Каталаза - основы, структура и применение

Что такое каталаза?

Каталаза является ключевым ферментом антиоксидантной защиты организма.

Ее основная функция – нейтрализация перекиси водорода (H2O2). Этот фермент катализирует превращение перекиси водорода в воду и молекулярный кислород по реакции:

2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2

Поэтому каталаза способна задерживать или ингибировать процессы окисления. 

Перекись водорода образуется в организме человека в ходе большого количества реакций и, хотя сама по себе не является свободным радикалом, она способна генерировать активные формы кислорода, такие как гидроксильный радикал.

В свою очередь, свободные радикалы могут окислять клеточные биомолекулы, включая нуклеиновые кислоты, белки и липиды, вызывая серьезные повреждения клетки. 

Вот почему так важна нейтрализация избытка перекиси водорода, и каталаза в этой связи является ферментом, невероятно важным для здоровья человека. Укрепляя антиоксидантную защиту организма, каталаза может замедлить старение и противодействовать возникновению сопутствующих заболеваний.

Cмотрите по теме:

Нейродегенеративные причины когнитивных нарушений

Спикер

Шпилюкова Юлия Александровна

к.м.н., научный сотрудник 5 неврологического отделения с молекулярно-генетической лабораторией ФГБНУ Научного Центра Неврологии

Смотреть вебинар

Разновидности

Существует несколько разновидностей каталазы, которые отличаются по своей структуре, функциям и распространенности:

1. Гомологичная каталаза. 

   Это основная форма каталазы, которая наиболее широко распространена у различных организмов. Гомологичная каталаза является гемопротеином, то есть, содержит в своей структуре гем (железистый порфириновый комплекс), который играет ключевую роль в катализе разложения H2O2. Эта форма каталазы обладает высокой активностью и способна к подавлению пероксидации липидов.

2. Пероксисомальная каталаза.

   Эта разновидность каталазы обнаружена в пероксисомах – внутриклеточных органеллах, отвечающих за разложение вредных соединений, включая H2O2. Пероксисомальная каталаза часто ассоциируется с механизмами антиоксидантной защиты и регуляцией биологических процессов в клетках. Она обладает высокой специфичностью к H2O2 и может эффективно предотвращать окислительный стресс.

3. Каталаза в цитоплазме. 

   Этот вид каталазы обнаружен в цитоплазме клеток и выполняет аналогичные функции по разложению H2O2. Она может обеспечивать защиту клеток от окислительного повреждения и контролировать уровни H2O2 внутри клеток.

Структура и механизм действия

Каталазы представляют собой тетрамеры четырех полипептидных цепей, каждая из которых содержит в структуре железосодержащую группу,  доступную через гидрофобные каналы.

Структура каталаз делает их очень стабильными, мало склонными к сворачиванию, устойчивыми в широком диапазоне pH и к термической денатурации.

Большая часть перекиси водорода, вырабатываемой в ходе клеточного метаболизма, происходит из одного из наиболее реактивных к кислороду видов, а именно супероксидного аниона O 2 ∙, который благодаря действию супероксиддисмутазы превращается в перекись водорода.

Реакция перекиси водорода с каталазой протекает по двухстадийному механизму, при котором перекись водорода поочередно окисляет и восстанавливает железистый центр связанной с ферментом гемовой группы. На первом этапе молекула H 2 O 2 окисляет железистый центр:

H 2 O 2 + Fe(II)-E → H 2 O + O=Fe(III)-E.

На втором этапе молекулу перекиси водорода используют в качестве восстановителя для регенерации фермента путем получения воды и молекулярного кислорода:

H 2 O 2 +O= Fe(III)-E → H 2 O + O 2 + Fe(II ). -И

Некоторые каталазы содержат кофактор НАДФН, функция которого предотвращает образование неактивного соединения.

Регуляция экспрессии генов каталазы

В гене каталазы иденти­фицированы несколько однонуклеотидных полиморфизмов, из которых наиболее широко изучен поли­морфизм rs1001179 (C262T). Он кодируется в промоторной области и влияет на регуляцию транскрипции и сплайсинга. 

Экспрессия генов каталазы регулируется на уровне транскрипции активированным проли­фератором пероксисом рецептором g (PPARg). Известно, что PPARg – это активируемый лиган­дом транскрипционный фактор, который контролирует экспрессию гена каталазы непосредственно через PPARg-связывающие элементы в его промоторной области. Лиганды PPARg, которыми в основном яв­ляются тиазолидиндионы (сиглитазон, росиглитазон, пиоглитазон), повышают количество мРНК и ак­тивность каталазы. Целевым геном для PPARg выступает ген каталазы .

При длительном воздействии АФК снижают экспрессию каталазы путем гиперметилирования CpG-сайтов в промоторе гена каталазы. Причем АФК регулируют каталазу не только по прямому механизму, но и через транскрипционный активатор Oct-1.

Также регуляция каталазы может осуществляться белком р53 (опухолевый супрессор). При повреждении ДНК он активирует несколько генов, обусловливающих повышенное образование АФК, что способствует индукции апоптоза в клетках с поврежденной ДНК, не подлежащей репарации.

Белок р53 и его ми­шени – р53-индуцибельная рибонуклеотидредуктаза (р53R2) и р53-индуцибельный ген 3 (PIG3) – взаимодействуют с каталазой для эффективной регуляции внутриклеточных АФК в зависимости от интен­сивности окислительного стресса. В физиологических условиях антиоксидантные функции белка р53 опосредуются рибонуклеотидредуктазой р53R2, которая поддерживает повышенную активность ката­лазы и тем самым защищает клетку от эндогенных АФК.

Также ряд исследований показали, что экспрессия генов каталазы может быть стимулирована H2O2 или окисленными липидами.

Активность

Активность каталазы измеряется в единицах каталитической активности (катал), что является количеством фермента, способного разложить один микромоль перекиси водорода в течение одной минуты при определенных условиях.

Ее активность  может быть изменена в ответ на различные факторы, такие как температура, pH и наличие ингибиторов или активаторов. Например, при повышении температуры активность каталазы может увеличиваться, но при очень высоких температурах фермент может денатурировать и потерять активность.

Применение каталазы

Каталаза применяется в биотехнологии, медицине и пищевой промышленности. 

• Медицина:

  • Лечение ран и ожогов.

    В случае образования ран или ожогов воспаление и отек тканей могут привести к образованию избыточного количества перекиси водорода. Применение каталазы может помочь в удалении избыточного водорода перекиси из тканей, что снижает воспаление и ускоряет процесс заживления.

  • В стоматологии.

    Каталаза может использоваться в качестве компонента для промывания рта при заболеваниях десен или при воспалительных процессах в полости рта. Она способна ускорять разложение вредных веществ, уменьшая воспаление и облегчая процесс заживления.

• Пищевая промышленность:

  • каталаза может использоваться для улучшения качества теста, ускоряя процесс его окисления;

  • удаление остатков пероксида водорода в винах;

  • увеличение срока годности продуктов. 

• Биотехнологии.

  В биотехнологии каталаза используется в производстве пищевых добавок, в биохимических процессах, в биосенсорах и в ряде других направлений. Это позволяет улучшить производственные процессы и создать более устойчивые биологические системы.

В целом, каталаза играет важную роль в различных областях, и ее применение имеет большой потенциал.

Cмотрите по теме:

Нейродегенеративные причины когнитивных нарушений

Спикер

Шпилюкова Юлия Александровна

к.м.н., научный сотрудник 5 неврологического отделения с молекулярно-генетической лабораторией ФГБНУ Научного Центра Неврологии

Смотреть вебинар

Почему важно изучать каталазу? 

Изучение структуры и функций каталазы необходимо по ряду причин:

• Понимание механизма защиты клеток.

 Изучение каталазы позволяет понять, как она работает для разрушения перекиси водорода, предотвращая ее накопление в клетках. Эти знания необходимы для разработки методов улучшения защитных клеточных механизмов. 

• Исследование биологических процессов.

Каталаза также является объектом исследования в области биохимии и молекулярной биологии. Изучение ее структуры и функций помогает расширять наши знания о биологических процессах в клетке.

• Применение в медицине и промышленности.

Новая информация об этом ферменте может быть полезна для разработки лекарственных препаратов и биотехнологических процессов. Например, каталаза может использоваться для лечения заболеваний, связанных с окислительным стрессом, а также в биотехнологических процессах, где необходимо удалить H2O2 из продуктов.

Онлайн обучение
Anti-Age медицине

Изучайте тонкости антивозрастной медицины из любой точки мира. Для удобства врачей мы создали обучающую онлайн-платформу Anti-Age Expert: Здесь последовательно выкладываются лекции наших образовательных программ, к которым открыт доступ 24/7. Врачи могут изучать материалы необходимое количество раз, задавать вопросы и обсуждать интересные клинические случаи с коллегами в специальных чатах

Узнать подробнее

Краткие выводы

Каталаза – ключевой антиоксидантный, который  широко распространен в природе и присутствует во всех организмах: от бактерий до человека. 

Изучение каталазы имеет большое значение для понимания ее роли в биологических процессах и возможности использования в медицинских целях, в том числе, – в лечении от патологий, вызванных окислительным стрессом. 

Список использованной литературы

1. P. Chelikani, I. Fita and P. C. Loewen Diversity of structures and properties among catalases. Cellular and Molecular Life Sciences 61, 192-208. - 2004.
2. J. A. Imlay Pathways of oxidative damage. Annual Review of Microbiology 57, 395- 418. - 2003.
3. P. Nicholls, I. Fita and P. C. Loewen Enzymology and structure of catalases. Advances in Inorganic Chemistry 51, 51-106. - 2001.