Các catalase là một loại enzyme oxidoreductase (H2O2: H2O2 oxidoreductase) phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Nó xúc tác, trong các mô và loại tế bào khác nhau, phản ứng "phân hủy" hydrogen peroxide thành oxy phân tử và nước.
Những quan sát đầu tiên về loại enzyme này có từ đầu những năm 1810, nhưng phải đến năm 1901, Loew mới nhận ra rằng catalase có trong hầu như tất cả các sinh vật sống hiện có và trong nhiều loại tế bào khác nhau.
Cấu trúc phân tử của enzyme Catalase (Nguồn: Vossman qua Wikimedia Commons)
Enzyme này, rất quan trọng để duy trì tính toàn vẹn của tế bào và là cơ quan điều hòa chính của quá trình chuyển hóa hydrogen peroxide, là yếu tố cơ bản để có thể khẳng định rằng trong tự nhiên có các enzyme hoạt động trên các chất nền cụ thể.
Động vật có vú và các sinh vật khác sở hữu các enzym catalase cũng có thể hoạt động như peroxidase, xúc tác phản ứng oxy hóa khử của các chất nền khác nhau bằng cách sử dụng hydrogen peroxide.
Ở hầu hết các sinh vật nhân chuẩn, enzym catalase chủ yếu được tìm thấy trong các bào quan dưới tế bào được gọi là "peroxisome", và ở người có rất nhiều tình trạng bệnh lý liên quan đến sự thiếu hụt enzym này.
nét đặc trưng
Hoạt động của các enzym như catalase có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào loại mô được xem xét. Ví dụ, ở động vật có vú, hoạt động của catalase là đáng kể ở cả thận và gan, và thấp hơn nhiều ở các mô liên kết.
Do đó, catalase ở động vật có vú chủ yếu liên kết với tất cả các mô thể hiện sự trao đổi chất hiếu khí đáng kể.
Động vật có vú sở hữu catalaza trong cả ti thể và peroxisome, và trong cả hai ngăn, chúng đều là các enzym liên kết với màng cơ quan. Ngược lại, trong hồng cầu, hoạt động của catalase gắn với một enzym hòa tan (hãy nhớ rằng hồng cầu có ít bào quan bên trong).
Catalase là một enzym có số vòng quay hoặc hằng số xúc tác cao (rất nhanh và hiệu quả) và phản ứng chung mà nó xúc tác là như sau:
2H2O2 → 2H2O + O2
Ví dụ, khi có nồng độ hydrogen peroxide thấp, catalase của động vật có vú hoạt động giống như oxidase, thay vào đó sử dụng oxy phân tử (O2) để oxy hóa các phân tử như indole và β-phenylethylamine, tiền chất của axit amin tryptophan và một chất dẫn truyền thần kinh, tương ứng.
Một số chất ức chế cạnh tranh hoạt động của catalase hiện đã được biết đến, đáng chú ý là natri azide và 3-aminotriazole. Azide, ở dạng anion, là chất ức chế mạnh mẽ các protein khác có nhóm heme và được sử dụng để loại bỏ hoặc ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật trong các điều kiện khác nhau.
Kết cấu
Ở người, catalase được mã hóa bởi gen 34 kb có 12 intron và 13 exon và mã hóa một protein 526 axit amin.
Hầu hết các catalase được nghiên cứu là các enzym tetrameric có trọng lượng phân tử gần 240 kDa (60 kDa cho mỗi tiểu đơn vị) và mỗi monome được liên kết với một nhóm hemin hoặc ferroprotoporphyrin giả.
Cấu trúc của nó được tạo thành từ bốn miền bao gồm các cấu trúc thứ cấp được hình thành bởi các vòng xoắn alpha và các tấm gấp khúc beta, và các nghiên cứu được thực hiện trong enzym gan của người và bò đã chỉ ra rằng các protein này liên kết với bốn phân tử NADPH.
Các phân tử NADPH này dường như không cần thiết cho hoạt động enzym của catalase (để sản xuất nước và oxy từ hydrogen peroxide), nhưng chúng dường như liên quan đến việc giảm tính nhạy cảm của enzym này với nồng độ cao của nó. chất nền độc hại.
Các miền của mỗi tiểu đơn vị trong catalase của người là:
- Một cánh tay đầu cuối N mở rộng không hình cầu, có chức năng ổn định cấu trúc bậc bốn
-Một thùng β gồm tám tấm gấp β đối xứng, đóng góp một số gốc liên kết bên vào nhóm heme
-Một miền "phong bì" bao quanh miền ngoài, bao gồm nhóm heme và cuối cùng
-Một miền có cấu trúc xoắn alpha
Bốn tiểu đơn vị, với bốn miền này, chịu trách nhiệm hình thành một kênh dài có kích thước rất quan trọng đối với cơ chế nhận biết hydrogen peroxide bởi enzyme (sử dụng các axit amin như histidine, asparagine, glutamine và axit aspartic để nó).
Đặc trưng
Theo một số tác giả, catalase thực hiện hai chức năng của enzym:
-Sự phân hủy của hydrogen peroxide thành nước và oxy phân tử (như một peroxidase cụ thể).
- Quá trình oxy hóa các chất cho proton, chẳng hạn như metanol, etanol, nhiều phenol và axit fomic, sử dụng một mol hydro peroxit (như một peroxidase không đặc hiệu).
-Trong hồng cầu, một lượng lớn catalase dường như đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hemoglobin chống lại các tác nhân oxy hóa, chẳng hạn như hydrogen peroxide, axit ascorbic, methylhydrazine và những chất khác.
Enzyme có trong các tế bào này chịu trách nhiệm bảo vệ các mô khác có ít hoạt tính catalase chống lại nồng độ cao của hydrogen peroxide.
-Một số loài côn trùng như bọ hung bắn phá sử dụng catalase như một cơ chế bảo vệ, vì chúng phân hủy hydrogen peroxide và sử dụng sản phẩm oxy ở dạng khí của phản ứng này để thúc đẩy sự giải phóng nước và các hợp chất hóa học khác ở dạng hơi.
- Ở thực vật, catalase (cũng có trong peroxisomes) là một trong những thành phần của cơ chế photorespiration, trong đó phosphoglycollate được tạo ra bởi enzyme RuBisCO được sử dụng để sản xuất 3-phosphoglycerate.
Các bệnh lý liên quan ở người
Các nguồn chính sản xuất cơ chất cho catalase, hydrogen peroxide, là các phản ứng được xúc tác bởi các enzym oxydase, các loại oxy phản ứng và một số tế bào khối u.
Hợp chất này tham gia vào các quá trình viêm, trong biểu hiện của các phân tử kết dính, trong quá trình apoptosis, trong việc điều hòa sự kết tập tiểu cầu và kiểm soát sự tăng sinh tế bào.
Khi thiếu hụt enzym này, nồng độ cao của cơ chất của nó sẽ được tạo ra, gây ra các tổn thương trên màng tế bào, các khiếm khuyết trong vận chuyển điện tử trong ty thể, trong chuyển hóa homocysteine và trong DNA.
Trong số các bệnh liên quan đến đột biến gen mã hóa catalase ở người là:
-Đái tháo đường
-Tăng huyết áp động mạch
-Alzheimer
-Vitiligo và những người khác
Người giới thiệu
- Agar, N., Sadrzadeh, S., Hallaway, P., & Eaton, J. (1986). Erythrocyte Catalase. Một phòng thủ ôxy hóa Somatic? J. Clin. Đầu tư. , 77, 319–321.
- Góth, L., Rass, P., & Páy, A. (2004). Các đột biến men xúc tác và mối liên hệ của chúng với bệnh tật. Chẩn đoán phân tử, 8 (3), 141–149.
- Kirkman, H., & Gaetanit, GF (1984). Catalase: Một enzym tetrameric với bốn phân tử NADPH liên kết chặt chẽ. Proc. Natl. Acad. Khoa học viễn tưởng Hoa Kỳ, 81, 4343-4347.
- Kirkman, HN, & Gaetani, GF (2006). Catalase của động vật có vú: một loại enzyme đáng kính với những bí ẩn mới. Xu hướng Khoa học Hóa sinh, 32 (1), 44–50.
- Rawn, JD (1998). Hóa sinh. Burlington, Massachusetts: Nhà xuất bản Neil Patterson.
- Solomon, E., Berg, L., & Martin, D. (1999). Sinh học (xuất bản lần thứ 5). Philadelphia, Pennsylvania: Nhà xuất bản Cao đẳng Saunders.
- Vainshtein, B., Melik-Adamyan, W., Barynin, V., Vagin, A., & Grebenko, A. (1981). Cấu trúc ba chiều của enzyme catalase. Bản chất, 293 (1), 411-412.