Каталаза: фермент разложения пероксида¶

Каталаза — фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий разложение пероксида водорода (H₂O₂) на воду и молекулярный кислород. Реакция имеет вид 2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂. Каталаза относится к гемовым ферментам и содержится в клетках почти всех аэробных организмов — от бактерий до человека. Она защищает клетку от окислительного повреждения, вызванного пероксидом водорода, который образуется как побочный продукт многих метаболических процессов.

¶История изучения

Каталазную активность впервые описал в 1818 году французский химик Луи Жак Тенар, обнаруживший, что ткани животных разлагают пероксид водорода с выделением газа. Термин «каталаза» предложил в 1900 году немецкий химик Оскар Лёв, который также показал, что фермент присутствует в растительных и животных тканях. В 1937 году Джеймс Батчелор Самнер кристаллизовал каталазу из печени быка и доказал её белковую природу; за работы по ферментам он получил Нобелевскую премию по химии в 1946 году. В 1969 году была установлена трёхмерная структура фермента методом рентгеноструктурного анализа.

¶Структура и механизм действия

Молекула каталазы большинства эукариот — тетрамер, состоящий из четырёх одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит простетическую группу — гем (протогем IX) с ионом железа в центре. Молекулярная масса тетрамера составляет около 240 кДа. У некоторых бактерий встречаются гексамерные и димерные формы, а также марганецсодержащие каталазы, не имеющие гема.

Каталитический цикл включает две стадии:

1. Пероксид водорода окисляет атом железа гема, образуя высокореактивное соединение I (Fe(IV)=O) и молекулу воды.
2. Вторая молекула H₂O₂ восстанавливает соединение I, возвращая фермент в исходное состояние и высвобождая воду и кислород.

Каталаза — один из самых быстрых известных ферментов: одна молекула способна разлагать до нескольких миллионов молекул пероксида в секунду, что близко к пределу диффузионного контроля.

¶Классификация

Фермент имеет номер EC 1.11.1.6 в международной классификации. Выделяют несколько типов каталаз:

¶Биологическое значение

Основная функция каталазы — детоксикация пероксида водорода, образующегося при работе оксидаз, в процессе фотодыхания и при действии ионизирующего излучения. В клетках эукариот фермент локализован преимущественно в пероксисомах, а также в цитозоле и митохондриях. У человека наследственный дефицит каталазы вызывает акаталазию — редкое состояние, при котором больные не предрасположены к тяжёлым заболеваниям, но имеют повышенную чувствительность к окислительному стрессу. У некоторых бактерий, например возбудителя туберкулёза, каталаза служит фактором вирулентности.

¶Применение

• Микробиология. Каталазный тест (добавление H₂O₂ к культуре) используется для дифференциации бактерий: стафилококки дают положительную реакцию, стрептококки — отрицательную.
• Пищевая промышленность. Фермент применяют для удаления остатков пероксида водорода после холодной стерилизации молока и упаковки.
• Медицина и косметология. Каталаза входит в состав перекись-нейтрализующих растворов, контактных линзных систем и антиоксидантных препаратов.
• Биотехнология. Фермент используют в биосенсорах для определения концентрации пероксида водорода.

¶Методы определения активности

Активность каталазы измеряют спектрофотометрически по убыли пероксида водорода при длине волны 240 нм, газометрически по объёму выделившегося кислорода либо титриметрически. За единицу активности принимают количество фермента, разлагающего 1 мкмоль H₂O₂ за минуту при стандартных условиях.