Catalasa

La catalasa es una enzima común que se encuentra en casi todos los organismos vivos expuestos al oxígeno (como bacterias, plantas y animales) que cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. Es una enzima muy importante en la protección de la célula del daño oxidativo por especies reactivas de oxígeno (ROS). La catalasa tiene uno de los números de recambio más altos de todas las enzimas; una molécula de catalasa puede convertir millones de moléculas de peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno cada segundo.

La catalasa es un tetrámero de cuatro cadenas polipeptídicas, cada una de más de 500 aminoácidos de largo. Contiene cuatro grupos hemo que contienen hierro que permiten que la enzima reaccione con el peróxido de hidrógeno. El pH óptimo para la catalasa humana es de aproximadamente 7 y tiene un máximo bastante amplio: la velocidad de reacción no cambia apreciablemente entre pH 6,8 y 7,5. El pH óptimo para otras catalasas varía entre 4 y 11 según la especie. La temperatura óptima también varía según la especie.

Estructura

La catalasa humana forma un tetrámero compuesto por cuatro subunidades, cada una de las cuales se puede dividir conceptualmente en cuatro dominios. El núcleo extenso de cada subunidad es generado por un barril β antiparalelo de ocho hebras (β1-8), con la conectividad del vecino más cercano rematada por bucles de barril β en un lado y bucles α9 en el otro. Un dominio helicoidal en una cara del barril β se compone de cuatro hélices C-terminales (α16, α17, α18 y α19) y cuatro hélices derivadas de residuos entre β4 y β5 (α4, α5, α6 y α7). El empalme alternativo puede dar como resultado diferentes variantes de proteínas.

Historia

La catalasa fue notada por primera vez en 1818 por Louis Jacques Thénard, quien descubrió el peróxido de hidrógeno (H₂O₂). Thénard sugirió que su avería fue causada por una sustancia desconocida. En 1900, Oscar Loew fue el primero en darle el nombre de catalasa y la encontró en muchas plantas y animales. En 1937, James B. Sumner y Alexander Dounce cristalizaron catalasa de hígado de res y midieron el peso molecular en 1938.

La secuencia de aminoácidos de la catalasa bovina se determinó en 1969 y la estructura tridimensional en 1981.

Función

Mecanismo molecular

Si bien actualmente no se conoce el mecanismo completo de la catalasa, se cree que la reacción ocurre en dos etapas:

H₂O₂ + Fe(III)-E → H₂O + O=Fe(IV)-E(.+)

H₂O₂ + O=Fe(IV)-E(.+) → H₂O + Fe(III)-E + O₂

Aquí Fe()-E representa el centro de hierro del grupo hemo unido a la enzima. Fe(IV)-E(.+) es una forma mesomérica de Fe(V)-E, lo que significa que el hierro no se oxida completamente a +V, pero recibe algo de densidad de electrones estabilizadora del ligando hemo, que luego se muestra como un catión radical (.+).

Cuando el peróxido de hidrógeno ingresa al sitio activo, no interactúa con los aminoácidos Asn148 (asparagina en la posición 148) e His75, lo que provoca que un protón (ion de hidrógeno) se transfiera entre los átomos de oxígeno. El átomo de oxígeno libre se coordina, liberando la molécula de agua recién formada y Fe(IV)=O. Fe(IV)=O reacciona con una segunda molécula de peróxido de hidrógeno para reformar Fe(III)-E y producir agua y oxígeno. La reactividad del centro de hierro puede mejorarse con la presencia del ligando fenolato de Tyr358 en la quinta posición de coordinación, que puede ayudar en la oxidación del Fe(III) a Fe(IV). La eficiencia de la reacción también puede mejorarse mediante las interacciones de His75 y Asn148 con los intermedios de reacción. La descomposición del peróxido de hidrógeno por la catalasa procede según una cinética de primer orden, siendo la velocidad proporcional a la concentración de peróxido de hidrógeno.

La catalasa también puede catalizar la oxidación, mediante peróxido de hidrógeno, de varios metabolitos y toxinas, incluidos formaldehído, ácido fórmico, fenoles, acetaldehído y alcoholes. Lo hace de acuerdo con la siguiente reacción:

H₂O₂ + H₂R → 2H₂O + R

Se desconoce el mecanismo exacto de esta reacción.

Cualquier ion de metal pesado (como los cationes de cobre en el sulfato de cobre (II)) puede actuar como un inhibidor no competitivo de la catalasa. Sin embargo, "la deficiencia de cobre puede conducir a una reducción de la actividad de la catalasa en los tejidos, como el corazón y el hígado". Además, el cianuro venenoso es un inhibidor no competitivo de la catalasa en altas concentraciones de peróxido de hidrógeno. El arseniato actúa como activador. Las estructuras proteicas tridimensionales de los intermedios de catalasa peroxidada están disponibles en el Banco de datos de proteínas.

Rol celular

El peróxido de hidrógeno es un subproducto dañino de muchos procesos metabólicos normales; para evitar daños a las células y tejidos, debe convertirse rápidamente en otras sustancias menos peligrosas. Con este fin, las células utilizan con frecuencia la catalasa para catalizar rápidamente la descomposición del peróxido de hidrógeno en moléculas de agua y oxígeno gaseoso menos reactivo.

Los ratones modificados genéticamente para carecer de catalasa son inicialmente fenotípicamente normales. Sin embargo, la deficiencia de catalasa en ratones puede aumentar la probabilidad de desarrollar obesidad, hígado graso y diabetes tipo 2. Algunos humanos tienen niveles muy bajos de catalasa (acatalasia), pero muestran pocos efectos nocivos.

El aumento del estrés oxidativo que se produce con el envejecimiento en ratones se alivia mediante la sobreexpresión de catalasa. Los ratones que sobreexpresan no muestran la pérdida de espermatozoides, germen testicular y células de Sertoli asociada con la edad que se observa en los ratones de tipo salvaje. El estrés oxidativo en ratones de tipo salvaje normalmente induce daño oxidativo en el ADN (medido como 8-oxodG) en los espermatozoides con el envejecimiento, pero estos daños se reducen significativamente en ratones envejecidos que sobreexpresan catalasa. Además, estos ratones que sobreexpresan no muestran una disminución en el número de crías por camada dependiente de la edad. La sobreexpresión de catalasa dirigida a las mitocondrias prolonga la vida útil de los ratones.

En los eucariotas, la catalasa generalmente se encuentra en un orgánulo celular llamado peroxisoma. Los peroxisomas en las células vegetales participan en la fotorrespiración (el uso de oxígeno y la producción de dióxido de carbono) y la fijación simbiótica de nitrógeno (la descomposición del nitrógeno diatómico (N₂) en átomos de nitrógeno reactivos). El peróxido de hidrógeno se usa como un potente agente antimicrobiano cuando las células están infectadas con un patógeno. Los patógenos catalasa positivos, como Mycobacterium tuberculosis, Legionella pneumophila y Campylobacter jejuni, producen catalasa para desactivar los radicales peróxido, lo que les permite sobrevivir ileso dentro del huésped.

Al igual que la alcohol deshidrogenasa, la catalasa convierte el etanol en acetaldehído, pero es poco probable que esta reacción sea fisiológicamente significativa.

Distribución entre organismos

La gran mayoría de los organismos conocidos usan catalasa en todos los órganos, con concentraciones particularmente altas en el hígado de los mamíferos. La catalasa se encuentra principalmente en los peroxisomas y el citosol de los eritrocitos (y a veces en las mitocondrias)

Casi todos los microorganismos aeróbicos utilizan catalasa. También está presente en algunos microorganismos anaerobios, como Methanosarcina barkeri. La catalasa también es universal entre las plantas y ocurre en la mayoría de los hongos.

Un uso único de la catalasa ocurre en el escarabajo bombardero. Este escarabajo tiene dos conjuntos de líquidos que se almacenan por separado en dos glándulas emparejadas. La más grande del par, la cámara de almacenamiento o depósito, contiene hidroquinonas y peróxido de hidrógeno, mientras que la más pequeña, la cámara de reacción, contiene catalasas y peroxidasas. Para activar el aerosol nocivo, el escarabajo mezcla el contenido de los dos compartimentos, lo que hace que se libere oxígeno del peróxido de hidrógeno. El oxígeno oxida las hidroquinonas y también actúa como propulsor. La reacción de oxidación es muy exotérmica (ΔH = −202,8 kJ/mol) y calienta rápidamente la mezcla hasta el punto de ebullición.

Las reinas longevas de la termita Reticulitermes speratus tienen un daño oxidativo significativamente menor en su ADN que los individuos no reproductivos (obreras y soldados). Las reinas tienen una actividad de catalasa más de dos veces mayor y niveles de expresión siete veces mayores del gen de catalasa RsCAT1 que las obreras. Parece que la capacidad antioxidante eficiente de las termitas reinas puede explicar en parte cómo alcanzan una vida más larga.

Las enzimas catalasa de varias especies tienen temperaturas óptimas muy diferentes. Los animales poiquilotérmicos suelen tener catalasas con temperaturas óptimas en el rango de 15 a 25 °C, mientras que las catalasas de mamíferos o aves pueden tener temperaturas óptimas superiores a 35 °C, y las catalasas de las plantas varían según su hábito de crecimiento. Por el contrario, la catalasa aislada de la arquea hipertermófila Pyrobaculum calidifontis tiene una temperatura óptima de 90 °C.

Importancia clínica y aplicación

Peróxido de hidrógeno

La catalasa se utiliza en la industria alimentaria para eliminar el peróxido de hidrógeno de la leche antes de la producción de queso. Otro uso es en envoltorios de alimentos, donde evita que los alimentos se oxiden. La catalasa también se usa en la industria textil, eliminando el peróxido de hidrógeno de las telas para asegurarse de que el material esté libre de peróxido.

Un uso menor es la higiene de las lentes de contacto: algunos productos de limpieza de lentes desinfectan las lentes con una solución de peróxido de hidrógeno; Luego se usa una solución que contiene catalasa para descomponer el peróxido de hidrógeno antes de volver a usar la lente.

Identificación bacteriana (prueba de catalasa)

Reacción catalana positiva

La prueba de catalasa es una de las tres pruebas principales utilizadas por los microbiólogos para identificar especies de bacterias. Si las bacterias poseen catalasa (es decir, son catalasa positivas), cuando se agrega una pequeña cantidad de aislado bacteriano al peróxido de hidrógeno, se observan burbujas de oxígeno. La prueba de catalasa se realiza colocando una gota de peróxido de hidrógeno en un portaobjetos de microscopio. Se toca la colonia con un aplicador y luego se unta la punta sobre la gota de peróxido de hidrógeno.

• Si la mezcla produce burbujas o heladas, se dice que el organismo es 'catalase-positivo'. Staphylococci y Micrococci son catalizadores. Otros organismos catalizadores incluyen Listeria, Corynebacterium diphtheriae, Burkholderia cepacia, Nocardia, la familia EnterobacteriaceaeCitrobacter, E. coli, Enterobacter, Klebsiella, Shigella, Yersinia, Proteus, Salmonella, Serratia), Pseudomonas, Mycobacterium tuberculosis, Aspergillus, Cryptococcus, y Rhodococcus equi.
• Si no, el organismo es 'catalase-negativo'. Streptococcus y Enterococcus Spp. son catalase negativo.

Si bien la prueba de catalasa por sí sola no puede identificar un organismo en particular, puede ayudar en la identificación cuando se combina con otras pruebas, como la resistencia a los antibióticos. La presencia de catalasa en las células bacterianas depende tanto de las condiciones de crecimiento como del medio utilizado para cultivar las células.

También se pueden usar tubos capilares. Se recoge una pequeña muestra de bacterias en el extremo del tubo capilar, sin obstruir el tubo, para evitar resultados falsos negativos. Luego, el extremo opuesto se sumerge en peróxido de hidrógeno, que se introduce en el tubo a través de la acción capilar y se invierte, de modo que la muestra bacteriana apunte hacia abajo. La mano que sostiene el tubo luego se golpea en el banco, moviendo el peróxido de hidrógeno hacia abajo hasta que toca la bacteria. Si se forman burbujas al contacto, esto indica un resultado positivo de catalasa. Esta prueba puede detectar bacterias catalasa positivas en concentraciones superiores a aproximadamente 10⁵ células/mL y es fácil de usar.

Virulencia bacteriana

Los neutrófilos y otros fagocitos usan peróxido para matar bacterias. La enzima NADPH oxidasa genera superóxido dentro del fagosoma, que se convierte mediante peróxido de hidrógeno en otras sustancias oxidantes como el ácido hipocloroso que mata a los patógenos fagocitados. En individuos con enfermedad granulomatosa crónica (CGD), la producción de peróxido fagocítico está alterada debido a un sistema defectuoso de NADPH oxidasa. El metabolismo celular normal aún producirá una pequeña cantidad de peróxido y este peróxido puede usarse para producir ácido hipocloroso para erradicar la infección bacteriana. Sin embargo, si las personas con CGD están infectadas con bacterias catalasa positivas, la catalasa bacteriana puede destruir el exceso de peróxido antes de que pueda usarse para producir otras sustancias oxidantes. En estos individuos el patógeno sobrevive y se convierte en una infección crónica. Esta infección crónica suele estar rodeada de macrófagos en un intento de aislar la infección. Esta pared de macrófagos que rodean a un patógeno se denomina granuloma. Muchas bacterias son catalasa positivas, pero algunas son mejores productoras de catalasa que otras. Algunas bacterias y hongos catalasa positivos incluyen: nocardia, pseudomonas, listeria, aspergillus, candida, E. coli, estafilococo, serratia, B. cepacia y H. pylori.

Acatalasia

La acatalasia es una condición causada por mutaciones homocigóticas en CAT, lo que resulta en una falta de catalasa. Los síntomas son leves e incluyen úlceras orales. Una mutación CAT heterocigota da como resultado una catalasa más baja, pero aún presente.

Cabello gris

Los niveles bajos de catalasa pueden desempeñar un papel en el proceso de encanecimiento del cabello humano. El peróxido de hidrógeno es producido naturalmente por el cuerpo y descompuesto por la catalasa. El peróxido de hidrógeno puede acumularse en los folículos pilosos y si los niveles de catalasa disminuyen, esta acumulación puede causar estrés oxidativo y encanecimiento. Estos niveles bajos de catalasa están asociados con la vejez. El peróxido de hidrógeno interfiere con la producción de melanina, el pigmento que le da color al cabello.

Interacciones

Se ha demostrado que la catalasa interactúa con los genes ABL2 y Abl. La infección con el virus de la leucemia murina hace que la actividad de la catalasa disminuya en los pulmones, el corazón y los riñones de los ratones. Por el contrario, el aceite de pescado en la dieta aumentó la actividad de la catalasa en el corazón y los riñones de los ratones.

Métodos para determinar la actividad de la catalasa

En 1870, Schoenn descubrió una formación de color amarillo a partir de la interacción del peróxido de hidrógeno con el molibdato; luego, a partir de mediados del siglo XX, esta reacción comenzó a utilizarse para la determinación colorimétrica del peróxido de hidrógeno sin reaccionar en el ensayo de actividad de catalasa. La reacción se volvió ampliamente utilizada después de las publicaciones de Korolyuk et al. (1988) y Gótico (1991).

La medición UV directa de la disminución de la concentración de peróxido de hidrógeno también se usa ampliamente después de las publicaciones de Beers & Sizer y Aebi.