Каталаза является ферментом оксидоредуктазы (Н2О2: Н2О2 оксидоредуктаза) широко распространен в природе. Он катализирует в различных тканях и типах клеток реакцию «разложения» перекиси водорода на молекулярный кислород и воду.
Первые наблюдения этого типа фермента относятся к началу 1810-х годов, но именно в 1901 году Лоу признал, что каталаза присутствует практически во всех существующих живых организмах и во множестве различных типов клеток.
Молекулярная структура фермента каталазы (Источник: Vossman через Wikimedia Commons)
Этот фермент, имеющий решающее значение для поддержания клеточной целостности и главный регулятор метаболизма перекиси водорода, был фундаментальным фактором, позволяющим подтвердить, что в природе существуют ферменты, которые действуют на определенные субстраты.
Млекопитающие и другие организмы обладают ферментами каталазы, которые также могут вести себя как пероксидазы, катализируя окислительно-восстановительные реакции различных субстратов с использованием перекиси водорода.
У большинства эукариот ферменты каталазы обнаруживаются преимущественно в субклеточных органеллах, известных как «пероксисомы», а у людей существует множество патологических состояний, связанных с дефицитом этого фермента.
характеристики
Активность ферментов, таких как каталаза, может значительно варьироваться в зависимости от типа рассматриваемой ткани. Например, у млекопитающих активность каталазы значительна как в почках, так и в печени и намного ниже в соединительных тканях.
Таким образом, каталаза у млекопитающих в первую очередь связана со всеми тканями, демонстрирующими значительный аэробный метаболизм.
Млекопитающие обладают каталазами как в митохондриях, так и в пероксисомах, и в обоих компартментах они являются ферментами, связанными с органеллярными мембранами. В эритроцитах, напротив, активность каталазы связана с растворимым ферментом (помните, что в эритроцитах мало внутренних органелл).
Каталаза - это фермент с высоким числом оборотов или каталитической константой (он очень быстрый и эффективный), и общая реакция, которую он катализирует, следующая:
2H2O2 → 2H2O + O2
В присутствии низких концентраций перекиси водорода каталаза млекопитающих, например, ведет себя как оксидаза, используя вместо этого молекулярный кислород (O2) для окисления таких молекул, как индол и β-фенилэтиламин, предшественников аминокислоты триптофана и нейротрансмиттер соответственно.
В настоящее время известны некоторые конкурентные ингибиторы активности каталазы, в частности азид натрия и 3-аминотриазол. Азид в его анионной форме является мощным ингибитором других белков с гемовыми группами и используется для устранения или предотвращения роста микроорганизмов в различных условиях.
Структура
У человека каталаза кодируется геном размером 34 т.п.н., который имеет 12 интронов и 13 экзонов и кодирует белок из 526 аминокислот.
Большинство изученных каталаз представляют собой тетрамерные ферменты с молекулярной массой, близкой к 240 кДа (60 кДа для каждой субъединицы), и каждый мономер связан с простетическим гемином или группой ферропротопорфирина.
Его структура состоит из четырех доменов, состоящих из вторичных структур, образованных альфа-спиралями и бета-складчатыми листами, и исследования, проведенные на ферменте печени человека и крупного рогатого скота, показали, что эти белки связаны с четырьмя молекулами НАДФН.
Эти молекулы НАДФН, по-видимому, не важны для ферментативной активности каталазы (для производства воды и кислорода из перекиси водорода), но они, по-видимому, связаны со снижением чувствительности этого фермента к высоким концентрациям его токсичный субстрат.
Домены каждой субъединицы каталазы человека:
-Глобулярное удлиненное N-концевое плечо, которое функционирует для стабилизации четвертичной структуры
-Бета-ствол из восьми антипараллельных β-складчатых листов, которые вносят часть боковых связывающих остатков в гем-группу
-Домен-конверт, который окружает внешний домен, включая группу гема и, наконец,
-Домен со структурой альфа-спирали
Четыре субъединицы с этими четырьмя доменами отвечают за образование длинного канала, размер которого имеет решающее значение для механизма распознавания перекиси водорода ферментом (который использует такие аминокислоты, как гистидин, аспарагин, глутамин и аспарагиновая кислота, чтобы Это).
Характеристики
По мнению некоторых авторов, каталаза выполняет две ферментативные функции:
-Разложение перекиси водорода на воду и молекулярный кислород (как специфическая пероксидаза).
-Окисление доноров протонов, таких как метанол, этанол, многие фенолы и муравьиная кислота, с использованием одного моля пероксида водорода (как неспецифическая пероксидаза).
-В эритроцитах большое количество каталазы, по-видимому, играет важную роль в защите гемоглобина от окислителей, таких как перекись водорода, аскорбиновая кислота, метилгидразин и другие.
Фермент, присутствующий в этих клетках, отвечает за защиту других тканей с низкой активностью каталазы от высоких концентраций перекиси водорода.
-Некоторые насекомые, такие как жук-бомбардир, используют каталазу в качестве защитного механизма, поскольку они разлагают перекись водорода и используют газообразный кислородный продукт этой реакции для ускорения выделения воды и других химических соединений в виде пара.
-У растений каталаза (также присутствует в пероксисомах) является одним из компонентов механизма фотодыхания, во время которого фосфогликолят, продуцируемый ферментом RuBisCO, используется для производства 3-фосфоглицерата.
Сопутствующие патологии у человека
Основными источниками производства субстрата каталазы, перекиси водорода, являются реакции, катализируемые ферментами оксидазы, активными формами кислорода и некоторыми опухолевыми клетками.
Это соединение участвует в воспалительных процессах, в экспрессии адгезионных молекул, в апоптозе, в регуляции агрегации тромбоцитов и контроле пролиферации клеток.
При недостатке этого фермента образуются высокие концентрации его субстрата, что вызывает повреждения клеточной мембраны, дефекты транспорта электронов в митохондриях, метаболизма гомоцистеина и ДНК.
К заболеваниям, связанным с мутациями в кодирующем гене каталазы человека, относятся:
-Сахарный диабет
-Артериальная гипертензия
-Alzheimer
-Витилиго и другие
Ссылки
- Агар, Н., Садрзаде, С., Халлавей, П., и Итон, Дж. (1986). Каталаза эритроцитов. Соматическая окислительная защита? J. Clin. Инвестировать. , 77, 319–321.
- Гот Л., Расс П. и Пай А. (2004). Мутации ферментов каталазы и их связь с заболеваниями. Молекулярная диагностика, 8 (3), 141–149.
- Киркман, Х., и Гаэтанит, Г.Ф. (1984). Каталаза: тетрамерный фермент с четырьмя прочно связанными молекулами НАДФН. Proc. Natl. Акад. Sci. USA, 81, 4343-4347.
- Киркман, HN, и Gaetani, GF (2006). Каталаза млекопитающих: древний фермент с новыми загадками. Тенденции в биохимических науках, 32 (1), 44–50.
- Rawn, JD (1998). Биохимия. Берлингтон, Массачусетс: Нил Паттерсон Паблишерс.
- Соломон, Э., Берг, Л., и Мартин, Д. (1999). Биология (5-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: издательство Saunders College.
- Вайнштейн Б., Мелик-Адамян В., Барынин В., Вагин А. и Гребенко А. (1981). Трехмерная структура фермента каталазы. Природа, 293 (1), 411-412.