Katalase

Katalase is 'n ensiem wat in byna alle lewende organismes wat aan suurstof blootgestel is, soos bakterieë, plante en diere gevind word. Dit kataliseer die opbreek van waterstofperoksied in water en suurstof. Dit het 'n baie belangrike funksie om die sel teen oksidatiewe skade deur reaktiewe suurstof spesies (ROS) te beskerm. Katalase het een van die hoogste omsetgetalle van enige ensiem; een katalase molekule kan miljoene waterstofperoksied molekules per sekonde in water en suurstof omsit.

Katalase is 'n tetrameriese proteïen: dit bestaan uit vier polypeptiedkettings, wat elkeen meer as 500 aminosure lank is. Dit bevat vier ysterbevattende heemgroepe wat die ensiem toelaat om met die waterstofperoksied te reageer. Die optimale pH vir menslike katalase is ongeveer 7, maar dit het 'n redelik breë maksimum: die tempo van die reaksie verander nie wesentlik tussen pH 6.8 en 7.5 nie. Die optimale pH ander katalases wissel tussen 4 en 11, afhangende van die organisme. Die optimale temperatuur verskil ook tussen spesies.

Struktuur 
Menslike katalase vorm 'n tetrameer bestaande uit vier subeenhede, waarvan elkeen konseptueel verdeel kan word in vier domeine. Die uitgebreide kern van elke subeenheid bestaan uit 'n antiparallelle b-vat (b1-8) met agt stringe, aan die een kant verbind met b-vat lusse aan die een kant, en a9 lusse aan die ander kant. 'n Heliese domein aan die een punt van die b-vat bestaan uit vier C-terminale helikse (a16, a17, a18, en a19) en vier helikse wat bestaan uit residue tussen b4 en b5 (a4, a5, a6 en a7). Alternatiewe splitsing kan tot verskillende proteïenvariante lei.

Geskiedenis 
Katalase is nie waargeneem nie totdat Louis Jacques Thénard in 1818 H2O2 (waterstof peroksied) ontdek het, en voorgestel het dat die afbreek van waterstof peroksied deur 'n onbekende stof veroorsaak word. In 1900 het Oscar Loew die naam "katalase" vir die ensiem gegee, en gevind dat dit in baie plante en diere voorkom. In 1937 is katalase deur James B. Sumner en Alexander Dounce uit beeslewer gekristalliseer, en die molekulêre gewig is in 1938 bepaal.

Die aminosuur volgorde van bees katalase is in 1969 bepaal, en die drie-dimensionele struktuur in 1981.

Funksie

Aksie 
Katalase kataliseer die volgende reaksie:
 2 H2O2 → 2 H2O + O2
Die teenwoordigheid van katalase in 'n weefsel of mikrobiese monster kan aangetoon word deur waterstof peroksied by te voeg. Die produksie van suurstof kan kan waargeneem word deur die vorming van borrels. Hierdie maklike toets, wat met die blote oog gesien kan word, is moontlik as gevolg van katalase se hoë spesifieke aktiwiteit, wat tot 'n waarneembaar reaksie, asook die feit dat een van die produkte 'n gas is.

Molekulêre meganisme 
Alhoewel die volledige meganisme van katalase nie tans bekend is nie, blyk die reaksie in twee stappe plaas te vind:
 H2O2 + Fe(III)-E → H2O + O=Fe(IV)-E(.+)

 H2O2 + O=Fe(IV)-E(.+) → H2O + Fe(III)-E + O2
Hier verteenwoordig Fe()-E die yster sentrum van die ensiem se heemgroep. Fe(IV)-E(.+) is 'n mesomeriese vorm van Fe(V)-E, wat beteken dat die yster nie heeltemal geoksideer is na die +V toestand nie, maar 'n mate van elektrondigtheid vanaf die heemligand ontvang, wat 'n stabiliserende invloed het. Die heem word dan as 'n radikaalkatioon aangetoon (.+).

Sodra waterstofperoksied by die aktiewe setel ingaan, is daar 'n wisselwerking met die aminosure Asn148 (asparagien op posisie 148) en histidien His75, wat veroorsaak dat 'n proton (waterstofioon) tussen die suurstofatome oorgedra word. Die vrye suurstofatoom koördineer met die heem, wat die nuutgeskape watermolekuul en Fe(IV)=O vrystel. Die Fe(IV)=O reageer dan met 'n tweede waterstofperoksiedmolekuul om Fe(III)-E te regenereer, en produseer water en suurstof. Die reaktiwiteit van die yster-sentrum kan verbeter word deur die teenwoordigheid van die fenolaatligand van Tyr358 in die vyfde koordinasie-posisie, wat die oksidasie van die Fe(III) na Fe(IV) kan aanhelp. Die doeltreffendheid van die reaksie kan ook verbeter word deur die interaksie van His75 en Asn148 met tussenprodukte van die reaksie. In die algemeen kan die tempo van die reaksie deur die Michaelis-Menten vergelyking gemodelleer word.

Katalase kan ook die oksidasie deur waterstofperoksied kataliseer van verskeie metaboliete en gifstowwe, insluitend formaldehied, mieresuur, fenole, asetaldehied en alkohole. Dit geskied volgens die reaksie:
 H2O2 + H2R → 2H2O + R
Die presiese meganisme van hierdie reaksie is nog nie bekend nie.

Enige swaarmetaalioon, soos byvoorbeeld die koper katione in koper(II) sulfaat, kan as 'n nie-kompeterende inhibitor van katalase optree. Sianied, daarteenoor, is 'n kompeterende inhibitor van katalase by hoë waterstofperoksiedkonsentrasies.
Arsenaat tree egter as 'n aktiveerder op. Die drie-dimensionele proteïenstruktuur van die geperoksideerde katalase tussenprodukte is bepaal en kan by die Protein Data Bank afgelaai word.

Sellulêre rol 
Waterstofperoksied is 'n skadelike byproduk van vele normale metaboliese prosesse; om skade aan die selle en weefsels te verhoed, moet dit vinnig in ander, minder gevaarlike stowwe omskep word. Katalase word dus dikwels in selle gebruik om waterperoksied vinnig om te sit in minder-reaktiewe suurstofgas en water.

Muise wat geneties gemanipuleer is om geen katalase te produseer nie, is aanvanklik fenotipies normaal, maar het later 'n verhoogde waarskynlikheid vir vetsug, vetterige lewer en tipe 2 diabetes. Sommige mense het baie lae vlakke van katalase, maar toon min negatiewe gevolge daarvan.

Katalase is gewoonlik geleë in die peroksisoom, 'n sellulêre organel. Peroksisome in plantselle is betrokke by fotorespirasie (die gebruik van suurstof en die produksie van koolstofdioksied) en simbiotiese stikstofbinding (die afbreek van diatomiese stikstof (N2) om reaktiewe stikstofatome te lewer). Waterstofperoksied word gebruik as 'n sterk antimikrobiese agent wanneer selle met 'n patogeen besmet is. Katalase-positiewe patogene, soos Mycobacterium tuberculosis, Legionella pneumophila, en Campylobacter jejuni, produseer katalase om die peroksiedradikale te deaktiveer, wat hulle toelaat om ongedeerd binne die gasheer te oorleef.

Soos alkohol-dehidrogenase, sit catalase etanol om na asetaldehied, maar dit is onwaarskynlik dat hierdie reaksie fisiologies beduidend is.

Voorkoms onder organismes 
Die oorgrote meerderheid van bekende organismes gebruik katalase in elke orgaan, en by soogdiere is daar 'n besonder hoë konsentrasie in die lewer. Een unieke toepassing van katalase vind plaas in die bombardeerkewer. Hierdie kewer het twee vloeistowwe wat apart gestoor word in twee verskillende kliere. Die groter van die twee, die reservoir, bevat hidrokinone en waterstofperoksied, terwyl die kleiner kamer, die reaksiekamer, katalases en peroxidases bevat. Die kewer meng die inhoud van die twee kompartemente, wat veroorsaak dat suurstof uit die waterstofperoksied geskep word. Die suurstof oksideer die hikrokinone en dien ook as die dryfmiddel. Die oksidasiereaksie is baie eksotermies (ΔH = -202.8 kJ/mol) wat die mengsel vinnig tot sy kookpunt verhit, en as 'n toksiese spuit uitgeforseer word.

Feitlik alle aerobiese mikroorganismes gebruik katalase. Dit is ook teenwoordig in sekere anaërobiese mikro-organismes, byvoorbeeld Methanosarcina barkeri. Katalase kom in alle plante voor, asook die meeste swamme.

Katalase ensieme van verskeie spesies het heeltemal verskillende optimum temperature. Koudbloedige diere het gewoonlik katalases met optimum temperature in die bereik van 15-25 °C, terwyl soogdiere en voëls tipies katalases het met optimum temperature bo 35 °C, en dié van plante wissel op grond van van hulle normale habitat en groeiwyse. Die katalase van die hipertermofiele archaeon Pyrobaculum calidifontis het daarenteen 'n optimum temperatuur van 90 °C.

Kliniese betekenis en toepassing 

Katalase word in die voedselbedryf gebruik om waterstofperoksied van melk te verwyder aan die begin van die kaasproduksie proses. 'n Ander gebruik is in voedselverpakking, waar dit help om voedseloksidasie te vertraag. Katalase word ook in die tekstielbedryf gebruik vir die volledige verwydering van waterstofperoksied van materiaal.

'n Kleiner gebruik is in kontaklenshigiëne – sekere lensreinigers bevat waterstofperoksied om die lens te ontsmet; 'n katalaseoplossing word dan gebruik enige oorblywende waterstofperoksied af te breek voordat die lens gebruik word.

Katalase toets vir bakterië 

Die katalasetoets is een van die drie belangrikste toetse wat gebruik word deur mikrobioloë om bakterië te identifiseer. As die bakterieë katalase besit (m.a.w. hulle is katalase-positief), word borrels van suurstof vrygestel wanneer'n klein hoeveelheid van die bakteriële isolaat by 'n waterstofperoksiedoplossing gevoeg word. Die katalasetoets begin deur 'n druppel van waterstofperoksied op 'n mikroskoopskyfie te plaas. Die punt van 'n proefstafie word op die kolonie gedruk, en dan in die waterstofperoksieddruppel gesmeer.
 As die mengsel borrels of skuim produseer, is die organisme "katalase-positief". Staphylococci en Micrococci is katalase-positief. Ander katalase-positiewe organismes sluit in Listeria, Corynebacterium diphtheriae, Burkholderia cepacia, Nocardia, die familie Enterobacteriaceae (Citrobacter, E. coli, Enterobacter, Klebsiella, Shigella, Yersinia, Proteus, Salmonella, Serratia), Pseudomonas, Mycobacterium tuberculosis, Aspergillus, Cryptococcus, en Rhodococcus equi.
 Indien nie, is dit "katalase-negatief". Streptococcus en Enterococcus spp. is byvoorbeeld katalase-negatief.
Terwyl die katalase toets alleen nie 'n spesifieke organisme kan identifiseer nie, kan dit help met identifikasie wanneer dit gekombineer word met ander toetse soos byvoorbeeld weerstand teen antibiotika. Die teenwoordigheid van katalase in bakteriële selle is ook afhanklik van beide die groeitoestand en die groeimedium.

Kapillêre buise kan ook gebruik word. 'n Klein monster van die bakterieë word op die punt van die kapillêre buis aangebring, sonder om die buis dig te sluit, om vals negatiewe resultate te vermy. Die teenoorgestelde punt word dan in waterstof peroksied gedoop, wat deur kapillêre aksie in die buis opgetrek word, en onderstebo gedraai, sodat die punt met die bakterië afwaarts gerig is. Die hand wat die buis vashou word dan op die bank getik, die waterstofperoksied afbeweeg totdat dit raak aan die bakterieë. As borrels dan vorm, dui dit op 'n positiewe katalase resultaat. Hierdie toets kan katalase-positiewe bakterieë by konsentrasies vanaf 105 selle/mL opspoor, en is maklik om uit te voer.

Bakteriële virulensie 
Neutrofiele en ander fagosiete gebruik waterstofperoksied om bakterieë dood te maak. Die ensiem NADPH oksidase genereer superoksied binne die fagosoom, wat via waterstofperoksied omgeskakel word in ander oksiderende stowwe soos hipochlorigsuur wat patogene in die fagosoom doodmaak. In individue met chroniese granulomateuse siektes (CGD) is daar 'n defek in die produksie van waterstofperoksied weens mutasies in fagositiese oxidase-ensieme soos mieloperoksidase. Normale sellulêre metabolisme stel steeds 'n klein hoeveelheid peroksied vry, en hierdie peroksied kan gebruik word om hipochlorigsuur te produseer om die bakteriële infeksie uit te wis. As individue met CGD met katalase-positiewe bakterieë geïnfekteer word, kan die bakteriële katalase die klein hoeveelhede peroksied vernietig voordat dit gebruik kan word om ander oksiderende stowwe te produseer. In hierdie individue oorleef die patogeen en word 'n chroniese infeksie. Die infeksiesetel is gewoonlik omring deur makrofage om die infeksie te isoleer. Hierdie wand van makrofage wat 'n patogeen omring word 'n granuloom genoem. Baie bakterieë is katalase positiewe, maar sommige produseer meer katalase as ander. Die belangrikste katalase-positiewe bakterieë in hierdie kondisie is nocardia, pseudomonas, listeria, aspergillus, candida, E. coli, staphylococcus, serratia, B. cepacia en H. pylori.

Grys hare 
Lae katalasevlakke kan 'n rol speel in die grysword proses van menslike hare. Waterstofperoksied word natuurlik deur die liggaam geproduseer en deur katalase afgebreek. As katalasevlakke daal, kan die waterstofperoksied nie volledig afgebreek word nie. Die waterstofperoksied belemmer die produksie van melanien, die pigment wat die kleur aan hare verleen.

Interaksies 
Interaksie met katalase is getoon by die ABL2 en Abl gene. Infeksie met die muis leukemievirus laat katalase aktiwiteit in die longe, hart en niere van die muis afneem. Visolie in die dieet verhoog weer katalase aktiwiteit in die hart en niere van die muise.

Verwysings

Eksterne skakels 
 
 
 
 
 
 
 
Ensieme