De catalase een oxidoreductase enzym (H2O2: H2O2 oxidoreductase) wijd verspreid in de natuur. Het katalyseert in verschillende weefsels en celtypen de "afbraak" -reactie van waterstofperoxide in moleculaire zuurstof en water.
De eerste waarnemingen van dit type enzym dateren uit het begin van de jaren 1810, maar het was in 1901 dat Loew erkende dat catalase aanwezig is in vrijwel alle bestaande levende organismen en in meerdere verschillende celtypen.
Moleculaire structuur van het enzym Catalase (Bron: Vossman via Wikimedia Commons)
Dit enzym, cruciaal voor het behoud van cellulaire integriteit en de belangrijkste regulator van het waterstofperoxidemetabolisme, was een fundamentele factor om te kunnen bevestigen dat er in de natuur enzymen zijn die op specifieke substraten werken.
Zoogdieren en andere organismen bezitten catalase-enzymen die zich ook als peroxidasen kunnen gedragen en redoxreacties van verschillende substraten met behulp van waterstofperoxide katalyseren.
Bij de meeste eukaryoten worden catalase-enzymen voornamelijk aangetroffen in subcellulaire organellen die bekend staan als "peroxisomen", en bij mensen zijn er talrijke pathologische aandoeningen die verband houden met de deficiëntie van dit enzym.
kenmerken
De activiteit van enzymen zoals catalase kan aanzienlijk variëren, afhankelijk van het type weefsel dat wordt overwogen. Bij zoogdieren is de katalase-activiteit bijvoorbeeld significant in zowel de nieren als de lever en veel lager in het bindweefsel.
Catalase bij zoogdieren wordt dus primair geassocieerd met alle weefsels die een significant aëroob metabolisme vertonen.
Zoogdieren bezitten catalasen in zowel mitochondriën als peroxisomen, en in beide compartimenten zijn het enzymen die geassocieerd zijn met organellaire membranen. In erytrocyten daarentegen wordt de katalase-activiteit geassocieerd met een oplosbaar enzym (onthoud dat erytrocyten weinig interne organellen hebben).
Catalase is een enzym met een hoog omzettingsgetal of katalytische constante (het is erg snel en efficiënt) en de algemene reactie die het katalyseert is de volgende:
2H2O2 → 2H2O + O2
In de aanwezigheid van lage concentraties waterstofperoxide gedraagt zoogdierlijke catalase zich bijvoorbeeld als een oxidase, waarbij in plaats daarvan moleculaire zuurstof (O2) wordt gebruikt om moleculen zoals indool en β-fenylethylamine, voorlopers van het aminozuur tryptofaan en een neurotransmitter.
Er zijn momenteel enkele competitieve remmers van catalase-activiteit bekend, met name natriumazide en 3-aminotriazol. Azide, in zijn anionische vorm, is een krachtige remmer van andere eiwitten met heemgroepen en wordt gebruikt om de groei van micro-organismen onder verschillende omstandigheden te elimineren of te voorkomen.
Structuur
Bij mensen wordt catalase gecodeerd door een gen van 34 kb dat 12 introns en 13 exons heeft en codeert voor een eiwit van 526 aminozuren.
De meeste van de bestudeerde catalasen zijn tetramere enzymen met een molecuulgewicht dichtbij 240 kDa (60 kDa voor elke subeenheid) en elk monomeer is geassocieerd met een prothetische hemine- of ferroprotoporfyrinegroep.
De structuur is opgebouwd uit vier domeinen die bestaan uit secundaire structuren gevormd door alfa-helices en beta-gevouwen vellen, en studies uitgevoerd in het leverenzym van mensen en runderen hebben aangetoond dat deze eiwitten zijn gebonden aan vier NADPH-moleculen.
Deze NADPH-moleculen lijken niet essentieel te zijn voor de enzymatische activiteit van catalase (voor de productie van water en zuurstof uit waterstofperoxide), maar ze lijken wel verband te houden met een afname van de gevoeligheid van dit enzym voor hoge concentraties van zijn giftig substraat.
De domeinen van elke subeenheid in menselijke catalase zijn:
-Een niet-bolvormige verlengde N-terminale arm, die functioneert voor de stabilisatie van de quartaire structuur
-Een β-barrel van acht antiparallel β-gevouwen vellen, die een deel van de laterale bindingsresiduen bijdragen aan de heemgroep
-Een "envelop" -domein dat het buitendomein omgeeft, inclusief de heemgroep en tenslotte
-Een domein met alfa-helixstructuur
De vier subeenheden, met deze vier domeinen, zijn verantwoordelijk voor de vorming van een lang kanaal waarvan de grootte cruciaal is voor het mechanisme van herkenning van waterstofperoxide door het enzym (dat aminozuren zoals histidine, asparagine, glutamine en asparaginezuur gebruikt om het).
Kenmerken
Volgens sommige auteurs vervult catalase twee enzymatische functies:
-De ontleding van waterstofperoxide in water en moleculaire zuurstof (als een specifieke peroxidase).
-Oxidering van protondonoren, zoals methanol, ethanol, veel fenolen en mierenzuur, met behulp van één mol waterstofperoxide (als een niet-specifieke peroxidase).
-In erytrocyten lijkt de grote hoeveelheid catalase een belangrijke rol te spelen bij de bescherming van hemoglobine tegen oxidatiemiddelen, zoals waterstofperoxide, ascorbinezuur, methylhydrazine en andere.
Het enzym dat in deze cellen aanwezig is, is verantwoordelijk voor de verdediging van andere weefsels met weinig katalase-activiteit tegen hoge concentraties waterstofperoxide.
-Sommige insecten, zoals de bombardierkever, gebruiken catalase als een verdedigingsmechanisme, omdat ze waterstofperoxide afbreken en het gasvormige zuurstofproduct van deze reactie gebruiken om het vrijkomen van water en andere chemische verbindingen in de vorm van damp te stimuleren.
-In planten is catalase (ook aanwezig in peroxisomen) een van de componenten van het fotorespiratiemechanisme, waarbij het fosfoglycolaat geproduceerd door het enzym RuBisCO wordt gebruikt voor de productie van 3-fosfoglyceraat.
Gerelateerde pathologieën bij mensen
De belangrijkste bronnen voor de productie van het substraat voor catalase, waterstofperoxide, zijn reacties die worden gekatalyseerd door oxidase-enzymen, reactieve zuurstofsoorten en sommige tumorcellen.
Deze verbinding is betrokken bij ontstekingsprocessen, bij de expressie van adhesieve moleculen, bij apoptose, bij de regulatie van bloedplaatjesaggregatie en bij de controle van celproliferatie.
Wanneer er tekorten aan dit enzym zijn, worden hoge concentraties van het substraat gegenereerd, wat laesies in het celmembraan, defecten in het elektronentransport in mitochondriën, in het homocysteïnemetabolisme en in het DNA veroorzaakt.
Onder de ziekten die verband houden met mutaties in het coderende gen voor humane catalase zijn:
-Mellitus diabetes
-Arteriële hypertensie
-Alzheimer
-Vitiligo en anderen
Referenties
- Agar, N., Sadrzadeh, S., Hallaway, P., & Eaton, J. (1986). Erythrocyte Catalase. Een somatische oxidantverdediging? J. Clin. Investeren. , 77, 319-321.
- Góth, L., Rass, P., & Páy, A. (2004). Catalase-enzymmutaties en hun associatie met ziekten. Moleculaire diagnose, 8 (3), 141–149.
- Kirkman, H., en Gaetanit, GF (1984). Catalase: een tetrameer enzym met vier strak gebonden moleculen van NADPH. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 81, 4343-4347.
- Kirkman, HN en Gaetani, GF (2006). Mammalian catalase: een eerbiedwaardig enzym met nieuwe mysteries. Trends in Biochemical Sciences, 32 (1), 44-50.
- Rawn, JD (1998). Biochemie. Burlington, Massachusetts: uitgevers Neil Patterson.
- Solomon, E., Berg, L., en Martin, D. (1999). Biology (5e ed.). Philadelphia, Pennsylvania: Saunders College Publishing.
- Vainshtein, B., Melik-Adamyan, W., Barynin, V., Vagin, A., & Grebenko, A. (1981). Driedimensionale structuur van het enzym catalase. Nature, 293 (1), 411-412.