Katalaze je oksidoreduktaza enzim (H2O2: H2O2 oksidoreduktaza) široko rasprostranjeni u prirodi. Katalizira u različitim tkivima i stanicama reakciju "raspada" vodikovog peroksida na molekularni kisik i vodu.
Prva opažanja ove vrste enzima datiraju još od ranih 1810-ih, ali tek je 1901. Loew prepoznao da je katalaza prisutna u gotovo svim postojećim živim organizmima i u mnogim različitim staničnim tipovima.
Molekularna struktura enzima Katalaza (Izvor: Vossman via Wikimedia Commons)
Ovaj enzim, ključan za održavanje stanične cjelovitosti i glavni regulator metabolizma vodikovog peroksida, bio je temeljni faktor za potvrdu da u prirodi postoje enzimi koji djeluju na specifične supstrate.
Sisavci i drugi organizmi posjeduju enzime katalaze koji se mogu ponašati i kao peroksidaze, katalizirajući redoks reakcije različitih supstrata koristeći vodikov peroksid.
U većini eukariota enzimi katalaze nalaze se uglavnom u subcelularnim organelama poznatim kao "peroksisomi", a kod ljudi postoje brojna patološka stanja povezana s nedostatkom ovog enzima.
karakteristike
Djelovanje enzima poput katalaze može značajno varirati ovisno o vrsti tkiva koje se razmatra. Primjerice, kod sisavaca aktivnost katalaze je značajna i u bubrezima i u jetri i znatno je niža u vezivnom tkivu.
Dakle, katalaza u sisavaca povezana je prvenstveno sa svim tkivima koja pokazuju značajan aerobni metabolizam.
Sisavci posjeduju katalaze i u mitohondrijima i u peroksisomima, a u oba su odjeljka enzimi povezani s organelarnim membranama. Suprotno tome, u eritrocitima je aktivnost katalaze povezana s topljivim enzimom (zapamtite da eritrociti imaju malo unutarnjih organela).
Katalaza je enzim s velikim brojem obrtaja ili katalitička konstanta (vrlo je brza i učinkovita), a opća reakcija koju katalizira je sljedeća:
2H2O2 → 2H2O + O2
Na primjer, u prisutnosti niskih koncentracija vodikovog peroksida, sisav katalaza ponaša se poput oksidaze, koristeći molekulski kisik (O2) umjesto da oksidira molekule poput indola i β-feniletilamin, prekursore aminokiseline triptofan i neurotransmiter, odn.
Trenutno su poznati neki konkurentski inhibitori aktivnosti katalaze, posebno natrijev azid i 3-aminotriazol. Azid u svom anionskom obliku moćan je inhibitor ostalih proteina s hem skupinama, a koristi se za uklanjanje ili sprječavanje rasta mikroorganizama u različitim uvjetima.
Struktura
Kod ljudi katalazu kodira gen od 34 kb koji ima 12 introna i 13 egzona i kodira protein 526 aminokiselina.
Većina ispitivanih katalaza su tetramerni enzimi čija je molekulska masa blizu 240 kDa (60 kDa za svaku podjedinicu), a svaki monomer povezan je s protetskom heminom ili feroprotoporfirinskom skupinom.
Njegovu strukturu čine četiri domene sastavljene od sekundarnih struktura formiranih od alfa helika i beta-presavijenih listova, a studije provedene u jetrenim enzimima ljudi i goveda pokazale su da se ti proteini vežu na četiri molekule NADPH.
Čini se da ove molekule NADPH nisu ključne za enzimatsku aktivnost katalaze (za proizvodnju vode i kisika iz vodikovog peroksida), no čini se da su povezane sa smanjenjem osjetljivosti ovog enzima na visoke koncentracije njegovog otrovni supstrat.
Domene svake podjedinice u ljudskoj katalizi su:
-Neglobularna produžena ruka N-terminala, koja djeluje na stabilizaciju kvaternarne strukture
-P-bačva od osam antiparalnih β presavijenih listova, koji doprinose nekim bočnim veznim ostacima heme skupine
- Domena "omotnica" koja okružuje vanjsku domenu, uključujući heme grupu i, na kraju
-Domena sa alfa helix strukturom
Četiri podjedinice, s ove četiri domene, odgovorne su za formiranje dugog kanala čija je veličina kritična za mehanizam prepoznavanja hidrogen peroksida od strane enzima (koji koristi aminokiseline poput histidina, asparagina, glutamina i asparaginske kiseline za to).
Značajke
Prema nekim autorima, katalaza ispunjava dvije enzimske funkcije:
-Razgradnjom vodikovog peroksida u vodu i molekularni kisik (kao specifičnu peroksidazu).
-Oksidacija donatora protona, poput metanola, etanola, mnogih fenola i mravlje kiseline, koristeći jedan mol vodikovog peroksida (kao nespecifičnu peroksidazu).
-U eritrocitima izgleda da velika količina katalaze igra važnu ulogu u zaštiti hemoglobina od oksidacijskih sredstava kao što su vodikov peroksid, askorbinska kiselina, metilhidrazin i drugi.
Enzim prisutan u tim stanicama odgovoran je za obranu ostalih tkiva s malo katalazne aktivnosti protiv visokih koncentracija vodikovog peroksida.
-Neki insekti, poput bombe bomardiera, koriste katalazu kao obrambeni mehanizam, jer razgrađuju vodikov peroksid i koriste plinoviti kisikov proizvod ove reakcije kako bi ubrzali oslobađanje vode i drugih kemijskih spojeva u obliku para.
-U biljkama je katalaza (također prisutna u peroksisomima) jedna od komponenti mehanizma fotorespiracije, tijekom koje se fosfoglikolat proizveden enzimom RuBisCO koristi za proizvodnju 3-fosfoglicerata.
Srodne patologije kod ljudi
Glavni izvori proizvodnje supstrata za katalazu, vodikov peroksid, su reakcije katalizirane enzimima oksidaze, reaktivnim kisikovim vrstama i nekim tumorskim stanicama.
Ovaj spoj je uključen u upalne procese, u ekspresiji molekula adheziva, u apoptozi, u regulaciji agregacije trombocita i u kontroli stanične proliferacije.
Kada postoje nedostaci ovog enzima, nastaju velike koncentracije njegovog supstrata, što uzrokuje lezije u staničnoj membrani, oštećenja transporta elektrona u mitohondrijama, metabolizmu homocisteina i DNK.
Među bolestima povezanim s mutacijama u kodirajućem genu za ljudsku katalazu spadaju:
-Mellitus dijabetes
-Arterijska hipertenzija
-Alzheimer
-Vitiligo i drugi
Reference
- Agar, N., Sadrzadeh, S., Hallaway, P., & Eaton, J. (1986). Eritrocitna katalaza. Somatska oksidacijska obrana? J. Clin. Investirati., 77, 319–321.
- Góth, L., Rass, P., & Páy, A. (2004). Mutacije enzima katalaza i njihova povezanost s bolestima. Molekularna dijagnoza, 8 (3), 141–149.
- Kirkman, H., i Gaetanit, GF (1984). Katalaza: tetramerni enzim sa četiri čvrsto vezane molekule NADPH. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 81, 4343-4347.
- Kirkman, HN, i Gaetani, GF (2006). Sisavska katalaza: revan enzim s novim misterijama. Trendovi u biokemijskim znanostima, 32 (1), 44–50.
- Rawn, JD (1998). Biokemija. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
- Solomon, E., Berg, L., & Martin, D. (1999). Biologija (5. izd.). Philadelphia, Pennsylvania: Saunders College Publishing.
- Vainshtein, B., Melik-Adamyan, W., Barynin, V., Vagin, A., & Grebenko, A. (1981). Trodimenzionalna struktura enzima katalaze. Priroda, 293 (1), 411-412.