Каталаза

Образовавшийся пероксид водорода подвергается превращениям под действием каталазы:

2 Н₂О₂ → 2 Н₂О + О₂ (11)

Каталаза (К.Ф. 1.11.1.6) локализована в основном в пероксисомах, где образуются наибольшие количества пероксида водорода, и в лейкоцитах для защиты клеток от последствий «респираторного взрыва» (см. п. 6.1.2.2).

Каталаза в зависимости от структуры относится к одному из трех семейств. Семейство 1 каталаз − это тетрамерные белки, состоящие из больших или малых субъединиц, содержащих гем. Гем включается в фермент во время его сборки в пероксисомах из мономеров, которые гем не содержат. Семейство 2 − это бифункциональные ферменты, проявляющие и каталазную, и пероксидазную активности и являющиеся гемсодержащими асимметричными димерами. Семейство 3 − гексамерные белки, содержащие по два иона марганца на мономер (рис. 6.2).

Реакция, катализируемая семействами 1 и 2 каталаз, состоит из двух стадий: сначала один атом кислорода из пероксида водорода включается в состав молекулы воды, а второй восстанавливается гемом с образованием оксоферрильного порфирин-π-радикального комплекса (compound I) (один электрон передается ионом железа, второй происходит из порфиринового кольца) (см. схему (12)). Во время второй стадии реакции оксоферрильное производное взаимодействует со второй молекулой пероксида водорода с образованием молекул воды, кислорода и восстановлением исходной формы фермента (схема (13)).

Enz (Por-Fe³⁺) + H₂O₂ → Cpd I (Por^+.-Fe⁴⁺ = O) + H₂O (12)

Cpd I (Por^+.-Fe⁴⁺= O) + H₂O₂ → Enz (Por-Fe³⁺) + H₂O + O₂ , (13)

где Enz − каталаза, Por − порфирин, Cpd I − промежуточное производное I (compound I).

Рис. 6.2. Пространственная структура каталазы: а − тетрамер, состоящий из малых субъединиц (Pseudomonas syringae); б − тетрамер, в состав которого входят большие субъединицы (E. сoli); в − димерная структура бифункционального фермента каталазы-пероксидазы (Burkholderia pseudomallei); г − гексамер Мn₂-содержащей каталазы (Lactobacillus plantarum). Гем в структурах а и б изображен синим цветом, ионы Мn в структуре г − красным (согласно [14])

В случае пероксидазной реакции, катализируемой ферментами семейства 2, необходим органический донор электронов для протекания второй стадии (8):

Cpd I (Por^+.-Fe⁴⁺= O) + 2AH₂ → Enz (Por-Fe³⁺) + 2AH^• + H₂O, (14)

где AH₂ является органическим соединением − донором электронов.

Особенностью этой группы ферментов является наличие в структуре ковалентного аддукта Мet-Tyr-Trp, в случае его отсутствия протекает только пероксидазная реакция.

Каталазы, относящиеся к семейству 3, катализируют реакции превращения пероксида водорода, где роль восстановителя выполняет комплекс из двух катионов марганца:

H₂O₂ + Mn²⁺-Mn²⁺ (2H+) → Mn³⁺-Mn³⁺ + 2 H₂O (15)

H₂O₂ + Mn³⁺-Mn³⁺ → Mn²⁺-Mn²⁺ (2H+) + O₂ , (16)

т. е. центр, содержащий два иона марганца, ведет себя аналогично гему в каталазах семейств 1 и 2.