Kataláza je oxidoreduktázový enzým (H2O2: H2O2 oxidoreduktázy) v prírode široko rozšírená. Katalyzuje v rôznych tkanivách a bunkových druhoch „rozkladnú“ reakciu peroxidu vodíka na molekulárny kyslík a vodu.
Prvé pozorovania tohto typu enzýmu sa datujú do začiatku 18. storočia, ale v roku 1901 Loew uznal, že kataláza je prítomná prakticky vo všetkých existujúcich živých organizmoch a vo viacerých rôznych typoch buniek.
Molekulárna štruktúra enzýmu Kataláza (Zdroj: Vossman prostredníctvom Wikimedia Commons)
Tento enzým, rozhodujúci pre udržanie celulárnej integrity a hlavný regulátor metabolizmu peroxidu vodíka, bol základným faktorom, ktorý bol schopný potvrdiť, že v prírode existujú enzýmy, ktoré pôsobia na konkrétne substráty.
Cicavce a iné organizmy obsahujú katalázové enzýmy, ktoré sa môžu správať aj ako peroxidázy a katalyzujú redoxné reakcie rôznych substrátov pomocou peroxidu vodíka.
Vo väčšine eukaryotov sa katalázové enzýmy nachádzajú prevažne v subcelulárnych organelách známych ako „peroxizómy“ a u ľudí existuje množstvo patologických stavov súvisiacich s nedostatkom tohto enzýmu.
vlastnosti
Aktivita enzýmov, ako je kataláza, sa môže značne líšiť v závislosti od typu uvažovaného tkaniva. Napríklad u cicavcov je katalázová aktivita významná v obličkách aj pečeni a je oveľa nižšia v spojivových tkanivách.
Kataláza u cicavcov je teda primárne spojená so všetkými tkanivami, ktoré vykazujú významný aeróbny metabolizmus.
Cicavce majú katalázy v mitochondriách aj peroxizómoch a v obidvoch kompartmentoch sú to enzýmy spojené s organelárnymi membránami. Naproti tomu v erytrocytoch je katalázová aktivita spojená s rozpustným enzýmom (nezabudnite, že erytrocyty majú málo vnútorných organel).
Kataláza je enzým s vysokým počtom premeny alebo katalytická konštanta (je veľmi rýchla a účinná) a všeobecnou reakciou, ktorú katalyzuje, je táto:
2H202 → 2H20 + O2
V prítomnosti nízkych koncentrácií peroxidu vodíka sa napríklad cicavčia kataláza správa ako oxidáza, ktorá namiesto toho používa molekulárny kyslík (O2) na oxidáciu molekúl, ako je indol a p-fenyletylamín, prekurzory aminokyseliny tryptofánu a respektíve neurotransmiter.
V súčasnosti sú známe niektoré kompetitívne inhibítory katalázovej aktivity, najmä azid sodný a 3-aminotriazol. Azid vo svojej aniónovej forme je silným inhibítorom iných proteínov s hemovými skupinami a používa sa na elimináciu alebo prevenciu rastu mikroorganizmov za rôznych podmienok.
štruktúra
U ľudí je kataláza kódovaná génom 34 kb, ktorý má 12 intrónov a 13 exónov a kóduje proteín 526 aminokyselín.
Väčšina študovaných kataláz sú tetramerické enzýmy s molekulovou hmotnosťou blízkou 240 kDa (60 kDa pre každú podjednotku) a každý monomér je spojený s protetickou hemínovou alebo ferroprotoporfyrínovou skupinou.
Jeho štruktúra je tvorená štyrmi doménami zloženými zo sekundárnych štruktúr tvorených alfa helixmi a beta skladanými listami a štúdie uskutočnené v pečeňovom enzýme u ľudí a hovädzieho dobytka ukázali, že tieto proteíny sa viažu na štyri molekuly NADPH.
Tieto molekuly NADPH sa nezdajú byť nevyhnutné pre enzymatickú aktivitu katalázy (na výrobu vody a kyslíka z peroxidu vodíka), zdá sa však, že súvisia so znížením citlivosti tohto enzýmu na vysoké koncentrácie jeho enzýmu. toxický substrát.
Domény každej podjednotky ľudskej katalázy sú:
-Negulové predĺžené rameno N-konca, ktoré slúži na stabilizáciu kvartérnej štruktúry
-A β-valec ôsmich antiparalelných β-skladaných listov, ktoré prispievajú niektorými z laterálnych väzbových zvyškov do skupiny hem
- „obálková“ doména, ktorá obklopuje vonkajšiu doménu, vrátane skupiny heme a nakoniec
- Doména so štruktúrou alfa helixu
Štyri podjednotky s týmito štyrmi doménami sú zodpovedné za vytvorenie dlhého kanála, ktorého veľkosť je rozhodujúca pre mechanizmus rozpoznávania peroxidu vodíka enzýmom (ktorý používa aminokyseliny, ako je histidín, asparagín, glutamín a kyselina asparágová). it).
Vlastnosti
Podľa niektorých autorov kataláza plní dve enzymatické funkcie:
- Rozklad peroxidu vodíka na vodu a molekulárny kyslík (ako špecifická peroxidáza).
- oxidácia donorov protónov, ako je metanol, etanol, veľa fenolov a kyselina mravčia, použitím jedného mólu peroxidu vodíka (ako nešpecifická peroxidáza).
- Zdá sa, že v erytrocytoch hrá veľké množstvo katalázy dôležitú úlohu pri ochrane hemoglobínu proti oxidačným činidlám, ako je peroxid vodíka, kyselina askorbová, metylhydrazín a ďalšie.
Enzým prítomný v týchto bunkách je zodpovedný za obranu iných tkanív s malou katalázovou aktivitou proti vysokej koncentrácii peroxidu vodíka.
- Niektoré druhy hmyzu, ako je napríklad chrobák bombardér, používajú ako obranný mechanizmus katalázu, pretože rozkladajú peroxid vodíka a plynný kyslíkový produkt tejto reakcie poháňajú uvoľňovanie vody a iných chemických zlúčenín vo forme pary.
- V rastlinách je kataláza (prítomná aj v peroxizómoch) jednou zo zložiek fotorezpiračného mechanizmu, počas ktorého sa fosfoglykolát produkovaný enzýmom RuBisCO používa na výrobu 3-fosfoglycerátu.
Súvisiace patológie u ľudí
Hlavnými zdrojmi produkcie substrátu pre katalázu, peroxid vodíka, sú reakcie katalyzované oxidázovými enzýmami, reaktívnymi druhmi kyslíka a niektorými nádorovými bunkami.
Táto zlúčenina sa podieľa na zápalových procesoch, na expresii adhezívnych molekúl, na apoptóze, na regulácii agregácie krvných doštičiek a na kontrole bunkovej proliferácie.
Ak existujú nedostatky tohto enzýmu, vytvárajú sa vysoké koncentrácie jeho substrátu, čo spôsobuje lézie v bunkovej membráne, poruchy transportu elektrónov v mitochondriách, metabolizme homocysteínu a v DNA.
Medzi choroby spojené s mutáciami v kódujúcom géne pre ľudskú katalázu patria:
-Mellitus diabetes
- Arteriálna hypertenzia
-Alzheimer
-Vitiligo a ďalšie
Referencie
- Agar, N., Sadrzadeh, S., Hallaway, P., & Eaton, J. (1986). Erythrocytová kataláza. Somatická oxidačná obrana? J. Clin. Invest. 77, 319 - 321.
- Góth, L., Rass, P., & Páy, A. (2004). Mutácie enzýmov katalázy a ich asociácia s chorobami. Molecular Diagnosis, 8 (3), 141–149.
- Kirkman, H., & Gaetanit, GF (1984). Kataláza: tetramerický enzým so štyrmi pevne viazanými molekulami NADPH. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 81, 4343-4347.
- Kirkman, HN a Gaetani, GF (2006). Cicavčia kataláza: úctyhodný enzým s novými záhadami. Trends in Biochemical Sciences, 32 (1), 44–50.
- Rawn, JD (1998). Biochémie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
- Solomon, E., Berg, L. a Martin, D. (1999). Biológia (5. vydanie). Philadelphia, Pensylvánia: Saunders College Publishing.
- Vainshtein, B., Melik-Adamyan, W., Barynin, V., Vagin, A. & Grebenko, A. (1981). Trojrozmerná štruktúra enzýmu katalázy. Náture, 293 (1), 411-412.