Распространение, химическая природа и механизм действия

Каталаза широко распространена в растительных тканях. Она найдена почти во всех аэробнодышащих клетках и у некоторых факультативных анаэробов. Каталаза относится к Fe-порфириновым ферментам. Железо, входящее в состав простетической группы каталазы, по имеющимся данным, не изме­няет своей валентности в процессе катализа. Фактически во всех изолированных ферментах, содержащих железо, металл включен в порфирины в форме клешневидных хелатоподобных комплек­сов, но не присоединен непосредственно к белку.

Молекулярный вес кристаллической каталазы, активность ее и некоторые другие свойства, хотя и незначительно, но все же варьируют в зависимости от источника получения фермента, В связи с этим можно говорить о различных каталазах, подобно тому, как говорят о различных пероксидазах. Эти различия обусловлены, главным образом, различием в составе или структуре белкового компонента. Однако возможно, что у разных каталаз содержится неодинаковое число гематиновых групп. Например, каталаза растительного происхождения содержит только одну группу протогематина, тогда как катализа животного происхож­дения — четыре. Это подтверждается данными по определению интенсивности спектров, обусловленных протогематином, а также по содержанию железа. О различии свойств растительной и животной каталаз можно было бы достоверно судить только при сравнении кристаллических препаратов ферментов, свободных от примесей. Однако свободные от примеси кристаллические препараты каталазы пока не получены.

Сущность каталитического действия каталазы состоит в разложении перекиси водорода с выделением молекулярного кислорода. Реакция с участием каталазы требует двух молекул перекиси из которых одна действует как донатор, а другая как акцептор электронов.

Результаты многочисленных работ Б. Чанса, X. Теореля и Д. Кейлина позволяют представить механизм каталазной реак­ции следующим образом:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂

1. Fe ОН + НООН → Fe ООН + Н₂О

2. Fe ООН + НООН → Fe ОН + Н₂0 + 0₂

В реакции 1 происходит взаимодействие гидроксила гематина с перекисью водорода, в результате чего образуется солеобразное соединение представляющее собой одно из промежуточных соединений, — нестойкий перекисный комплекс I. Такой же комплекс образуется при действии пероксидазы на перекись водорода, или на органическую перекись. Разница со­стоит в том, что комплекс I пероксидаза — ООН быстро перехо­дит в комплекс II в присутствии донаторов водорода (например, полифенолов). При действии же каталазы комплекс I с пере­кисью водорода по мере образования восстанавливается другой молекулой перекиси, как это видно из реакции 2.

Образование комплекса II в каталазной реакции представ­ляет собой лишь побочную реакцию. Она ведет к инактивации каталазы и протекает медленнее по сравнению с реакцией ката­литического разложения перекиси. Кроме перекиси водорода, ка­талаза разлагает также некоторые однозамещенные производ­ные этой перекиси (например, моноэтилгидропероксид). На двузамещенные производные каталаза, в отличие от пероксидазы, не действует.

Изложенная теория действия каталазы хорошо объясняет неизменяемость валентности железа при действии этого фермен­та, а также ингибирование каталазы кислотами.

Кроме соединений (цианиды, азиды, сульфиды, гидроксиламин), которые блокируют железо гематиновой группы и таким путем инактивируют все гемпротеиновые ферменты, каталаза угнетается соединениями, которые не являются специфическими ферментными ядами. К таким соединениям относятся нитраты, ионы хлора, ацетата, фосфата, сульфата и др.

Торможение активности каталазы нитратным ионом среди других анионов оказывается наиболее сильным. Химически угне­тающее действие анионов можно представить следующим обра­зом. Гидроксильный ион, непосредственно участвующий в реак­ции каталазы с перекисью, может при определенных условиях быть вытесненным другим анионом, который займет место у же­леза. Таково химическое объяснение действия нитратов и других солей на каталазу; аналогично действуют они и на пероксидазу.

— Fe — ОН + НR = Fe R + Н2О

Механизм тормозящего влияния, оказываемого на каталазу многими кислотами (в частности, муравьиной, которая в кон­центрации 0,02 М почти полностью инактивирует каталазу) можно себе представить следующим образом:

где R — является какой-либо кислотой.

Из уравнения видно, что и в этом случае происходит удаление гидроксила, являющегося активным центром каталазы.