A catalase é uma enzima oxidorredutase (H2O2: H2O2 oxidoredutase) amplamente distribuída na natureza. Catalisa, em vários tecidos e tipos de células, a reação de "quebra" do peróxido de hidrogênio em oxigênio molecular e água.
As primeiras observações desse tipo de enzima datam do início de 1810, mas foi em 1901 que Loew reconheceu que a catalase está presente em praticamente todos os organismos vivos existentes e em vários tipos de células diferentes.
Estrutura molecular da enzima Catalase (Fonte: Vossman via Wikimedia Commons)
Essa enzima, crucial para a manutenção da integridade celular e principal reguladora do metabolismo do peróxido de hidrogênio, foi um fator fundamental para podermos afirmar que na natureza existem enzimas que atuam sobre substratos específicos.
Mamíferos e outros organismos possuem enzimas catalase que também podem se comportar como peroxidases, catalisando reações redox de diferentes substratos usando peróxido de hidrogênio.
Na maioria dos eucariotos, as enzimas catalase são encontradas predominantemente em organelas subcelulares conhecidas como "peroxissomos", e em humanos existem inúmeras condições patológicas relacionadas à deficiência dessa enzima.
Caracteristicas
A atividade de enzimas como a catalase pode variar consideravelmente dependendo do tipo de tecido considerado. Em mamíferos, por exemplo, a atividade da catalase é significativa tanto nos rins quanto no fígado, e é muito menor nos tecidos conjuntivos.
Assim, a catalase em mamíferos está principalmente associada a todos os tecidos que exibem metabolismo aeróbio significativo.
Os mamíferos possuem catalases tanto na mitocôndria quanto nos peroxissomos, e em ambos os compartimentos são enzimas associadas às membranas organelares. Em eritrócitos, ao contrário, a atividade da catalase está associada a uma enzima solúvel (lembre-se de que os eritrócitos têm poucas organelas internas).
A catalase é uma enzima com um alto número de turnover ou constante catalítica (é muito rápida e eficiente) e a reação geral que catalisa é a seguinte:
2H2O2 → 2H2O + O2
Na presença de baixas concentrações de peróxido de hidrogênio, a catalase de mamífero, por exemplo, se comporta como uma oxidase, em vez de usar oxigênio molecular (O2) para oxidar moléculas como indol e β-feniletilamina, precursores do aminoácido triptofano e um neurotransmissor, respectivamente.
Alguns inibidores competitivos da atividade da catalase são atualmente conhecidos, principalmente a azida de sódio e o 3-aminotriazol. A azida, em sua forma aniônica, é um poderoso inibidor de outras proteínas com grupos heme e é utilizada para eliminar ou prevenir o crescimento de microrganismos em diferentes condições.
Estrutura
Em humanos, a catalase é codificada por um gene de 34 kb que possui 12 íntrons e 13 exons e codifica uma proteína de 526 aminoácidos.
A maioria das catalases estudadas são enzimas tetraméricas com peso molecular próximo a 240 kDa (60 kDa para cada subunidade) e cada monômero está associado a um grupo de hemina protética ou ferroprotoporfirina.
Sua estrutura é composta por quatro domínios compostos por estruturas secundárias formadas por alfa hélices e lâminas dobradas em beta, e estudos realizados em enzimas hepáticas de humanos e bovinos mostraram que essas proteínas estão ligadas a quatro moléculas de NADPH.
Essas moléculas de NADPH não parecem ser essenciais para a atividade enzimática da catalase (para a produção de água e oxigênio a partir do peróxido de hidrogênio), mas parecem estar relacionadas a uma diminuição na suscetibilidade dessa enzima a altas concentrações de seu substrato tóxico.
Os domínios de cada subunidade na catalase humana são:
- Um braço N-terminal estendido não globular, que funciona para a estabilização da estrutura quaternária
-Um barril β de oito folhas dobradas β antiparalelas, que contribuem com alguns dos resíduos de ligação lateral para o grupo heme
-Um domínio de "envelope" que circunda o domínio externo, incluindo o grupo heme e, finalmente
-Um domínio com estrutura de hélice alfa
As quatro subunidades, com esses quatro domínios, são responsáveis pela formação de um longo canal cujo tamanho é crítico para o mecanismo de reconhecimento do peróxido de hidrogênio pela enzima (que utiliza aminoácidos como histidina, asparagina, glutamina e ácido aspártico para isto).
Recursos
Segundo alguns autores, a catalase cumpre duas funções enzimáticas:
-A decomposição do peróxido de hidrogênio em água e oxigênio molecular (como uma peroxidase específica).
-Oxidação de doadores de prótons, como metanol, etanol, muitos fenóis e ácido fórmico, usando um mol de peróxido de hidrogênio (como uma peroxidase não específica).
-Nos eritrócitos, a grande quantidade de catalase parece exercer um papel importante na proteção da hemoglobina contra agentes oxidantes, como peróxido de hidrogênio, ácido ascórbico, metil-hidrazina e outros.
A enzima presente nessas células é responsável pela defesa de outros tecidos com pouca atividade da catalase contra altas concentrações de peróxido de hidrogênio.
-Alguns insetos, como o besouro bombardeiro, usam a catalase como mecanismo de defesa, pois decompõem o peróxido de hidrogênio e usam o oxigênio gasoso dessa reação para impulsionar a liberação de água e outros compostos químicos na forma de vapor.
-Nas plantas, a catalase (também presente nos peroxissomos) é um dos componentes do mecanismo de fotorrespiração, durante o qual o fosfoglicolato produzido pela enzima RuBisCO é utilizado para a produção do 3-fosfoglicerato.
Patologias relacionadas em humanos
As principais fontes de produção do substrato para a catalase, o peróxido de hidrogênio, são reações catalisadas por enzimas oxidase, espécies reativas de oxigênio e algumas células tumorais.
Este composto está envolvido em processos inflamatórios, na expressão de moléculas adesivas, na apoptose, na regulação da agregação plaquetária e no controle da proliferação celular.
Quando há deficiências dessa enzima, são geradas altas concentrações de seu substrato, o que causa lesões na membrana celular, defeitos no transporte de elétrons na mitocôndria, no metabolismo da homocisteína e no DNA.
Entre as doenças associadas a mutações no gene codificador da catalase humana estão:
-Mellitus diabetes
-Hipertensão arterial
-Alzheimer
-Vitiligo e outros
Referências
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