Каталаза - основы, структура и применение

Каталаза – это фермент, принадлежащий к семейству оксидоредуктаз, который вырабатывается клетками вместе с супероксиддисмутазой и обладает антиоксидантным действием.

Что такое каталаза?

Каталаза является ключевым ферментом антиоксидантной защиты организма.

Ее основная функция – нейтрализация перекиси водорода (H2O2). Этот фермент катализирует превращение перекиси водорода в воду и молекулярный кислород по реакции:

2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2

Поэтому каталаза способна задерживать или ингибировать процессы окисления. 

Перекись водорода образуется в организме человека в ходе большого количества реакций и, хотя сама по себе не является свободным радикалом, она способна генерировать активные формы кислорода, такие как гидроксильный радикал.

В свою очередь, свободные радикалы могут окислять клеточные биомолекулы, включая нуклеиновые кислоты, белки и липиды, вызывая серьезные повреждения клетки. 

Вот почему так важна нейтрализация избытка перекиси водорода, и каталаза в этой связи является ферментом, невероятно важным для здоровья человека. Укрепляя антиоксидантную защиту организма, каталаза может замедлить старение и противодействовать возникновению сопутствующих заболеваний.

Разновидности

Существует несколько разновидностей каталазы, которые отличаются по своей структуре, функциям и распространенности:

1. Гомологичная каталаза. 

   Это основная форма каталазы, которая наиболее широко распространена у различных организмов. Гомологичная каталаза является гемопротеином, то есть, содержит в своей структуре гем (железистый порфириновый комплекс), который играет ключевую роль в катализе разложения H2O2. Эта форма каталазы обладает высокой активностью и способна к подавлению пероксидации липидов.

2. Пероксисомальная каталаза.

   Эта разновидность каталазы обнаружена в пероксисомах – внутриклеточных органеллах, отвечающих за разложение вредных соединений, включая H2O2. Пероксисомальная каталаза часто ассоциируется с механизмами антиоксидантной защиты и регуляцией биологических процессов в клетках. Она обладает высокой специфичностью к H2O2 и может эффективно предотвращать окислительный стресс.

3. Каталаза в цитоплазме. 

   Этот вид каталазы обнаружен в цитоплазме клеток и выполняет аналогичные функции по разложению H2O2. Она может обеспечивать защиту клеток от окислительного повреждения и контролировать уровни H2O2 внутри клеток.

Структура и механизм действия

Каталазы представляют собой тетрамеры четырех полипептидных цепей, каждая из которых содержит в структуре железосодержащую группу,  доступную через гидрофобные каналы.

Структура каталаз делает их очень стабильными, мало склонными к сворачиванию, устойчивыми в широком диапазоне pH и к термической денатурации.

Большая часть перекиси водорода, вырабатываемой в ходе клеточного метаболизма, происходит из одного из наиболее реактивных к кислороду видов, а именно супероксидного аниона O 2 ∙, который благодаря действию супероксиддисмутазы превращается в перекись водорода.

Реакция перекиси водорода с каталазой протекает по двухстадийному механизму, при котором перекись водорода поочередно окисляет и восстанавливает железистый центр связанной с ферментом гемовой группы. На первом этапе молекула H 2 O 2 окисляет железистый центр:

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

На втором этапе молекулу перекиси водорода используют в качестве восстановителя для регенерации фермента путем получения воды и молекулярного кислорода:

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

Некоторые каталазы содержат кофактор НАДФН, функция которого предотвращает образование неактивного соединения.

Регуляция экспрессии генов каталазы

В гене каталазы иденти­фицированы несколько однонуклеотидных полиморфизмов, из которых наиболее широко изучен поли­морфизм rs1001179 (C262T). Он кодируется в промоторной области и влияет на регуляцию транскрипции и сплайсинга. 

Экспрессия генов каталазы регулируется на уровне транскрипции активированным проли­фератором пероксисом рецептором g (PPARg). Известно, что PPARg – это активируемый лиган­дом транскрипционный фактор, который контролирует экспрессию гена каталазы непосредственно через PPARg-связывающие элементы в его промоторной области. Лиганды PPARg, которыми в основном яв­ляются тиазолидиндионы (сиглитазон, росиглитазон, пиоглитазон), повышают количество мРНК и ак­тивность каталазы. Целевым геном для PPARg выступает ген каталазы .

При длительном воздействии АФК снижают экспрессию каталазы путем гиперметилирования CpG-сайтов в промоторе гена каталазы. Причем АФК регулируют каталазу не только по прямому механизму, но и через транскрипционный активатор Oct-1.

Также регуляция каталазы может осуществляться белком р53 (опухолевый супрессор). При повреждении ДНК он активирует несколько генов, обусловливающих повышенное образование АФК, что способствует индукции апоптоза в клетках с поврежденной ДНК, не подлежащей репарации.

Белок р53 и его ми­шени – р53-индуцибельная рибонуклеотидредуктаза (р53R2) и р53-индуцибельный ген 3 (PIG3) – взаимодействуют с каталазой для эффективной регуляции внутриклеточных АФК в зависимости от интен­сивности окислительного стресса. В физиологических условиях антиоксидантные функции белка р53 опосредуются рибонуклеотидредуктазой р53R2, которая поддерживает повышенную активность ката­лазы и тем самым защищает клетку от эндогенных АФК.

Также ряд исследований показали, что экспрессия генов каталазы может быть стимулирована H2O2 или окисленными липидами.

Активность

Активность каталазы измеряется в единицах каталитической активности (катал), что является количеством фермента, способного разложить один микромоль перекиси водорода в течение одной минуты при определенных условиях.

Ее активность  может быть изменена в ответ на различные факторы, такие как температура, pH и наличие ингибиторов или активаторов. Например, при повышении температуры активность каталазы может увеличиваться, но при очень высоких температурах фермент может денатурировать и потерять активность.

Применение каталазы

Каталаза применяется в биотехнологии, медицине и пищевой промышленности. 

• Медицина:

  • Лечение ран и ожогов.

    В случае образования ран или ожогов воспаление и отек тканей могут привести к образованию избыточного количества перекиси водорода. Применение каталазы может помочь в удалении избыточного водорода перекиси из тканей, что снижает воспаление и ускоряет процесс заживления.

  • В стоматологии.

    Каталаза может использоваться в качестве компонента для промывания рта при заболеваниях десен или при воспалительных процессах в полости рта. Она способна ускорять разложение вредных веществ, уменьшая воспаление и облегчая процесс заживления.

• Пищевая промышленность:

  • каталаза может использоваться для улучшения качества теста, ускоряя процесс его окисления;

  • удаление остатков пероксида водорода в винах;

  • увеличение срока годности продуктов. 

• Биотехнологии.

  В биотехнологии каталаза используется в производстве пищевых добавок, в биохимических процессах, в биосенсорах и в ряде других направлений. Это позволяет улучшить производственные процессы и создать более устойчивые биологические системы.

В целом, каталаза играет важную роль в различных областях, и ее применение имеет большой потенциал.

Почему важно изучать каталазу? 

Изучение структуры и функций каталазы необходимо по ряду причин:

• Понимание механизма защиты клеток.

 Изучение каталазы позволяет понять, как она работает для разрушения перекиси водорода, предотвращая ее накопление в клетках. Эти знания необходимы для разработки методов улучшения защитных клеточных механизмов. 

• Исследование биологических процессов.

Каталаза также является объектом исследования в области биохимии и молекулярной биологии. Изучение ее структуры и функций помогает расширять наши знания о биологических процессах в клетке.

• Применение в медицине и промышленности.

Новая информация об этом ферменте может быть полезна для разработки лекарственных препаратов и биотехнологических процессов. Например, каталаза может использоваться для лечения заболеваний, связанных с окислительным стрессом, а также в биотехнологических процессах, где необходимо удалить H2O2 из продуктов.

Краткие выводы

Каталаза – ключевой антиоксидантный, который  широко распространен в природе и присутствует во всех организмах: от бактерий до человека. 

Изучение каталазы имеет большое значение для понимания ее роли в биологических процессах и возможности использования в медицинских целях, в том числе, – в лечении от патологий, вызванных окислительным стрессом. 

Список использованной литературы

1. Т.Л. Аладьева “Каталаза клетки: строение, биогенез, многообразие, функции”.

2. P. Chelikani, I. Fita and P. C. Loewen (2004) Diversity of structures and properties among catalases. Cellular and Molecular Life Sciences 61, 192-208.

3. J. A. Imlay (2003) Pathways of oxidative damage. Annual Review of Microbiology 57, 395- 418.

4. P. Nicholls, I. Fita and P. C. Loewen (2001) Enzymology and structure of catalases. Advances in Inorganic Chemistry 51, 51-106.