Catalase - Catalase

Catalase
PDB 7cat EBI.jpg
Identifikatorer
Symbol Catalase
Pfam PF00199
InterPro IPR011614
PROSIT PDOC00395
SCOP2 7cat / SCOPe / SUPFAM
OPM superfamilie 370
OPM -protein 3e4w
CDD cd00328
Catalase
Identifikatorer
EF -nr. 1.11.1.6
CAS -nr. 9001-05-2
Databaser
IntEnz IntEnz -visning
BRENDA BRENDA indgang
ExPASy NiceZyme udsigt
KEGG KEGG -indtastning
MetaCyc metabolisk vej
PRIAM profil
PDB -strukturer RCSB PDB PDBe PDBsum
Genontologi AmiGO / QuickGO
katalase
Identifikatorer
Aliaser
Eksterne ID'er GeneCards : [1]
Ortologer
Arter Human Mus
Entrez

n/a

n/a
Ensembl

n/a

n/a
UniProt

n
a

n/a
RefSeq (mRNA)

n/a

n/a
RefSeq (protein)

n/a

n/a
Placering (UCSC) n/a n/a
PubMed søgning n/a n/a
Wikidata
Se/rediger menneske

Catalase er et almindeligt enzym, der findes i næsten alle levende organismer udsat for ilt (såsom bakterier , planter og dyr), som katalyserer nedbrydning af hydrogenperoxid til vand og ilt . Det er et meget vigtigt enzym til at beskytte cellen mod oxidativ skade af reaktive iltarter (ROS). På samme måde har catalase et af de højeste omsætningstal for alle enzymer; et katalasemolekyle kan omdanne millioner af hydrogenperoxidmolekyler til vand og ilt hvert sekund.

Catalase er en tetramer af fire polypeptidkæder, hver over 500 aminosyrer lange. Den indeholder fire jernholdige hæmgrupper , der tillader enzymet at reagere med hydrogenperoxid. Den optimale pH for human katalase er cirka 7 og har et ret bredt maksimum: reaktionshastigheden ændres ikke mærkbart mellem pH 6,8 og 7,5. Den optimale pH -værdi for andre katalaser varierer mellem 4 og 11 afhængigt af arten. Den optimale temperatur varierer også efter art.

Struktur

Human catalase danner en tetramer sammensat af fire underenheder , der hver konceptuelt kan opdeles i fire domæner. Den omfattende kerne af hver underenhed genereres af en otte-strenget antiparallel b-tønde (b1-8), med tilslutning til nærmeste nabo afgrænset af b-tønde sløjfer på den ene side og a9 sløjfer på den anden. Et spiralformet domæne på den ene side af b-tønden er sammensat af fire C-terminale spiraler (a16, a17, a18 og a19) og fire spiraler afledt af rester mellem b4 og b5 (a4, a5, a6 og a7). Alternativ splejsning kan resultere i forskellige proteinvarianter.

Historie

Katalase blev først bemærket i 1818 af Louis Jacques Thénard , som opdagede hydrogenperoxid (H 2 O 2 ). Thénard foreslog, at nedbrydningen skyldtes et ukendt stof. I 1900 var Oscar Loew den første til at give den navnet catalase og fandt den i mange planter og dyr. I 1937 blev katalase fra okselever krystalliseret af James B. Sumner og Alexander Dounce, og molekylvægten blev fundet i 1938.

Den aminosyresekvens sekvens af bovint katalase blev bestemt i 1969, og den tredimensionelle struktur i 1981.

Fungere

Reaktion

2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2

Tilstedeværelsen af ​​katalase i en mikrobiel eller vævsprøve kan påvises ved at tilsætte hydrogenperoxid og observere reaktionen. Produktionen af ilt kan ses ved dannelse af bobler. Denne lette test, der kan ses med det blotte øje, uden hjælp af instrumenter, er mulig, fordi catalase har en meget høj specifik aktivitet , som frembringer en påviselig reaktion, samt det faktum, at et af produkterne er en gas.

Molekylær mekanisme

Selvom den komplette mekanisme for katalase i øjeblikket ikke er kendt, menes reaktionen at forekomme i to faser:

H 2 O 2 + Fe (III) -E → H 2 O + O = Fe (IV) -E (. +)
H 2 O 2 + O = Fe (IV) -E (. +) → H 2 O + Fe (III) -E + O 2

Her Fe () - E betegner jern midten af hæm bundet til enzymet. Fe (IV) -E (. +) Er en mesomer form af Fe (V) -E, hvilket betyder, at jernet ikke er helt oxideret til +V, men modtager en vis stabiliserende elektrontæthed fra hæmliganden, som derefter vises som en radikal kation (.+).

Hydrogenperoxid ind i aktive sted , det interagerer med aminosyrer Asn148 ( asparagin i position 148) og His75 , forårsager en proton (hydrogen ion ) til overførsel mellem oxygenatomer. Det frie oxygenatom koordinerer, frigør det nydannede vandmolekyle og Fe (IV) = O. Fe (IV) = O reagerer med et andet hydrogenperoxidmolekyle for at reformere Fe (III) -E og producere vand og ilt. Reaktiviteten af jern center kan forbedres ved tilstedeværelsen af phenolat ligand af Tyr358 i femte koordinering position, som kan bidrage til oxidation af Fe (III) til Fe (IV). Reaktionens effektivitet kan også forbedres ved interaktionerne mellem His75 og Asn148 med reaktionsmellemprodukter . Nedbrydningen af ​​hydrogenperoxid ved hjælp af katalase forløber i henhold til førsteordens kinetik, idet hastigheden er proportional med hydrogenperoxidkoncentrationen.

Catalase kan også katalysere oxidation, ved hydrogenperoxid , af forskellige metabolitter og toksiner, herunder formaldehyd , myresyre , phenoler , acetaldehyd og alkoholer . Det gør det i henhold til følgende reaktion:

H 2 O 2 + H 2 R → 2 H 2 O + R

Den nøjagtige mekanisme for denne reaktion kendes ikke.

Enhver tungmetalion (såsom kobberkationer i kobber (II) sulfat ) kan fungere som en ikke -konkurrencedygtig inhibitor af katalase. Imidlertid kan "kobbermangel føre til en reduktion i katalaseaktivitet i væv, såsom hjerte og lever." Endvidere giften cyanid er en ikke-konkurrerende inhibitor af katalase ved høje koncentrationer af hydrogenperoxid . Arsenat fungerer som en aktivator . Tredimensionelle proteinstrukturer af de peroxiderede katalasemellemprodukter er tilgængelige i Proteindatabanken .

Mobil rolle

Hydrogenperoxid er et skadeligt biprodukt af mange normale metaboliske processer; for at forhindre skader på celler og væv, skal det hurtigt omdannes til andre, mindre farlige stoffer. Til dette formål bruges katalase ofte af celler til hurtigt at katalysere nedbrydningen af hydrogenperoxid til mindre reaktive gasformige oxygen- og vandmolekyler.

Mus, der er genetisk manipuleret til at mangle katalase, er oprindeligt fænotypisk normale. Dog kan katalasemangel hos mus øge sandsynligheden for at udvikle fedme , fedtlever og type 2 -diabetes . Nogle mennesker har meget lave niveauer af katalase ( acatalasi ), men viser dog få dårlige virkninger.

Den øgede oxidative stress, der opstår med aldring hos mus, lindres ved overekspression af katalase. Over-udtrykkende mus udviser ikke den aldersrelateret tab af spermatozoer , testikel kim og Sertoli-celler ses i vildtype-mus. Oxidativ stress i vildtype mus fremkalder normalt oxidativ DNA-skade (målt som 8-oxodG ) i sædceller med ældning, men disse skader reduceres betydeligt i ældre katalase-overekspresserende mus. Desuden viser disse overudtrykkende mus ikke noget fald i aldersafhængigt antal unger pr. Kuld. Overekspression af katalase målrettet mod mitokondrier forlænger musens levetid.

Catalase er normalt placeret i en cellulær organel kaldet peroxisomet . Peroxisomer i planteceller er involveret i fotorespiration (brug af ilt og produktion af kuldioxid) og symbiotisk nitrogenfiksering (nedbrydning af diatomisk nitrogen (N 2 ) til reaktive nitrogenatomer). Hydrogenperoxid bruges som et stærkt antimikrobielt middel, når celler inficeres med et patogen. Catalase-positive patogener, såsom Mycobacterium tuberculosis , Legionella pneumophila og Campylobacter jejuni , får katalase til at deaktivere peroxidradikaler og dermed tillade dem at overleve uskadt i værten .

Ligesom alkoholdehydrogenase omdanner katalase ethanol til acetaldehyd, men det er usandsynligt, at denne reaktion er fysiologisk signifikant.

Fordeling mellem organismer

Langt de fleste kendte organismer anvender katalase i hvert organ , hvor især høje koncentrationer forekommer i leveren hos pattedyr. Catalase findes primært i peroxisomer og cytosol af erythrocytter (og nogle gange i mitokondrier )

Næsten alle aerobe mikroorganismer bruger katalase. Det er også til stede i nogle anaerobe mikroorganismer , såsom Methanosarcina barkeri . Catalase er også universel blandt planter og forekommer i de fleste svampe .

En unik anvendelse af katalase forekommer i bombardierbille . Denne bille har to sæt væsker, der opbevares separat i to parrede kirtler. Den største af parret, lagerkammeret eller reservoiret, indeholder hydroquinoner og hydrogenperoxid, mens det mindre, reaktionskammeret, indeholder katalaser og peroxidaser . For at aktivere den skadelige spray blander billen indholdet i de to rum, hvilket får ilt til at frigøres fra hydrogenperoxid. Iltet oxiderer hydroquinoner og fungerer også som drivmiddel. Oxidationsreaktionen er meget eksoterm (ΔH = -202,8 kJ/mol) og opvarmer hurtigt blandingen til kogepunktet.

Langlivede dronninger af termitten Reticulitermes speratus har betydeligt lavere oxidativ skade på deres DNA end ikke-reproduktive individer (arbejdere og soldater). Dronninger har mere end to gange højere katalaseaktivitet og syv gange højere ekspressionsniveauer af katalasegenet RsCAT1 end arbejdere. Det ser ud til, at termitdronningernes effektive antioxidantkapacitet delvis kan forklare, hvordan de opnår længere levetid.

Catalaseenzymer fra forskellige arter har meget forskellige optimale temperaturer. Poikilotermiske dyr har typisk katalaser med optimale temperaturer i området 15-25 ° C, mens pattedyr- eller fuglekatalaser kan have optimale temperaturer over 35 ° C, og katalaser fra planter varierer afhængigt af deres vækstvaner . I modsætning hertil katalase isoleret fra hypertermofil archaeon Pyrobaculum calidifontis har et temperaturoptimum på 90 ° C.

Klinisk betydning og anvendelse

Brintoverilte

Catalase bruges i fødevareindustrien til at fjerne hydrogenperoxid fra mælk før osteproduktion . En anden anvendelse er i madindpakninger, hvor det forhindrer mad i at oxidere . Catalase bruges også i tekstilindustrien og fjerner hydrogenperoxid fra tekstiler for at sikre, at materialet er peroxidfrit.

En mindre brug er i kontaktlinsehygiejne -et par linserengøringsprodukter desinficerer linsen ved hjælp af en hydrogenperoxidopløsning; en opløsning indeholdende katalase anvendes derefter til at nedbryde hydrogenperoxidet, før linsen bruges igen.

Bakteriel identifikation (katalasetest)

Positiv katalasereaktion

Katalasetesten er en af ​​de tre hovedtest, der bruges af mikrobiologer til at identificere bakteriearter. Hvis bakterierne besidder katalase (dvs. er catalase-positiv), når en lille mængde af bakteriel isolat tilsættes til hydrogenperoxid, bobler af oxygen overholdes. Katalasetesten udføres ved at placere en dråbe hydrogenperoxid på et objektglas . En applikatorpind røres til kolonien, og spidsen smøres derefter på hydrogenperoxiddråben.

Selvom katalasetesten alene ikke kan identificere en bestemt organisme, kan den hjælpe med identifikation, når den kombineres med andre tests, såsom antibiotikaresistens. Tilstedeværelsen af ​​katalase i bakterieceller afhænger af både vækstbetingelsen og det medium, der bruges til at dyrke cellerne.

Kapillarrør kan også anvendes. En lille prøve af bakterier opsamles for enden af ​​kapillarrøret uden at blokere røret for at undgå falske negative resultater. Den modsatte ende dyppes derefter i hydrogenperoxid, som trækkes ind i røret gennem kapillærvirkning og vendes på hovedet, så bakterieprøven peger nedad. Hånden, der holder røret, tappes derefter på bænken og flytter hydrogenperoxidet ned, indtil det rører bakterierne. Hvis der dannes bobler ved kontakt, indikerer dette et positivt katalaseresultat. Denne test kan påvise katalasepositive bakterier ved koncentrationer over ca. 10 5 celler/ml og er enkel at bruge.

Bakteriel virulens

Neutrofiler og andre fagocytter bruger peroxid til at dræbe bakterier. Enzymet NADPH oxidase genererer superoxid i fagosomet , som via hydrogenperoxid omdannes til andre oxiderende stoffer som hypochlorsyre, der dræber fagocytoserede patogener. Hos personer med kronisk granulomatøs sygdom (CGD) er der en defekt ved fremstilling af peroxid via mutationer i fagocytoxidaser såsom myeloperoxidase . Normal cellulær metabolisme vil stadig producere en lille mængde peroxid, og dette peroxid kan bruges til at producere hypochlorsyre til at udrydde den bakterielle infektion. Men hvis personer med CGD er inficeret med katalasepositive bakterier, kan bakteriekatalasen ødelægge det overskydende peroxid, før det kan bruges til at producere andre oxiderende stoffer. Hos disse individer overlever patogenet og bliver til en kronisk infektion. Denne kroniske infektion er typisk omgivet af makrofager i et forsøg på at isolere infektionen. Denne væg af makrofager, der omgiver et patogen, kaldes et granulom . Mange bakterier er katalasepositive, men nogle er bedre katalaseproducenter end andre. Mnemonic kan bruges til at huske de katalasepositive bakterier (og Candida og Aspergillus, som er svampe): nocardia , pseudomonas , listeria , aspergillus , candida , E. coli , staphylococcus , serratia , B. cepacia og H. pylori .

Akatalasi

Akatalasi er en tilstand forårsaget af homozygote mutationer i CAT, hvilket resulterer i mangel på katalase. Symptomerne er milde og omfatter orale sår. En heterozygot CAT -mutation resulterer i lavere, men stadig tilstedeværende katalase.

gråt hår

Lave niveauer af katalase kan spille en rolle i gråningsprocessen af menneskehår. Hydrogenperoxid produceres naturligt af kroppen og nedbrydes af katalase. Hvis katalaseniveauer falder, kan hydrogenperoxid ikke nedbrydes så godt. Hydrogenperoxidet forstyrrer produktionen af melanin , pigmentet, der giver håret farve.

Interaktioner

Catalase har vist sig at interagere med ABL2- og Abl -generne . Infektion med murine leukæmivirus får katalaseaktivitet til at falde i lunger, hjerte og nyrer hos mus. Omvendt øgede fiskeolie i kosten katalaseaktivitet i hjertet og nyrerne hos mus.

Se også

Referencer

eksterne links