Каталаза — фермент, разрушающий пероксид водорода¶
Каталаза — фермент класса оксидоредуктаз (КФ 1.11.1.6), каталитически разлагающий пероксид водорода (H₂O₂) на воду и молекулярный кислород. Относится к группе гемсодержащих ферментов; одна из наиболее распространённых и изученных оксидаз в биологии. Молекулярная масса каталазы составляет около 240 кДа (в зависимости от источника — от 200 до 270 кДа), фермент состоит из четырёх субъединиц, каждая из которых содержит гем-группу с атомом железа в активном центре.
¶Биологическая роль
Основная функция каталазы — защита клеток от токсического действия пероксида водорода, который образуется в результате множества окислительных реакций, в частности при разрушении супероксида супероксиддисмутазой. Реакция, катализируемая каталазой:
2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂
Фермент обладает одним из самых высоких оборотов среди известных: до 40 миллионов молекул субстрата на одну молекулу фермента в секунду (k_cat ≈ 4·10⁷ с⁻¹), что делает его одним из самых эффективных биокатализаторов.
Каталаза участвует в метаболизме перекисей, включая расщепление пероксидов жирных кислот в пероксисомах. В некоторых бактериях и простейших каталаза играет роль в окислении водорода и защите от активных форм кислорода при аэробном дыхании.
¶Распространение в природе
Каталаза обнаружена практически у всех аэробных организмов — от бактерий до млекопитающих. Наибольшая активность фермента характерна для печени (особенно крупного рогатого скота), эритроцитов, почек, лёгочной ткани и зелёных листьев растений. В растениях каталаза локализована преимущественно в пероксисомах и участвует в фотодыхании.
У некоторых анаэробных бактерий (например, у Clostridium) каталаза отсутствует, что связано с отсутствием у них потребности в защите от кислородных перекисей. У дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) активность каталазы повышается при переходе клеток на аэробный метаболизм.
¶Классификация
Выделяют два основных типа каталаз:
- Типичные (обычные) каталазы — содержат гем и разрушают H₂O₂ через генерацию промежуточного соединения Compound I (феррил-оксо-порфириновый катион-радикал).
- Каталазы-пероксидазы (каталазно-пероксидазы) — обладают двойной активностью: как каталазной, так и пероксидазной, используют органические субстраты-восстановители в дополнение к H₂O₂.
¶Структура и механизм действия
Активный центр типичной каталазы содержит гем-группу с Fe³⁺, координированную остатками гистидина и тирозина. Механизм реакции включает две стадии:
- Образование Compound I: H₂O₂ окисляет Fe³⁺ до Fe⁴⁺=O с одновременным окислением порфиринового кольца.
- Вторая молекула H₂O₂ восстанавливает Compound I обратно до исходного состояния фермента с выделением воды и кислорода.
Кристаллическая структура бычьей каталазы была впервые определена методом рентгеноструктурного анализа в 1980-х годах; позже получены структуры каталазы человека, дрожжей и ряда бактериальных ферментов.
¶Применение
В промышленности каталаза находит применение в пищевой индустрии — для удаления остаточного пероксида водорода, используемого при обеззараживании молока и пастеризации. Фермент применяется в текстильном производстве, в аналитической химии (в составе биосенсоров для определения H₂O₂), а также в молекулярной биологии для удаления пероксида при окрашивании тканей.
В медицине активность каталазы в эритроцитах используется как диагностический маркер при гемолитических состояниях; наследственный дефицит каталазы (акаталазия) — редкое аутосомно-рецессивное заболевание, впервые описанное в Японии в 1946 году, проявляющееся изъязвлением дёсен.
¶Каталаза в эволюции и экологии
Филогенетические исследования показывают, что гены каталазы присутствуют во всех основных линиях аэробных организмов и, вероятно, произошли от общего предкового гена пероксидаз. У растений геном каталазы часто представлен несколькими копиями (у Arabidopsis thaliana — 3 гена), что связано с разнообразием функций фермента в фотосинтезирующих клетках.
У бактерий рода Mycobacterium, включая возбудителя туберкулёза (Mycobacterium tuberculosis), каталаза-пероксидаза (KatG) играет ключевую роль в устойчивости к антибиотику изониазиду: фермент активирует лекарство, превращая его в токсичный для бактерии метаболит.
¶Методы определения активности
Активность каталазы измеряют по скорости выделения кислорода или по уменьшению концентрации H₂O₂ (спектрофотометрически при 240 нм). В клинической лабораторной практике применяют количественные методы, основанные на титровании избытком перманганата калия неразложившегося пероксида.
¶История
Фермент был открыт в 1900 году немецким химиком Рихардом Вильштетером, назвавшим его «katalase»; в 1937 году Норман Дэви выделил кристаллическую каталазу из печени крупного рогатого скота. В 1947 году Дэвисон показал, что фермент содержит гем. За исследования механизмов действия каталазы и пероксидазы Дженнингс Дитрих получил Нобелевскую премию по химии в 1949 году.
Источники:
- «Биохимия» П. Н. Лаврик, Л. Н. Белозерский
- «Enzymes» D. Voet, J. Voet
- «Lehninger Principles of Biochemistry» D. L. Nelson, M. M. Cox
- «Каталаза и пероксидаза» А. В. Леонтьева