Įvadas
Straipsnyje nagrinėjamas katalazės aktyvumas, priklausomai nuo substrato, apžvelgiant oksidacijos-redukcijos procesus, fermentų klasifikaciją ir nomenklatūrą, laisvuosius radikalus ir kitus veiksnius, turinčius įtakos fermentų aktyvumui. Katalazė - tai fermentas, kuris katalizuoja vandenilio peroksido (H2O2) skilimą į vandenį ir deguonį, apsaugodamas ląsteles nuo žalingo peroksido poveikio.
Oksidoreduktazės ir Oksigenazės: Pagrindiniai Katalizatoriai
Oksidoreduktazės - tai fermentų grupė, katalizuojanti oksidacijos-redukcijos procesus organizme. Dauguma šios klasės fermentų yra vadinami dehidrogenazėmis, kai kurie - oksidazėmis, oksigenazėmis, peroksidazėmis ar reduktazėmis. Oksidoreduktazės katalizuoja elektronų pernešimą nuo reduktoriaus (elektronų donoro) prie oksidatoriaus (elektronų akceptoriaus). Reakcijos, katalizuojamos oksidoreduktazių, bendrai gali būti pavaizduotos maždaug taip: A- + B → A + B- . A yra reduktorius (elektronų donoras), o B - oksidatorius (elektronų akceptorius).
Oksigenazės yra oksidoreduktazių klasės (EC 1) fermentai, katalizuojantys O2 įjungimą į molekulę. Skirstomos į du poklasius: monooksigenazės (EC 1.14) ir dioksigenazės (EC 1.13). Monooksigenazės (arba mišrių funkcijų oksidazės) katalizuoja reakcijas, kurių metu vienas deguonies atomas kaip hidroksilgrupė prijungiamas prie substrato, o kitas redukuojamas iki vandens molekulės. Dioksigenazės (arba deguonies transferazės) abu deguonies atomus įterpia į reakcijoje susidarančio produkto sudėtį.
Oksidacijos-Redukcijos Reakcijos: Elektronų Perdavimo Esminis Procesas
Oksidacijos-redukcijos reakcija (redokso reakcija) - tai reakcija, kai vienas elementas atiduoda elektronus, o kitas juos prisijungia. Tai dvi neatskiriamos, lygiagrečiai vykstančios cheminės reakcijos, kurių metu viena dalelė (atomas, molekulė) iš reaguojančių medžiagų oksiduojasi, kita - redukuojasi. Oksidacijos metu atomai arba jonai atiduoda (netenka) elektronus, o patys atomai arba jonai yra vadinami reduktoriais. Redukcijos metu atomai arba jonai prijungia (pritraukia) elektronus, o patys atomai arba jonai - oksidatoriais.
Fermentų Klasifikacija ir Nomenklatūra
Pagal tarptautinę fermentų klasifikaciją ir nomenklatūrą oksidoreduktazės priskiriamos 1 klasei, kurios ribose yra išskiriama 22 poklasiai. Tai yra kiekvienos klasės fermentai dar sugrupuoti į poklasius pagal pagrindinius substratus, dalyvaujančius tokio tipo cheminėse reakcijose (antrasis skaičius sisteminiame fermento pavadinime). Oksidoreduktazės atima elektronus iš oksiduojamo substrato ir perduoda juos redukuojamam junginiui. Atsižvelgiant į šių procesų pobūdį, yra skiriami 22 oksidoreduktazių poklasiai, suformuoti pagal oksiduoduojamos medžiagos (reduktoriaus) tipą, popoklasiai (trečiasis skaičius sisteminiame fermento pavadinime) - pagal oksidatoriaus (redukuojančio ekvivalento akceptoriaus) tipą. Oksidoreduktazių poklasių pavyzdys gali būti jau minėtos dehidrogenazės, peroksidazės, reduktazės, oksidazės, oksigenazės ir t. t. Ketvirtas kodo skaičius rodo fermento eilės numerį popoklasyje.
Taip pat skaitykite: Katalazės aktyvumo tyrimas
Laisvieji Radikalai ir Aktyviosios Deguonies Formos
Laisvieji radikalai - tai atomai arba molekulės, turinčios nesuporuotų elektronų išorinėje orbitalėje. Jie yra nestabilūs, chemiškai labai aktyvūs ir turi trumpą gyvavimo trukmę. Laisvieji radikalai gali sukelti grandinines reakcijas, užpildydami savo nesuporuoto elektrono orbitalę elektronu, atplėštu nuo kitos molekulės, ir taip pastarąją paversdami laisvuoju radikalu. Elektroninė deguonies struktūra yra tokia, kad ji gali prisijungti po vieną elektroną ir sudaryti deguonies radikalus ir kitas chemiškai aktyviąsias deguonies formas (pvz., superoksidas O2- •, vandenilio peroksidas H2O2, hidroksiradikalas OH• ir kt.).
Organizme laisvieji radikalai susidaro, veikiami išorės kenksmingų medžiagų, pvz., nikotino, oro teršalų ar sunkiųjų metalų. Savo kilme laisvieji radikalai gali būti pirminiai, antriniai ir tretiniai. Pirminiai radikalai (superoksidas, semiubichinonas) susidaro elektronų poras turinčių junginių vienelektroninės redukcijos metu.
Superoksidas
Superoksidas (superoksido anijonradikalas, superoksido anijonas) - tai deguonies molekulės jonas su nesuporuotu elektronu (cheminė formulė O2-•). Superoksido jonas yra laisvasis radikalas, vienas iš aktyviųjų deguonies formų. Turėdamas vieną nesuporuotą elektroną superoksidas yra priskiriamas laisviesiems radikalams, turi trumpą gyvavimo laikotarpį (nuo milisekundės iki sekundės), geba spontaniškai dismutuoti su vandeniu į deguonį ir vandenilio peroksidą.
Superoksidas susidaro kai deguonies molekulė prisijungia vieną papildomą elektroną ir tuo pačiu dalinai redukuojasi (pilnai redukuotas deguonis yra vandens molekulėje), taip pat esant jonizuojančios spinduliuotės poveikiui. Jis yra priskiriamas reaktyvioms deguonies formoms ir vaidina svarbų vaidmenį oksidaciniame strese. Superoksido radikalas, normaliose fiziologinėse sąlygose, pastoviai susidaro ląstelėje. Žmogaus organizme jis gali susidaryti, veikiant keliems mechanizmams. Adrenalinas, flavino nukleotidai, tiolio junginiai, gliukozė, kai kurie kiti junginiai gali oksiduoti deguonį ir taip susidaro superoksido radikalai. Superoksido susidarymo reakcijas labai pagreitina kintamojo valentingumo metalai nešikliai, tai - geležies ir vario jonai.
Hidroksiradikalas
Hidroksiradikalas (OH•) - neutrali hidroksido jono forma. Vienelektroninės H2O2 redukcijos metu susidaro hidroksilo radikalas, kuris pasižymi ypač dideliu reaktyvumu. Pats stipriausias ir aktyviausias oksidatorius, aktyvusis radikalas, priskiriamas prie reaktyviųjų deguonies formų.
Taip pat skaitykite: Psichologinis tyrimas: depresijos diagnostika
Hidroksiradikalai susidaro gyvojoje ir negyvojoje gamtoje. H2O2 skilimas, dalyvaujant pereinamiesiems metalams, yra pagrindinis hidroksiradikalų susidarymo būdas (Fentono reakcija). Jo gyvavimo trukmė apie 10-9 s, difuzijos spindulys - mažiau kaip 10 nm, todėl veikia tik arti taikinio esančias molekules. Šis radikalas nejudrus, nes iš karto (susidarymo vietoje) reaguoja su aplinkinėmis molekulėmis, jas pažeisdamas. Tai ypač stiprus oksidatorius.
Vandenilio Peroksidas
Vandenilio peroksidas - divandenilio dioksidas, cheminė formulė - H2O2 ; stiprus oksidatorius, bespalvis, bekvapis. Junginys yra labai panašus į vandenį skystis; molekulė turi peroksido grupę, t. y. tarpusavyje viengubuoju ryšiu susijungusius deguonies atomus. Kaitinamas arba veikiamas katalizatorių (pvz., MnO2 ) vandenilio peroksidas skyla į deguonį ir vandenį.
Kalbant apie vandenilio peroksido biologinę reikšmę organizme, tai tam tikrų reakcijų metu organizme susidaręs vandenilio peroksidas yra laikomas viena iš aktyviųjų deguonies formų, kuri pažeidžia biomolekules. Nors vandenilio peroksidas ir yra viena iš aktyviųjų deguonies formų, jis nėra radikalas, tačiau gali oksiduoti baltymų -SH grupes, metalų jonus, veikiančius kaip kofaktoriai, Fe-S centrus ir atpalaiduoja Fe, taip pat lėtai reaguoja su GSH ir cisteino aminorūgštimi. Be vandenilio peroksido gebėjimo oksiduoti daug medžiagų, jo pagrindinis toksinis poveikis susijęs su jo virtimu hidroksiradikalu.
Azoto Monoksidas
Azoto monoksidas - azoto oksidas, bespalvės, vandenyje mažai tirpios dujos, cheminė formulė NO. Organizme azoto oksido radikalas (NO•) susidaro iš arginino, reaguoja su vandenilio peroksidu ir sudaro peroksonitritą. Žmogaus organizme, jungiantis vienam azoto atomui su vienu deguonies atomu, susidaro molekulė, turinti nesuporuotą elektronų porą, todėl NO yra laikomas radikalu.
Dažniausiai NO toksiškumas yra siejamas su jo geba sudaryti peroksinitritą. Peroksinitritas susidaro reakcijų su superoksidu (O2- ) metu: NO + O2- → ONOO-.
Taip pat skaitykite: Kodėl vaikai slepia tiesą nuo tėvų?
Superoksido Dismutazė ir Katalazė: Apsauga Nuo Aktyviųjų Deguonies Formų
Superoksido dismutazė (SOD) - fermentas, priskiriamas antioksidantiniams fermentams, apsaugantis ląsteles ir audinius nuo susidariusių aktyviųjų deguonies formų žalos. Superoksido dismutazė yra pirmoji antioksidacine apsauga, kuri katalizuoja superoksido virsmą vandenilio peroksidu: O2-• + O2-• + 2H+ →SOD H2O2 + O2. SOD katalizuoja dviejų superoksido anijonų susijungimą (dismutaciją) į deguonies molekulę, o vandenilio peroksidas suskaidomas katalizuojant katalazei, hemą turinčiam fermentui. SOD ir katalazė, pašalindamos superoksidą ir vandenilio peroksidą, apsaugo ląsteles.
Katalazės Aktyvumo Priklausomybė Nuo Substrato
Katalazės aktyvumas priklauso nuo substrato, t. y. nuo vandenilio peroksido koncentracijos ir kitų aplinkos veiksnių. Optimaliomis sąlygomis katalazė veikia efektyviausiai, tačiau aktyvumą gali slopinti įvairūs inhibitoriai arba ekstremalios temperatūros ir pH reikšmės.
Substrato Poveikis
Katalazės aktyvumas tiesiogiai priklauso nuo vandenilio peroksido (H2O2) koncentracijos. Jei H2O2 koncentracija yra per didelė, fermentas gali būti inaktyvuotas.
Temperatūros Poveikis
Katalazės aktyvumas didėja, kylant temperatūrai, tačiau tik iki tam tikros ribos. Per aukšta temperatūra gali denatūruoti fermentą ir sumažinti jo aktyvumą.
pH Poveikis
Katalazė veikia efektyviausiai tam tikrame pH intervale. Ekstremalios pH reikšmės gali denatūruoti fermentą ir sumažinti jo aktyvumą.
Inhibitorių Poveikis
Įvairūs inhibitoriai, tokie kaip cianidai, azidai ir sunkūs metalai, gali slopinti katalazės aktyvumą, blokuodami aktyvųjį centrą arba keisdami fermento struktūrą.
Fermentų Panaudojimas Maisto Pramonėje
Fermentai maisto pramonėj naudojami labai plačiai. Jie naudojami pieno, mėsos duonos, konditerijos, gėrimų ir kitose maisto pramonės šakose. Pieno pramonėj naudojami iš vienų produktų sudarant kitus, pavyzdžiui, iš pieno gaminant sūrius; mėsos pramonėj skaidant, brandinant mėsą; dduonos, konditerijos kaip pagalbiniai priedai, gėrimų pramonėj daugiausiai kaip brandinimo medžiagos. Daugelio maisto produktų gamyboje yra naudojami fermentų preparatai, išskirti iš gyvulinės ir augalinės kilmės žaliavų.
tags: #katalazes #tyrimas #priklausomybe #nuo #substrato