Katalāze ir oksidoreduktāzes enzīms (H2O2: H2O2 oksidoreduktāzes) plaši izplatīti dabā. Dažādos audos un šūnu tipos tas katalizē ūdeņraža peroksīda "sadalīšanās" reakciju molekulārajā skābeklī un ūdenī.
Pirmie šāda veida fermentu novērojumi meklējami 1810. gadu sākumā, bet tieši 1901. gadā Loew atzina, ka katalāze atrodas praktiski visos esošajos dzīvos organismos un daudzos dažādos šūnu tipos.
Fermenta katalāzes molekulārā struktūra (Avots: Vossman, izmantojot Wikimedia Commons)
Šis ferments, kas ir ārkārtīgi svarīgs šūnu integritātes uzturēšanai un ir galvenais ūdeņraža peroksīda metabolisma regulators, bija būtisks faktors, lai varētu apstiprināt, ka dabā ir fermenti, kas darbojas uz specifiskiem substrātiem.
Zīdītājiem un citiem organismiem ir katalāzes enzīmi, kas var izturēties arī kā peroksidāzes, katalizējot dažādu substrātu redoksreakcijas, izmantojot ūdeņraža peroksīdu.
Lielākajā daļā eikariotu katalāzes fermenti galvenokārt atrodami subcelulāros organellos, kas pazīstami kā "peroksisomas", un cilvēkiem ir daudz patoloģisku stāvokļu, kas saistīti ar šī enzīma deficītu.
raksturojums
Fermentu, piemēram, katalāzes, aktivitāte var ievērojami atšķirties atkarībā no aplūkojamo audu veida. Piemēram, zīdītājiem katalāzes aktivitāte ir nozīmīga gan nierēs, gan aknās, un saistaudos tā ir daudz zemāka.
Tādējādi katalāze zīdītājiem galvenokārt tiek saistīta ar visiem audiem, kas uzrāda nozīmīgu aerobo metabolismu.
Zīdītājiem ir katalāzes gan mitohondrijos, gan peroksisomās, un abos nodalījumos tie ir fermenti, kas saistīti ar organellārajām membrānām. Turpretī eritrocītos katalāzes aktivitāte ir saistīta ar šķīstošu enzīmu (atcerieties, ka eritrocītos ir maz iekšējo organellu).
Katalāze ir enzīms ar lielu apgrozījuma numuru vai katalītisko konstanti (tas ir ļoti ātrs un efektīvs), un vispārējā reakcija, ko tā katalizē, ir šāda:
2H2O2 → 2H2O + O2
Zemas ūdeņraža peroksīda koncentrācijas klātbūtnē, piemēram, zīdītāju katalāze uzvedas kā oksidāze, tā vietā izmantojot molekulāro skābekli (O2), lai oksidētu molekulas, piemēram, indolu un β-feniletilamīnu, aminoskābes triptofāna prekursorus un attiecīgi neiromediators.
Pašlaik ir zināmi daži konkurējoši katalāzes aktivitātes inhibitori, it īpaši nātrija azīds un 3-aminotriazols. Azīds anjonu formā ir spēcīgs citu olbaltumvielu ar hema grupām inhibitors, un to izmanto mikroorganismu augšanas novēršanai vai novēršanai dažādos apstākļos.
Uzbūve
Cilvēkos katalāzi kodē 34 kb gēns, kam ir 12 introni un 13 eksoni un kas kodē 526 aminoskābju olbaltumvielu.
Lielākā daļa izpētīto katalāžu ir tetrameriskie fermenti ar molekulmasu tuvu 240 kDa (60 kDa katrai apakšvienībai), un katrs monomērs ir saistīts ar protezējošu hemīna vai feroprotoporfirīna grupu.
Tās struktūru veido četri domēni, kas sastāv no sekundārām struktūrām, kuras veido alfa helikīši un beta salocītas loksnes, un pētījumi, kas veikti ar cilvēku un liellopu aknu enzīmu, ir parādījuši, ka šie proteīni ir piesaistīti četrām NADPH molekulām.
Šīs NADPH molekulas, šķiet, nav būtiskas katalāzes fermentatīvajai aktivitātei (ūdens un skābekļa ražošanai no ūdeņraža peroksīda), taču tās, šķiet, ir saistītas ar šī fermenta jutības samazināšanos pret tā koncentrācijas augstām koncentrācijām. toksisks substrāts.
Katras cilvēka katalāzes apakšvienības domēni ir:
-Neplakana pagarināta N-gala roka, kas darbojas kvartāra struktūras stabilizēšanai
- astoņu antiparalēli veidotu β-salocītu lokšņu β-stobrs, kas veido daļu no sānu saistīšanas atliekām hema grupā
- "apvalka" domēns, kas ieskauj ārējo domēnu, ieskaitot hema grupu un, visbeidzot
-Domēns ar alfa spirāles struktūru
Četras apakšvienības ar šiem četriem domēniem ir atbildīgas par garā kanāla veidošanos, kura izmērs ir kritisks fermenta ūdeņraža peroksīda atpazīšanas mehānismam (kas izmanto aminoskābes, piemēram, histidīnu, asparagīnu, glutamīnu un asparagīnskābi). tas).
Iespējas
Pēc dažu autoru domām, katalāze pilda divas fermentatīvas funkcijas:
-Ūdeņraža peroksīda sadalīšanās ūdenī un molekulārajā skābeklī (kā īpaša peroksidāze).
-Protonu donoru, piemēram, metanola, etanola, daudzu fenolu un skudrskābes, oksidēšana, izmantojot vienu mol ūdeņraža peroksīdu (kā nespecifisku peroksidāzi).
- Eritrocītos lielajam katalāzes daudzumam, šķiet, ir liela nozīme hemoglobīna aizsardzībā pret oksidētājiem, piemēram, ūdeņraža peroksīdu, askorbīnskābi, metilhidrazīnu un citiem.
Šajās šūnās esošais enzīms ir atbildīgs par citu audu, kuriem ir maza katalāzes aktivitāte, aizsardzību pret augstu ūdeņraža peroksīda koncentrāciju.
-Daži kukaiņi, piemēram, bombardieru vabole, kā aizsardzības mehānismu izmanto katalāzi, jo tie sadalās ūdeņraža peroksīdā un izmanto šīs reakcijas gāzveida skābekļa produktu, lai dzenot ūdeni un citus ķīmiskos savienojumus tvaika formā.
-Augos katalāze (arī klāt peroksisomās) ir viena no fotorespirācijas mehānisma sastāvdaļām, kuras laikā 3-fosfoglicerāta ražošanai tiek izmantots fosfoglikolāts, ko ražo ferments RuBisCO.
Saistītās patoloģijas cilvēkiem
Galvenie katalāzes substrāta, ūdeņraža peroksīda, ražošanas avoti ir reakcijas, kuras katalizē oksidāzes fermenti, reaktīvās skābekļa sugas un dažas audzēja šūnas.
Šis savienojums ir iesaistīts iekaisuma procesos, lipīgo molekulu ekspresijā, apoptozes veidošanā, trombocītu agregācijas regulēšanā un šūnu proliferācijas kontrolē.
Ja ir šī enzīma trūkumi, rodas lielas tā substrāta koncentrācijas, kas izraisa bojājumus šūnas membrānā, elektronu transporta defektus mitohondrijos, homocisteīna metabolismu un DNS.
Starp slimībām, kas saistītas ar cilvēka katalāzes kodētā gēna mutācijām, ir:
-Mellīta diabēts
-Arteriālā hipertensija
-Alcheimers
-Vitiligo un citi
Atsauces
- Agars, N., Sadrzadehs, S., Hallaway, P., & Eaton, J. (1986). Eritrocītu katalāze. Somatisko oksidētāju aizsardzība? J. Klin. Investēt. , 77, 319. – 321.
- Góth, L., Rass, P., & Páy, A. (2004). Katalāzes enzīmu mutācijas un to saistība ar slimībām. Molekulārā diagnostika, 8. (3), 141. – 149.
- Kirkmans, H., un Gaetanit, GF (1984). Katalāze: tetrameriskais enzīms ar četrām cieši saistītām NADPH molekulām. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 81, 4343-4347.
- Kirkmans, HN, un Gaetani, GF (2006). Zīdītāju katalāze: godājams enzīms ar jauniem noslēpumiem. Bioķīmisko zinātņu tendences, 32. (1), 44. – 50.
- Rawn, JD (1998). Bioķīmija. Burlingtons, Masačūsetsa: Neil Patterson Publishers.
- Zālamans, E., Bergs, L., un Martins, D. (1999). Bioloģija (5. izdevums). Filadelfija, Pensilvānija: Saunders koledžas izdevniecība.
- Vainshtein, B., Melik-Adamyan, W., Barynin, V., Vagin, A., & Grebenko, A. (1981). Fermenta katalāzes trīsdimensiju struktūra. Daba, 293 (1), 411–412.