisk for mekanismen til genkendelse af brintperoxid af enzymet (der bruger aminosyrer såsom histidin, asparagin, glutamin og asparaginsyre til det).
Funktioner
Ifølge nogle forfattere udfører katalase to enzymatiske funktioner:
- Nedbrydning af brintperoxid i vand og molekylært ilt (som en specifik peroxidase).
-Oxidation af protondonorer, såsom methanol, ethanol, mange phenoler og myresyre under anvendelse af en mol hydrogenperoxid (som en ikke-specifik peroxidase).
-I erytrocytter ser den store mængde katalase ud til at spille en vigtig rolle i beskyttelsen af hæmoglobin mod oxidationsmidler, såsom brintperoxid, ascorbinsyre, methylhydrazin og andre.
Enzymet, der findes i disse celler, er ansvarligt for forsvaret af andre væv med lidt katalaseaktivitet mod høje koncentrationer af hydrogenperoxid.
-Nogle insekter, såsom bombardierbillen, bruger katalase som en forsvarsmekanisme, da de nedbrydes brintperoxid og anvender det gasformige iltprodukt ved denne reaktion til at drive frigivelse af vand og andre kemiske forbindelser i form af damp.
-I planter er katalase (også til stede i peroxisomer) en af komponenterne i fotorespirationsmekanismen, i hvilken det phosphoglycollat, der er produceret af enzymet RuBisCO, bruges til fremstilling af 3-phosphoglycerat.
Relaterede patologier hos mennesker
De vigtigste kilder til produktion af substratet til katalase, hydrogenperoxid, er reaktioner katalyseret af oxidaseenzymer, reaktive iltarter og nogle tumorceller.
Denne forbindelse er involveret i inflammatoriske processer, i ekspressionen af klæbende molekyler, i apoptose, i reguleringen af blodpladeaggregering og i kontrollen af celleproliferation.
Når der er mangler ved dette enzym, genereres høje koncentrationer af dets substrat, hvilket forårsager læsioner i cellemembranen, defekter i elektrontransport i mitokondrier, i homocysteinmetabolisme og i DNA.
Blandt sygdomme forbundet med mutationer i det kodende gen for human katalase er:
-Mellitus diabetes
-Aterteriel hypertension
-Alzheimer
-Vitiligo og andre
Referencer
- Agar, N., Sadrzadeh, S., Hallaway, P., & Eaton, J. (1986). Erythrocyte Catalase. Et Somatic Oxidant Defense? J. Clin. Investere., 77, 319–321.
- Góth, L., Rass, P., & Páy, A. (2004). Catalase enzymmutationer og deres tilknytning til sygdomme. Molekylær diagnose, 8 (3), 141-149.
- Kirkman, H., & Gaetanit, GF (1984). Catalase: Et tetramerisk enzym med fire tæt bundne molekyler af NADPH. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 81, 4343-4347.
- Kirkman, HN, & Gaetani, GF (2006). Pattedyrkatalase: et ærverdig enzym med nye mysterier. Trends in Biochemical Sciences, 32 (1), 44–50.
- Rawn, JD (1998). Biokemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson forlag.
- Solomon, E., Berg, L., & Martin, D. (1999). Biologi (5. udg.). Philadelphia, Pennsylvania: Saunders College Publishing.
- Vainshtein, B., Melik-Adamyan, W., Barynin, V., Vagin, A., & Grebenko, A. (1981). Tredimensionel struktur af enzymkatalasen. Nature, 293 (1), 411-412.