Catalase

Cataliza a descomposición do peróxido de hidróxeno en auga e oxíxeno. A catalase ten un dos números de recambio ou k_cat máis altos entre os encimas, xa que unha molécula de catalase pode converter 6 millóns de moléculas de peróxido de hidróxeno en auga e oxíxeno por segundo.

Catalase
Identificadores
Símbolo	Catalase
Pfam	PF00199
InterPro	IPR011614
PROSITE	PDOC00395
SCOPe	7cat / SUPFAM
OPM superfamily	435
OPM protein	3e4w
CDD	cd00328
Estruturas proteicas dispoñibles: Pfam   estruturas / ECOD   PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum resumo de estruturas

A catalase é un encima formado por catro cadeas polipeptídicas (tetrámero), cada unha de aproximadamente 500 aminoácidos. Contén catro grupos hemo (con ferro) porfirínicos, que lle permiten ao encima reaccionar co peróxido de hidróxeno. O pH óptimo da catalase humana é de aproximadamente 7, e ten un máximo bastante amplo (a taxa da reacción non cambia apreciablemente entre os pHs 6,8 e 7,5). O pH óptimo doutras catalases varía entre 4 e 11 dependendo da especie. A temperatura óptima varía tamén coa especie.

A presenza da catalase non foi detectada ata 1811 cando Louis Jacques Thénard, que descubriu o H₂O₂ (peróxido de hidróxeno), suxeriu que a súa degradación se producía por acción dunha substancia descoñecida. En 1900, Oscar Loew foi o primeiro que lle deu nome a esta substancia, chamándolle catalase, e encontrouna en moitos animais e plantas. En 1937 a catalase do fígado bovino foi cristalizada por James Batcheller Sumner e Alexander Dounce e o seu peso molecular foi calculado no ano 1938.

En 1969, determinouse a secuencia de aminoácidos da catalase bovina. Despois en 1981, dilucidouse a estrutura tridimensional desta proteína.

A reacción da catalase na descomposición dos tecidos vivos é:

2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂

A presenza da catalase nunha mostra de tecidos ou microbiana pode ser comprobada engadindo un volume de peróxido de hidróxeno e observando a reacción que se produce. A formación de burbullas de oxíxeno indica un resultado positivo. Este sinxelo ensaio, cuxos resultados poden verse a simple vista, sen axuda de instrumentos, é posible porque a catalase ten unha alta actividade específica, que produce unha resposta detectable visualmente.

Non se coñece o mecanismo completo utilizado pola catalase, pero a reacción química crese que ocorre en dúas fases:

H₂O₂ + Fe(III)-E → H₂O + O=Fe(IV)-E(.+)

H₂O₂ + O=Fe(IV)-E(.+) → H₂O + Fe(III)-E + O₂

Aquí Fe()-E representa o centro de ferro do grupo hemo unido ao encima. Fe(IV)-E(.+) é a forma mesomérica de Fe(V)-E, que significa que o ferro non está completamente oxidado a +V, pero recibe algúns "electróns de apoio" do ligando do hemo. Este hemo funciona despois como un catión radical (·+).

Cando o peróxido de hidróxeno entra no sitio activo, interacciona cos aminoácidos Asn147 (asparaxina na posición 147) e His74, causando que se transfira un protón (ión hidróxeno, H⁺) entre os átomos de oxíxeno. O átomo libre de oxíxeno coordínase, liberando a molécula de auga que se acaba de formar e Fe(IV)=O. O Fe(IV)=O reacciona cunha segunda molécula de peróxido de hidróxeno para volver a formar o Fe(III)-E e producir auga e oxíxeno. A reactividade do centro de ferro intensifícase pola presenza do ligando fenolato da Tyr357 na 5ª posición do ligando ferro, o cal pode axudar na oxidación do Fe(III) a Fe(IV). A eficiencia da reacción tamén mellora polas interaccións da His74 e Asn147 con intermediatos da reacción. En xeral, a taxa de reacción pode determinarse pola ecuación de Michaelis-Menten.

A catalase pode tamén catalizar a oxidación por parte do peróxido de hidróxeno de varios metabolitos e toxinas, como o formaldehido, ácido fórmico, fenois, acetaldehido e alcohois. Actúa seguindo a seguinte reacción:

H₂O₂ + H₂R → 2H₂O + R

O mecanismo exacto desta reacción non se coñece.

Calquera ión de metal pesado (como os catións de cobre do sulfato de cobre(II)) pode actuar como un inhibidor non competitivo da catalase. Ademais, o veleno cianuro é un inhibidor competitivo da catalase, que se une fortemente ao hemo da catalase e detén a actividade do encima.

As estruturas proteicas tridimensionais dos intermediarios da catalase peroxidados están dispoñibles no Protein Data Bank. Este encima utilízase correntemente nos laboratorios como unha ferramenta para estudar o efecto dos encimas sobre as taxas de reacción.

O peróxido de hidróxeno é un subproduto daniño de moitos procesos metabólicos normais. Para previr danos nas células e tecidos, debe ser convertido rapidamente noutras substancias menos perigosas. Para facelo, as células utilizan frecuentemente a catalase para catalizar rapidamente a descomposición do peróxido de hidróxeno orixinando o menos reactivo oxíxeno gasoso e moléculas de auga.

A verdadeira importancia biolóxica da catalase non sempe é sinxela de avaliar: Os ratos modificados xeneticamete para que carezan de catalase son fenotipicamente normais, o que indica que este encima non é imprescindible nos animais en certas condicións. Unha deficiencia en catalase pode incrementar a probabilidade de desenvolver diabetes mellitus tipo 2. Algúns humanos teñen niveis moi baixos de catalase (acatalasia), pero mostran poucos efectos prexudiciais. Ademais da catalase, outras moléculas que eliminan o H₂O₂ nas células de mamíferos normais son as peroxirredoxinas.

A catalase humana funciona a unha temperatura óptima de 37 °C, que é aproximadamente a temperatura do corpo humano. Polo contrario, a catalase illada da arquea hipertermófila Pyrobaculum calidifontis ten unha temperatura óptima de 90 °C.

A catalase localízase xeralmente nun orgánulo celular chamado peroxisoma. Os peroxisomas das células das plantas están implicados na fotorrespiración (no que se usa oxíxeno e a produce dióxido de carbono) e na fixación do nitróxeno simbiótica (a rotura de moléculas diatómicas de nitróxeno, N₂, formando átomos de nitróxeno reactivos). O peróxido de hidróxeno utilízase como un potente axente antimicrobiano cando as células son infectadas por patóxenos. Os patóxenos catalase positivos, como o Mycobacterium tuberculosis, Legionella pneumophila, e Campylobacter jejuni, fan que a catalase desactive os radicais peróxido, o que lles permite sobrevivir sen sufrir danos dentro do hóspede.

A catalase contribúe ao metabolismo do etanol no corpo despois da inxestión de alcohol, mais só degrada unha pequena fracción do alcohol do corpo.

Os animais utilizan a catalase en todos os seus órganos, con concentracións especialmente altas no fígado. Un caso especial do uso da catalase dáse no escaravello bombardeiro. Este escaravello ten unhas glándulas pares nas que almacena dous conxuntos de substancias, normalmente por separado. A glándula máis grande do par, chamada cámara de almacenamento ou depósito, contén hidroquinonas e peróxido de hidróxeno, e a glándula máis pequena, chamada cámara de reacción, contén catalases e peroxidases. Para activar a nociva pulverización que expele o animal, o escaravello mestura os contidos dos dous compartimentos, causando que se libere oxíxeno a partir do peróxido de hidróxeno. O oxíxeno oxida as hidroquinonas e tamén actúa como propelente. A reacción de oxidación é moi exotérmica (ΔH = −202.8 kJ/mol), polo que a mestura rapidamente se quenta ata o punto de ebulición.

A catalase é tamén universal entre as plantas, e tamén a producen moitos fungos.

Case todos os microorganismos aeróbicos usan a catalase. Tamén está presente nalgúns microorganismos anaeróbicos, como a arquea Methanosarcina barkeri.

 

A catalase utilízase na industria alimentaria para eliminar o peróxido de hidróxeno do leite destinado á produción de queixo. Outra aplicación é nos envoltorios de alimentos, onde funciona impedindo a súa oxidación. A catalase utilízase tamén na industria téxtil, para eliminar o peróxido de hidróxeno de tecidos e asegurarse que o material está libre de peróxidos.

Un uso menor é na hixiene das lentes de contacto, xa que algúns produtos para a limpeza destas lentes conteñen unha solución de peróxido de hidróxeno; despois utilízase unha solución que contén catalase para descompoñer o peróxido de hidróxeno antes de volver a usar as lentes. Recentemente, a catalase empezou a usarse na industria estética, xa que varias máscaras de tratamento combinan o encima con peróxido de hidróxeno na face para incrementar a oxixenación celular nas capas superiores da epiderme.

Proba da catalase

 

A proba da catalase é unha das tres probas principais utilizadas en microbioloxía para identificar especies de bacterias. A presenza do encima catalase no illamento bacteriano que se está a testar detéctase utilizando peróxido de hidróxeno. Se a bacteria posúe catalase (é dicir, é catalase positiva), ao engadir unha pequena cantidade de peróxido de hidróxeno ao illamento bacteriano, obsérvase a formación de burbullas de oxíxeno.

A proba da catalase faise colocando unha pinga de peróxido de hidróxeno nun portaobxectos e utilizando un bastonciño aplicador tócase a colonia, e despois faise un frotis sobre a pinga de peróxido de hidróxeno.

• Se a mestura produce burbullas ou escuma, o organismo dise que é "catalase positivo". Os Staphylococcus e os Micrococcus son catalase positivos. Outros organismos catalase positivos son: Listeria, Corynebacterium diphtheriae, Burkholderia cepacia, Nocardia, a familia Enterobacteriaceae (Citrobacter, E. coli, Enterobacter, Klebsiella, Shigella, Yersinia, Proteus, Salmonella, Serratia, Pseudomonas), Mycobacterium tuberculosis, Aspergillus, e Cryptococcus.
• Se non, o organismo é "catalase negativo". Os Streptococcus e Enterococcus son catalase negativos.

A proba da catalase por si soa non serve para identificar un determinado organismo ou cepa, pero en combinación con outras probas, como outras probas metabólicas ou a resistencia a antibióticos, é unha axuda na identificación. A presenza de catalase en células bacterianas depende das condicións de crecemento e do medio usado para o cultivo das células.

Tamén se poden usar tubos capilares. Recóllese unha pequena cantidade de bacterias co extremo do tubo capilar (isto é esencial para ter a certeza de que o extremo non queda bloqueado, porque iso podería causar un falso negativo). O extremo oposto mergúllase despois en peróxido de hidróxeno, o que fai que se arrastre o líquido por capilaridade para dentro do tubo, dáselle a volta a este. Uns pequenos golpes suaves abondan para mover o peróxido de hidróxeno máis preto das bacterias, e cando se poñen en contacto, empezan a orixinarse as burbullas, dando un resultado positivo para a catalase.

Pelo branco

Segundo recentes estudos científicos, os baixos niveis de catalase poden xogar un papel no proceso de encanecemento do pelo humano. O peróxido de hidróxeno prodúcese de forma natural no corpo e a catalase degrádao. Se os niveis de catalase declinan, o peróxido de hidróxeno non pode ser degradado. Isto fai que o peróxido de hidróxeno poida branquear o pelo desde dentro a fóra. Este descubrimento podería algún día incorporarse ao tratamentos contra o encanecemento.

Observouse que a catalase presenta interaccións cos xenes ABL2 e Abl.

Outros artigos

• Peroxidase
• Superóxido dismutase

Ligazóns externas

• "GenAge entry for CAT (Homo sapiens)". Human Ageing Genomic Resources. Consultado o 2009-03-05. 
• "Catalase". MadSci FAQ. madsci.org. Consultado o 2009-03-05. 
• "Catalase and oxidase test video". Regnvm Prokaryotae. Consultado o 2009-03-05. 
• "EC 1.11.1.6 - catalase". Brenda: The Comprehensive Enzyme Information System. Consultado o 2009-03-05. 
• "PeroxiBase - The peroxidase database". Swiss Institute of Bioinformatics. Arquivado dende o orixinal o 13 de outubro de 2008. Consultado o 2009-03-05. 
• "Catalase Procedure". MicrobeID.com. Consultado o 2009-04-22. 
• "Catalase Molecule of the Month". Protein Data Bank. Arquivado dende o orixinal o 11 de maio de 2013. Consultado o 2013-01-08.