La catalasa és un enzim oxidoreductasa (H2O2: H2O2 oxidoreductasa) àmpliament distribuïda a la natura. Catalitza, en diversos teixits i tipus de cèl·lules, la reacció de "descomposició" de l'peròxid d'hidrogen en oxigen molecular i aigua.
Les primeres observacions d'aquest tipus d'enzim es remunten al començament de la dècada de 1810, però va ser el 1901 quan Loew va reconèixer que la catalasa està present virtualment en tots els organismes vius existents i en múltiples tipus de cèl·lules diferents.
Estructura molecular de l'enzim catalasa (Font: Vossman via Wikimedia Commons)
Aquest enzim, crucial per al manteniment de la integritat cel·lular i principal regulador de el metabolisme de peròxid d'hidrogen, va ser un factor fonamental per poder afirmar que en la naturalesa hi ha enzims que actuen sobre substrats específics.
Els mamífers i altres organismes posseeixen enzims catalases que també poden comportar-se com peroxidases, catalitzant reaccions d'oxidoreducció de diferents substrats utilitzant a l'peròxid d'hidrogen.
En la major part dels eucariotes enzims catalases es troben preponderantment en orgànuls subcel·lulars coneguts com "peroxisomes", i en els humans hi ha nombroses condicions patològiques relacionades amb la deficiència d'aquest enzim.
Característiques
L'activitat d'enzims com la catalasa pot variar considerablement depenent de el tipus de teixit que es consideri. En mamífers, per exemple, l'activitat catalasa és significativa tant en els ronyons com en el fetge, i és molt menor en els teixits connectius.
De manera que la catalasa en els mamífers s'associa principalment amb tots els teixits que presenten un metabolisme aeròbic significatiu.
Els mamífers posseeixen catalases tant als mitocondris com en els peroxisomes i en tots dos compartiments són enzims associats amb les membranes organelares. En els eritròcits, per contra, l'activitat catalasa està associada amb un enzim soluble (recordeu que els eritròcits tenen escassos orgànuls interns).
La catalasa és un enzim amb un alt nombre de recanvi o constant catalítica (és molt veloç i eficient) i la reacció general que catalitza és la següent:
2H2O2 → 2H2O + O2
En presència de baixes concentracions de peròxid d'hidrogen, la catalasa de mamífers, per exemple, es comporta com una oxidasa, emprant en el seu lloc oxigen molecular (O2) per oxidar molècules com l'indol i la β-feniletilamina, precursors de l'aminoàcid triptòfan i un neurotransmissor, respectivament.
Alguns inhibidors competitius de l'activitat catalasa es coneixen en l'actualitat i entre ells destaquen la azida de sodi i el 3-aminotriazol. L'azida, en la seva forma aniònica, és un potent inhibidor d'altres proteïnes amb grups hemo i és emprada per a l'eliminació o prevenció de l'creixement de microorganismes en diferents condicions.
estructura
En els humans, la catalasa és codificada per un gen de 34 kb que posseeix 12 introns i 13 exons i que codifica per una proteïna de 526 aminoàcids.
La majoria de les catalases estudiades són enzims tetraméricas amb un pes molecular proper als 240 kDa (60 kDa per cada subunitat) i cada monòmer està associat amb un grup prostètic hemina o ferroprotoporfirina.
La seva estructura està conformada per quatre dominis compostos per estructures secundàries formades per hèlixs alfa i làmines β-plegades, i estudis realitzats en l'enzim de fetge d'humans i bovins han demostrat que aquestes proteïnes estan unides a quatre molècules de NADPH.
Aquestes molècules de NADPH no semblen ser essencials per a l'activitat enzimàtica de la catalasa (per a la producció d'aigua i oxigen a partir de peròxid d'hidrogen), però sí que sembla relacionar-se amb una disminució de la susceptibilitat d'aquest enzim enfront de elevades concentracions de la seva tòxic substrat.
Els dominis de cada subunitat a la catalasa d'humans són:
-Un braç N-terminal estès no-globular, que funciona per a l'estabilització de l'estructura quaternària
-Un β-barril de vuit làmines β-plegades antiparal·leles, que aporten alguns dels residus d'unió lateral a el grup hemo
-Un domini de "embolcall" que envolta el domini exterior, incloent a el grup hemo i, finalment
-Un domini amb estructura d'hèlix alfa
Les quatre subunitats, amb aquests quatre dominis, s'encarreguen de la formació d'un llarg canal que pesa crític per al mecanisme de reconeixement de l'peròxid d'hidrogen per part de l'enzim (que empra aminoàcids com histidina, asparagina, glutamina i àcid aspàrtic per això).
funcions
Segons alguns autors, la catalasa compleix dues funcions enzimàtiques:
-La descomposició de l'peròxid d'hidrogen en aigua i oxigen molecular (com una peroxidasa específica).
-La oxidació de donadors de protons, com ara el metanol, etanol, molts fenols i àcid fòrmic, emprant un mol de peròxid d'hidrogen (com una peroxidasa inespecífica).
-En els eritròcits, la gran quantitat de catalasa sembla jugar un paper important en la protecció de l'hemoglobina front agents oxidants, com el peròxid d'hidrogen, l'àcid ascòrbic, la metilhidrazina i altres.
L'enzim present en aquestes cèl·lules s'encarrega de la defensa d'altres teixits amb poca activitat catalasa davant elevades concentracions de peròxid d'hidrogen.
-Alguns insectes com l'escarabat bombarder usen la catalasa com a mecanisme de defensa, ja que descomponen el peròxid d'hidrogen i empren l'oxigen gasós producte d'aquesta reacció per propulsar la sortida d'aigua i altres compostos químics en forma de vapor.
-En les plantes, la catalasa (també present en els peroxisomes) és un dels components de l'mecanisme de la fotorespiració, durant el qual el fosfoglicolato produït per l'enzim RuBisCO és emprat per a la producció de 3-fosfoglicerat.
Patologies relacionades en humans
Les principals fonts de producció d'el substrat de la catalasa, el peròxid d'hidrogen, són les reaccions catalitzades per enzims oxidases, espècies reactives d'oxigen i algunes cèl·lules tumorals.
Aquest compost està implicat en els processos inflamatoris, en l'expressió de molècules adhesives, en l'apoptosi, en la regulació de l'agregació de les plaquetes i en el control de la proliferació cel·lular.
Quan hi ha deficiències d'aquest enzim es generen elevades concentracions del seu substrat, el que produeix lesions a la membrana cel·lular, defectes en el transport electrònic a les mitocòndries, en el metabolisme de la homocisteïna i en l'ADN.
Entre les malalties associades amb mutacions en el gen codificant per a la catalasa d'humans es poden esmentar:
-diabetis mellitus
-hipertensió arterial
-Alzheimer
-Vitiligo i altres
referències
- Agar, N., Sadrzadeh, S., Hallaway, P., & Eaton, J. (1986). Erythrocyte Catalase. A Somatic Oxidant Defense? J. Clin. Invest., 77, 319-321.
- Goth, L., Rass, P., & pay, A. (2004). Catalase Enzyme Mutations and their Association with Diseases. Molecular Diagnosi, 8 (3), 141-149.
- Kirkman, H., & Gaetanit, GF (1984). Catalase: A tetrameric enzyme with four Tightly bound molecules of NADPH. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 81, 4343-4347.
- Kirkman, HN, & Gaetani, GF (2006). Mammalian catalase: a venerable enzyme with new mysteries. Trends in Biochemical Sciences, 32 (1), 44-50.
- Rawn, JD (1998). Bioquímica. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
- Solomon, I., Berg, L., & Martin, D. (1999). Biology (5th ed.). Philadelphia, Pennsylvania: Saunders College Publishing.
- Vainshtein, B., Melik-Adamyan, W., Barynin, V., Vagin, A., & Grebenko, A. (1981). Three-dimensional structure of the enzyme catalase. Nature, 293 (1), 411-412.