CATALASA

CATALASA

Por David Sotelo Santo Domingo y Laura Viana Agudo

INTRODUCCIÓN

El oxígeno se trata de una molécula reactiva que, si se encuentra en las moléculas portadoras  de electrones, como se trata de la riboflavina y la niacina, puede adquirir el electrón transportado provocando la formación del peróxido de hidrógeno, comúnmente conocido como agua oxigenada, residuo del metabolismo celular. Esta molécula actúa como tóxico debido a la liberación de radicales libres con capacidad oxidante que, debido a su pequeño tamaño, pueden penetrar en las membranas plasmáticas. Si la concentración de radicales libres es elevada, se produce un proceso conocido como estrés oxidativo, en el que se produce la ruptura del equilibrio entre la célula y el radical mediante el aporte de un electrón desapareado por parte del radical libre, ligado a la aparición de procesos patológicos, entre los que cabe destacar el envejecimiento, la ateroesclerosis, el cáncer y la diabetes mellitus, entre otros.

Agua Hidrogenada: antioxidante frente al estrés oxidativo

Además, los iones de hierro libres tienen la capacidad de convertir el peróxido de hidrógeno en radicales hidroxilo, los cuales atacan y producen mutaciones en las moléculas de ADN.

Mutaciones inducidas | Mutaciones y Polimorfismos

Por ello, ante la presencia de peróxido de hidrógeno interviene la enzima catalasa, que es una oxidorreductasa encargada de la descomposición del H2O2 en agua y oxígeno, produciendo la eliminación del tóxico celular.

ESTRUCTURA

La catalasa forma parte de la familia de las oxidorreductasas. Son unas proteínas globulares que tienen el grupo hemo como grupo prostético, y que intervienen en la degradación del peróxido de hidrógeno resultante del metabolismo oxidativo de las células. La catalasa presenta una estructura homotetramérica en la que cada subunidad proteica consta de un sitio activo compuesto por un grupo hemo, formado por un anillo porfirínico, resultante de la unión de cuatro anillos pirrólicos, y un átomo de hierro. Además de este ligando, el cual aparece repetido cuatro veces en la catalasa de los eritrocitos humanos, también podemos observar la presencia de cuatro grupos acetato y dos moléculas de NADPH, que desempeñan un papel importante en el desarrollo de sus funciones.  De la misma manera, en otras catalasas puede darse la existencia de iones cianuro.

Ligando Hemo
Ligando NADPH
Ligando Acetato

Su dominio proteico está constituído por regiones disgregadas de hélices alfa y de láminas beta, las cuales vienen representadas en el diagrama de Ramachandran, creado en la plataforma UCSF Chimera. En este diagrama se puede observar el predominio de las láminas beta (región superior izquierda) y de las hélices alfa dextrógiras (región superior izquierda), frente a las hélices alfa levógiras (región posterior derecha).

Cada subunidad de la proteína consta de un dominio constituido por:

AMINO TERMINAL: se corresponde con el dominio de hélice α comprendido entre el primer aminoácido y el residuo catalítico de histidina.

BARRIL β: dominio más conservado, formado por ocho hebras antiparalelas, las cuales presentan asociadas hélices α. La primera mitad del barril β contiene la histidina y la asparagina del sitio activo, mientras que la segunda mitad del barril, une el NADPH. 

ASA ENVOLVENTE: constituye un dominio de hélice α, que comprende la zona de unión del barril β con el dominio de las hélices.

HÉLICES α: dominio formado por cuatro hélices  α, parecidas a las presentes en las globinas.

Dichas subunidades dimerizan gracias al entrelazamiento de monómeros, producido mediante la unión del amino terminal de un monómero con el asa envolvente del otro monómero. Finalmente, dos dímeros se unen para formar un tetrámero que da lugar a la estructura de la catalasa. 

MECANISMO

El mecanismo de reacción de las catalasas se produce en dos etapas. En primer lugar la catalasa sufre una oxidación por el peróxido de hidrógeno, produciéndose la formación del compuesto I (grupo ferroxilo y catión porfirínico) y una molécula de agua. En la segunda etapa, el compuesto I es reducido por otra molécula de peróxido de hidrógeno, que regenera la enzima a su estado inicial y produce agua y oxígeno molecular.

APLICACIONES: PAPEL BIOMÉDICO Y BIOTECNOLÓGICO

El principal papel de la catalasa se ubica en el metabolismo celular. Su función es descomponer el agua oxigenada (H202) en agua y oxígeno, ya que es un compuesto tóxico para la célula. Por tanto, esta proteína está involucrada en el mantenimiento del equilibrio oxidante y antioxidante. Por un lado:

·        La aplicación de este enzima a la medicina ha dado solución a diversas patologías tales como las lesiones hemorrágicas en la mucosa intestinal. Esto es causado por radicales de oxígeno. Un aumento de la actividad de CAT, siempre que se reduzca previamente el flujo sanguíneo, reduce los daños producidos.  Lo mismo ocurre con relación a ciertos problemas en la retina relacionados con la presencia de radicales libres.

·        En su papel antioxidante, también ayuda a aminorar los efectos de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. Su actividad confiere a las células una mejora de la supervivencia por la disminución de proteínas shock, que son aquellas que inducen a la enfermedad.

·        Un organismo con elevados niveles de catalasa tiene una esperanza de vida mayor. Las mitocondrias de los animales, al tener más enzimas, viven más tiempo. También mostraron una cantidad menor de enfermedades relacionadas con el envejecimiento( cardiacas y degenerativas).

·        La ausencia de CAT en un individuo por acatalasemia (enfermedad genética) desemboca en serios problemas en la mucosa bucal y, en casos extremos, diabetes y arterioesclerosis. Se trata de una patología rara, y actualmente no existe un tratamiento totalmente efectivo para tratarla, aunque se están investigando terapias génicas.

.       En la industria alimentaria, se combina con otros enzimas para conservar bebidas y ciertos alimentos. 

.       Por otra parte: Este enzima podemos encontrarlo en todos los organismos a excepción de los anaerobios estrictos, que mueren cuando se encuentran en medios con presencia de oxígeno.

·        Con este conocimiento, se le dio al agua oxigenada un papel desinfectante: es capaz de eliminar gran cantidad de bacterias a la vez que las catalasas la descomponen para evitar que individuo se intoxique. 

·        En el área de la parasitología, la determinación de la existencia de catalasa en el medio o no ayuda a discernir entre la presencia de una colonia de estreptococos, que no poseen el enzima; y otra de micrococos, que sí la tienen.

CONCLUSIÓN

La catalasa es un enzima presente en organismos que necesitan oxígeno para vivir. Su estructura globular con un dominio  α + β, al que aparecen asociados ligandos, le aporta la función de descomponer el agua oxigenada, producida en numerosas reacciones del metabolismo, en agua y oxígeno, que son dos moléculas que el organismo es capaz de asimilar. Para ello, esta enzima sigue dos pasos. Primeramente, el H2O2 la oxida y, a continuación, el producto de la reacción es reducido dando de nuevo una catalasa, además de H20 y 02.

Su importante papel antioxidante es clave en el tratamiento de diversas patologías, además de ser considerado un gran desinfectante bacteriano. No obstante, en ocasiones la falta de esta oxidorreductasa da lugar a una enfermedad denominada acatalasemia, que no es muy abundante a nivel poblacional, y es por ello que no se tiene un tratamiento seguro, ya que se ha investigado en poca profundidad su origen.

REFERENCIAS

Britannica, The Editors of Encyclopaedia. «catalase». Encyclopedia Britannica, 27 Dec. 2017, https://www.britannica.com/science/catalase. Accessed 17 January 2022.

Díaz, A. (2003). La estructura de las catalasas. REB, 22(2), 76-84.

Elejalde Guerra, J. I. (2001, June). Estrés oxidativo, enfermedades y tratamientos antioxidantes. In Anales de medicina interna (Vol. 18, No. 6, pp. 50-59). Arán Ediciones, SL.

Gomar, A. (2012). Electrophoretic characterization of D. melanogaster strains deficient in endogenous anti-oxidants in combination with gamma radiation.

López, I. S., Balbuena, L. M., & Hernández, A. J. (2015). El tema de la catalasa en los diferentes niveles de enseñanza aprendizaje. Revista Iberoamericana de Producción Académica y Gestión Educativa, 2(3).

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