La catalasi è un enzima ossidoreduttasi (H2O2: H2O2 ossidoreduttasi) ampiamente distribuito in natura. Catalizza, in vari tessuti e tipi cellulari, la reazione di "scomposizione" del perossido di idrogeno in ossigeno molecolare e acqua.
Le prime osservazioni di questo tipo di enzima risalgono all'inizio del 1810, ma fu nel 1901 che Loew riconobbe che la catalasi è presente praticamente in tutti gli organismi viventi esistenti e in molti diversi tipi di cellule.
Struttura molecolare dell'enzima catalasi (Fonte: Vossman tramite Wikimedia Commons)
Questo enzima, fondamentale per il mantenimento dell'integrità cellulare e principale regolatore del metabolismo del perossido di idrogeno, è stato un fattore fondamentale per poter affermare che in natura esistono enzimi che agiscono su specifici substrati.
I mammiferi e altri organismi possiedono enzimi catalasi che possono anche comportarsi come perossidasi, catalizzando reazioni redox di diversi substrati utilizzando il perossido di idrogeno.
Nella maggior parte degli eucarioti, gli enzimi catalasi si trovano prevalentemente negli organelli subcellulari noti come "perossisomi" e nell'uomo ci sono numerose condizioni patologiche legate alla carenza di questo enzima.
caratteristiche
L'attività di enzimi come la catalasi può variare notevolmente a seconda del tipo di tessuto considerato. Nei mammiferi, ad esempio, l'attività della catalasi è significativa sia nei reni che nel fegato ed è molto più bassa nei tessuti connettivi.
Pertanto, la catalasi nei mammiferi è principalmente associata a tutti i tessuti che mostrano un metabolismo aerobico significativo.
I mammiferi possiedono catalasi sia nei mitocondri che nei perossisomi, e in entrambi i compartimenti sono enzimi associati alle membrane organellari. Negli eritrociti, al contrario, l'attività della catalasi è associata a un enzima solubile (ricorda che gli eritrociti hanno pochi organelli interni).
La catalasi è un enzima con un elevato numero di turnover o costante catalitica (è molto veloce ed efficiente) e la reazione generale che catalizza è la seguente:
2H2O2 → 2H2O + O2
In presenza di basse concentrazioni di perossido di idrogeno, la catalasi dei mammiferi, ad esempio, si comporta come un'ossidasi, utilizzando invece ossigeno molecolare (O2) per ossidare molecole come l'indolo e la β-feniletilammina, precursori dell'amminoacido triptofano e un neurotrasmettitore, rispettivamente.
Attualmente sono noti alcuni inibitori competitivi dell'attività della catalasi, in particolare sodio azide e 3-aminotriazolo. L'azide, nella sua forma anionica, è un potente inibitore di altre proteine con gruppi eme e viene utilizzata per l'eliminazione o la prevenzione della crescita di microrganismi in diverse condizioni.
Struttura
Nell'uomo, la catalasi è codificata da un gene da 34 kb che ha 12 introni e 13 esoni e codifica per una proteina di 526 aminoacidi.
La maggior parte delle catalasi studiate sono enzimi tetramerica con un peso molecolare vicino a 240 kDa (60 kDa per ciascuna subunità) e ogni monomero è associato a un gruppo emina o ferroprotoporfirina protesica.
La sua struttura è composta da quattro domini composti da strutture secondarie formate da alfa eliche e fogli beta-piegati, e studi condotti sull'enzima epatico dell'uomo e dei bovini hanno dimostrato che queste proteine sono legate a quattro molecole di NADPH.
Queste molecole di NADPH non sembrano essere essenziali per l'attività enzimatica della catalasi (per la produzione di acqua e ossigeno dal perossido di idrogeno), ma sembrano essere correlate ad una diminuzione della suscettibilità di questo enzima ad alte concentrazioni del suo substrato tossico.
I domini di ciascuna subunità nella catalasi umana sono:
-Un braccio N-terminale esteso non globulare, che funziona per la stabilizzazione della struttura quaternaria
-Un β-barile di otto fogli β-piegati antiparalleli, che contribuiscono con alcuni dei residui di legatura laterale al gruppo eme
-Un dominio "busta" che circonda il dominio esterno, incluso il gruppo eme e, infine
-Un dominio con struttura alfa elica
Le quattro subunità, con questi quattro domini, sono responsabili della formazione di un lungo canale la cui dimensione è fondamentale per il meccanismo di riconoscimento del perossido di idrogeno da parte dell'enzima (che utilizza amminoacidi come istidina, asparagina, glutammina e acido aspartico per esso).
Caratteristiche
Secondo alcuni autori, la catalasi svolge due funzioni enzimatiche:
-La decomposizione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno molecolare (come perossidasi specifica).
-Ossidazione di donatori di protoni, come metanolo, etanolo, molti fenoli e acido formico, utilizzando una mole di perossido di idrogeno (come perossidasi non specifica).
-Negli eritrociti, la grande quantità di catalasi sembra svolgere un ruolo importante nella protezione dell'emoglobina dagli agenti ossidanti, come il perossido di idrogeno, l'acido ascorbico, la metilidrazina e altri.
L'enzima presente in queste cellule è responsabile della difesa di altri tessuti con scarsa attività catalasi contro alte concentrazioni di perossido di idrogeno.
-Alcuni insetti come il coleottero bombardiere usano la catalasi come meccanismo di difesa, poiché decompongono il perossido di idrogeno e usano il prodotto gassoso dell'ossigeno di questa reazione per spingere il rilascio di acqua e altri composti chimici sotto forma di vapore.
-Nelle piante, la catalasi (presente anche nei perossisomi) è uno dei componenti del meccanismo di fotorespirazione, durante il quale il fosfoglicolato prodotto dall'enzima RuBisCO viene utilizzato per la produzione del 3-fosfoglicerato.
Patologie correlate nell'uomo
Le principali fonti di produzione del substrato per catalasi, il perossido di idrogeno, sono reazioni catalizzate da enzimi ossidasi, specie reattive dell'ossigeno e alcune cellule tumorali.
Questo composto è coinvolto nei processi infiammatori, nell'espressione di molecole adesive, nell'apoptosi, nella regolazione dell'aggregazione piastrinica e nel controllo della proliferazione cellulare.
Quando ci sono carenze di questo enzima, si generano alte concentrazioni del suo substrato, che causa lesioni nella membrana cellulare, difetti nel trasporto di elettroni nei mitocondri, nel metabolismo dell'omocisteina e nel DNA.
Tra le malattie associate alle mutazioni nel gene codificante per la catalasi umana ci sono:
-Diabete mellito
-Ipertensione arteriosa
-Alzheimer
-Vitiligine e altri
Riferimenti
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