CATALASA

Aitana García, Natalia Guio y Paloma de Heras.

Los organismos, como resultado del metabolismo de sus células, producen especies químicas muy reactivas y en algunos casos, tóxicas. Estos residuos deben ser transformados en otras sustancias menos peligrosas para la célula. Para evitar la acumulación de aquellos radicales libres dañinos los organismos han desarrollado diversos sistemas defensivos antioxidantes en los que se incluye la enzima catalasa, entre otras.

  1. Estructura
  2. Papel biológico y bioquímico
  3. Evolución
  4. Implicaciones biomédicas y biotecnológicas
  5. Bibliografía

1. Estructura

La catalasa  es un enzima que podemos observar sobre todo en organismos aeróbicos, cuyo peso molecular lo podemos situar entre los 210-280 kd.

Esta enzima se encuentra en el interior de los peroxisomas, y es en ellos donde ejerce su función antioxidante. Esta función será más alta en el hígado y en los riñones, en cambio, será más baja o incluso nula en el tejido nervioso.También puede ejercer su función en el tejido conectivo aunque esta será baja.

Actualmente podemos diferenciar 9 tipos de catalasas diferentes, las cuales se diferencian en el tamaño de sus subunidades. Estas están unidas por enlaces no covalentes. 

Por ejemplo, en el caso de la catalasa humana está unida a 4 moléculas de NADPH, 1 en cada subunidad, pero estas no presentan ninguna interacción con el grupo hemo también presentes en cada subunidad, además no intervienen en su función antioxidante.

Por lo tanto en función del tamaño de estas subunidades cada catalasa tiene unas características particulares. 

En estas subunidades  es donde se encuentra el grupo hemo característico de estas enzimas, ya que se tratan de hemoproteinas, y el grupo prostético de protoporfirina IX.

En cuanto a la estructura de las catalasas, en su mayoría consta de las siguientes partes:

1) Un amino terminal, 2) Un barril β , 3) Un asa en volvente,  4) Un dominio de hélices y, en el caso de las catalasas grandes, 5) El dominio tipo flavodoxina del carboxilo terminal.

Amino terminal 

Estabiliza las cuatro subunidades de la catalasa. Suele estar formado por 60 aminoácidos, aunque este número puede variar en función de los distintos tipos de catalasa, pudiendo llegar a tener 17 aminoácidos.

Estos aminoácidos están colocados de forma curvada y el último de estos se encuentra unido al residuo de histadina.

Además, esta estructura, está formada por estructuras secundarias, fundamentalmente por hélices alfa. 

Barril β

Este está formado por ocho láminas β-plegadas antiparalelas, que ocupa unos 260 aminoácidos con hélices a y láminas β. Esta estructura se mantiene gracias a los puentes de hidrógeno que hay entre las cadenas del barril β.

El barril β se puede dividir en dos partes; la primera posee las proteínas histidina y la asparagina, las cuales son muy importantes en esta estructura.

Por otra parte la función de la segunda parte es unir las catalasas al NADPH.

En conclusión, el barril se encarga de aportar los residuos de unión lateral, a los cuales se enlazarán el grupo hemo.

Asa en volante

Este contiene cuatro hélices alfa  que rodean el dominio exterior donde se encuentra el grupo hemo y permite la unión del barril β con el dominio de hélices. 

Dominio de hélices

Su estructura secundaria está formado principalmente por hélices alfas, en concreto por cuatro, las cuales van seguidas de unos 60 aminoácidos.

Dominio en el carboxilo terminal, de tipo flavodoxina

Este dominio, de unos 150 aminoácidos y formados por estructuras alfa y β, se encuentra en el extremo carboxilo terminal de las catalasas grandes, a diferencia de las catalasas pequeñas, y debido a este, las catalasas grandes no pueden unir NADPH, ya que los aminoácidos que hay entre los dos dominios tapan este sitio de unión. Otra características es que las catalasas grandes poseen una mayor estabilidad y resistencia que la catalasas pequeñas. Esta se puede deber al domio extra que poseen en el extremo C-terminal

2. Papel biológico y bioquímico

La catalasa cumple un papel vital en el metabolismo, eliminando especies altamente reactivas del oxígeno, como el peróxido de hidrógeno (H2O2), que pueden ser perjudiciales para las proteínas, los ácidos nucleicos y los lípidos de las células.  Las especies reactivas del oxígeno, conocidas como ROS en inglés Reactive Oxigen Species son productos de la ruptura o excitación de la molécula de oxígeno y causan el estrés oxidativo de las células. En ellas , la catalasa se encuentra en unos orgánulos llamados peroxisomas (80%) y en el citoplasma (20%). 
El peróxido se origina durante la reducción de  dioxígeno(O2) en agua(H2O), por la dismutación del radical superóxido y por acción de otras enzimas, las oxidasas.

Reducción del dioxígeno a agua. Generación de ROS, a partir de oxígeno en estado triplete, mediante redistribución electrónica o por reducción secuencial con un electrón. Modificado de Apel K y Hirt H. 2004.

Además de la catalasa, en la eliminación del peróxido intervienen las peroxidasas y las peroxirredoxinas (I y II), las cuales actúan sobre el sustrato reducido.
Dentro de la catalasa encontramos tres grupos: 

  • Las catalasas monofuncionales. Tienen el grupo hemo y se hallan en procariotas y eucariotas.
  • Las Mn-catalasas. Sustituyen el grupo hemo por manganeso y las encontramos en procariotas anaerobios. 
  • Las catalasas peroxidasas que realiza las funciones de catalasa y peroxidasa. Se encuentran en bacterias y hongos.

Actividad enzimática

En esta reacción, dos moléculas de peróxido mediante la acción de la catalasa producen dos moléculas de agua y una molécula de oxígeno. De este modo se evita la formación del radical hidroxilo y el oxígeno singlete, los cuales contribuyen al estrés oxidativo de la célula.

Dismutación del peróxido de hidrógeno.

Una de las moléculas de peróxido cede electrones (dador) y la otra molécula acepta electrones (aceptor). La reacción consta de dos etapas:

  1. La catalasa es oxidada por el peróxido siendo el resultado una molécula de agua y el compuesto I, intermediario de la reacción global y formado por un grupo ferroxilo y un radical catiónico de porfirina.
  2. La otra molécula de peróxido restante reduce al complejo I, es decir devuelve a la catalasa a su forma original. De esta reducción se origina una molécula de agua y otra de oxígeno. 

Además, la catalasa puede llevar a cabo actividad enzimática a modo de peroxidasa, oxidando ciertos compuestos como el etanol, metanol, ácido fórmico y fenoles. Para ello, una molécula de peróxido actúa como agente oxidante. Un ejemplo de este tipo de actividad enzimática de la catalasa sería la reacción del peróxido con el etanol, que tiene como producto principal el acetaldehído, implicado en los efectos del alcohol (etílico) en humanos. 
La catalasa aunque posee una gran capacidad de destruir el peróxido, su afinidad por este es baja por lo que el enzima requiere altas concentraciones del sustrato para activarse.

3. Evolución

  Hace más de 2.500 millones de años tuvo lugar en la Tierra un acontecimiento importante pero a la vez devastador. En este momento, las bacterias reinaban sobre la faz de la Tierra. A raíz del surgimiento del enzima rubisco permitió la realización de la fotosíntesis por parte de un grupo de bacterias (un tipo de eubacterias): las cianobacterias. Debido a esto se fue acumulando progresivamente oxígeno en la atmósfera, haciendo que cambiarán las condiciones climáticas de la Tierra y produciendo la primera gran glaciación, produciendo la primera extinción masiva en la cual desaparecieron en torno al 90% de las especies de microorganismos, que en aquel momento eran los seres predominantes.

Debido a estos hechos, las especies tuvieron que adaptarse a estas nuevas condiciones empleando para ello nuevos mecanismos mediante los cuales eliminar los radicales libres producidos por el oxígeno liberado a la atmósfera. Estos mecanismos son las moléculas antioxidantes.

Algunas de estas son el ácido ascórbico o el tocoferol pero las más importantes y efectivas son la SOD, la catalasa y la peroxidasa. Así los seres vivos pudieron sobrevivir a estas nuevas condiciones, evolucionando y desarrollándose.

4. Implicaciones biomédicas y biotecnológicas

Siguiendo con lo dicho en los apartados anteriores, podemos concluir en este que la enzima catalasa (CAT) tiene una gran importancia dentro de los seres vivos. sin embargo, esto no sólo incluye a la propia función de la CAT producida en el organismo, sino que también cumple otras funciones las cuales algunas son más indirectas y otras son más focalizadas a, por ejemplo, tratar una determinada patología o para una terapia.

En cualquier caso, en este apartado vamos a centrarnos en las posible y las ya demostradas implicaciones biomédicas y/o biotecnológicas (ya que muchas veces están relacionadas) que posee:

La catalasa como conservante alimentario.

La enzima CAT, al igual que otras enzimas antioxidantes como la glucosa oxidasa (GOD) y la superóxido dismutasa (SOD), son empleados en la industria alimentaria como aditivos alimentarios para la conservación de los alimentos.

En este caso vamos a hablar de un estudio en el cual se empleaban la enzima CAT, la GOD y un determinado hongo (A.niger). En este experimento se tiene como objetivo testar la capacidad que ambos enzimas tienen para aumentar el tiempo de conservación y otras características a potenciar en los productos procesados durante el almacenamiento. Mientras que la GOD se encarga de catalizar diversas oxidaciones, como el peróxido de hidrógeno (el cual es el que nos interesa en este caso y es tóxico), mientras que la CAT se encarga de catalizar los residuos producidos por la acción de la GOD en el paso anterior. Se concluyó en este estudio que ambas enzimas lograban eliminar casi la totalidad del óxigeno, el cual producía en los alimentos diversos inconvenientes como la pérdida de color y sabor. Se demostró así la gran efectividad del empleo conjunto de las dos enzimas.

En otro estudio también interesante se centró en comprobar la capacidad enzimática de la enzima CAT y la SOD para tratar de reducir la senescencia.

La senescencia se refiere al envejecimiento celular y al hecho de que nuestras propias células tienen un número limitado de divisiones. Por tanto, mediante este experimento se comprobó la capacidad que tenían ambas enzimas para retrasar este proceso en una fruta, la fruta del dragón (la cual es una fruta exótica procedente del continente americano), para tratar de aumentar su conservación y vida.

Este proceso se llevó a cabo en varios días, en los cuales iban variando las temperaturas de 22º C a 3ºC. Como resumen del experimento se comprobó que la CAT era muy sensible a los cambios de temperatura y sobre todo a aquellas más bajas, incluso dejando de funcionar, mientras que la enzima SOD su actividad no fue inhibida por el frío, al contrario de la CAT, la cual es más eficiente en temperaturas moderadas que en frías.

La catalasa y su papel en la industria alimentaria.

A pesar de lo dicho anteriormente conviene separa en otro apartado otra implicación de la catalasa en esta industria. En otro estudio, también relacionado con la capacidad antioxidante de la CAT, fue el presentado al Congreso Nacional de Biotecnología del 18 al 21 de junio de 2017, en Murcia. En el se ponía en manifiesto la capacidad de eliminación de las aminas biogénicas producidas en la fermentación de diversos alimentos (como el vino y el queso) mediante un innovador y novedoso método multienzimático el cual se basa en el empleo de la enzima CAT y un amino oxidasa en reacciones acopladas, consiguiendo así la eliminación de estas aminas. Una de las más peligrosas es la histamina. En general, las aminas biogénicas suelen provocar dolores de cabeza, palpitaciones, hipertensión, hipotensión, naúseas y demás afecciones, así como un olor y sabor desagradable en el vino, poniendo en serio riesgo la salud de los consumidores.

  Mediante la unión covalente de ambas enzimas en soportes ya existentes y muy activos implica que muchos residuos, presentes en sus superficies, promuevan la rigidificación de la enzima, volviéndola más estable y evitando así que cambie su estructura. De esta forma se consiguió eliminar el 100%  de la histamina y el H2O2 casi instantáneamente, mostrando su gran efectividad, de nuevo, y su potencial en este sector.

La catalasa y el cáncer.

Antes de hablar del estudio que nos interesa es conveniente primero nombrar otro para poner en situación el siguiente estudio.

También, mediante diversos estudios, como el realizado por el departamento de Fisiopatología y Genética Molecular Humana y el CSIC (Centro de Investigaciones Biológicas) en Madrid el experimento se realizó teniendo en cuenta dos grupos de individuos, los cuales se encontraban entre los 50-93 años. En el grupo control los sujetos no padecían ninguna patología importante, mientras que el otro grupo tenían diversas patologías como hipertensión, insuficiencias coronarias, artritis… Se concluyó en él que los niveles de catalasa disminuyen con la edad, más en hombres que en mujeres (lo cual también puede indicarnos el por qué de que las mujeres son más longevas que los hombres). En el grupo control las diferencias entre hombres/mujeres e individuos de diversas edades eran muy acentuadas, mientras que en el otro grupo eran menores. Sin embargo, estos individuos sufrían de más enfermedades prostáticas que el grupo control, en el cual descendían también los niveles de CAT en la próstata y el sistema cardiovascular, pero no tanto.

Con este estudio podemos así comprender mejor el siguiente. En este estudio se señaló que el bajo nivel de CAT podía ser un indicador de cánceres de próstata.

Otro estudio que también llegaba a la misma conclusión que el anterior fue el realizado por Greenstein y sus colaboradores. En este se afirmaba que en aquellos individuos con tumores tenían un menor nivel de catalasa hepática y, que al eliminar estos tumores los niveles volvían a la normalidad. Este hecho se debía a la presencia de una sustancia tóxica que emitían estos tumores, sin embargo, también se apuntó que si la cantidad de esta toxina no era muy elevada, el nivel de estas catalasas no se vería afectado.

Por último, otro estudio sobre miomas (tumores, generalmente benignos, muy comunes en mujeres), se señaló que, al aumentar la edad descendían los niveles de CAT pero, por el contrario, aumentaban los de SOD, como para compensar este descendimiento. También se resaltó que las mujeres tenían mayores niveles de ambos enzimas que los hombres y, por ende, estas enzimas podrían ser las responsables de la mayor longevidad entre las mujeres y, por tanto, muy interesantes en los estudios de envejecimiento celular.

La catalasa ayuda a prevenir/curar diversas enfermedades.

  También se ha comprobado que la ingesta de diversos antioxidantes puede disminuir o evitar el padecimiento de diversas enfermedades y/o trastornos. De igual forma, su deficiencia suele ser un claro aviso de que algo no va bien en el organismo y, por ende, sería preferible estudiarlo con detenimiento.

Los antioxidantes dichos anteriormente, así como la catalasa serían de vital importancia en el tratamiento de diversas enfermedades, debido, por ejemplo, a algún tipo de mutación en el gen de estos enzimas, lo cual provocaría el desarrollo de la enfermedad. Este es el caso de la enzima SOD, en concreto la SOD-2, la cual si sufre una mutación su gen se podrían desarrollar diversas enfermedades como el Parkinson, Alzheimer y diversos cánceres. De igual forma, la CAT es utilizada en diversas terapias contra cánceres, alergias al polen o el desarrollo de la enfermedad de Crohn. En este último caso, si la CAT no funciona adecuadamente podría provocar el aumento de las especies reactivas con el oxígeno, lo cual provocaría el padecimiento de esta enfermedad intestinal.

5. Bibliografía

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