Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Catalasi
Molecola del mese di settembre 2004
La catalasi ci protegge dall'acqua ossigenata, una molecola ossidante pericolosa e reattiva, che trasforma in acqua e O2

Introduzione
Vivere con l'ossigeno è pericoloso. Noi lo utilizziamo per produrre energia nelle nostre cellule, ma l'ossigeno è una molecola molto reattiva che può provocare problemi seri se non viene tenuta strettamente sotto controllo. Uno dei pericoli maggiori nasce dal fatto che l'ossigeno può essere convertito facilmente in altri composti molto reattivi. Nelle nostre cellule gli elettroni vengono continuamente trasportati da un luogo all'altro da molecole trasportatrici di elettroni, come i citocromi, il coenzima Q o il FAD e il NAD che contengono rispettivamente riboflavina e niacina (vitamina B2 e B3). Se l'ossigeno incontra uno di questi trasportatori, può catturare accidentalmente un elettrone. Questo converte l'ossigeno in composti pericolosi come i radicali superossido e l'acqua ossigenata che attaccano e ossidano i delicati atomi di zolfo e gli ioni dei metalli nelle proteine. A peggiorare la situazione, gli ioni ferro liberi nella cellula talvolta convertono l'acqua ossigenata in radicali idrossido. Questi sono ancora più pericolosi e attaccano e mutano il DNA. Una teoria, ancora controversa, dice che questo tipo di danno ossidativo si accumula negli anni durante la nostra vita, causando l'invecchiamento.

Antiossidanti indispensabili
Fortunatamente, le cellule sintetizzano una varietà di enzimi antiossidanti per contrastare gli effetti collaterali pericolosi della vita con l'ossigeno. I due più importanti sono la superossido dismutasi (mdm 10-2007) che converte i radicali superossido in acqua ossigenata e ossigeno molecolare O2 e la catalasi che converte l'acqua ossigenata in acqua e ossigeno molecolare O2. L'importanza di questi enzimi è dimostrata dalla loro abbondanza, che varia da circa lo 0.1% delle proteine in una cellula di Escherichia coli ad un quarto delle proteine nei tipi di cellule più sensibili. Questa moltitudine di molecole di catalasi pattuglia la cellula, aggredisce le molecole di acqua ossigenata che vengono continuamente prodotte e le mantiene ad un livello di sicurezza.

Velocissima e stabile
Le catalasi sono tra gli enzimi più veloci che si conoscono. Ogni molecola di catalasi può decomporre milioni di molecole di acqua ossigenata al secondo. La catalasi bovina mostrata qui (file PDB 8cat) e la catalasi umana usano uno ione ferro per realizzare la reazione. L'enzima è composto di quattro subunità identiche, ognuna col suo proprio sito attivo nascosto in profondità. Lo ione ferro (verde) è legato al centro di un gruppo eme a forma di disco. Dato che le catalasi devono distruggere molecole molto reattive, sono anche enzimi insolitamente stabili. Notate che le quattro catene sono intrecciate e bloccano così l'intero complesso nella forma corretta.

Catalasi diverse
Cellule diverse costruiscono catalasi diverse. Molte di queste sono disponibili nel PDB per essere studiate.
La catalasi che protegge i nostri globuli rossi, mostrata qui a fianco sulla sinistra (file PDB 1qqw) è composta di quattro subunità identiche ed usa un ferro eme per compiere la reazione.
Molti batteri eliminano l'acqua ossigenata usando un enzima catalasi di dimensioni maggiori, mostrato qui a fianco al centro, (file PDB 1iph) che ha una struttura simile attorno al ferro eme.
Altri batteri si proteggono con una catalasi completamente diversa che usa ioni manganese invece del ferro eme, mostrata nella figura più a destra (file PDB 1jku).

Esplorando la struttura
La catalasi compie la sua rapida azione di distruzione dell'acqua ossigenata in due tappe successive.
Nella prima tappa, l'enzima lega una molecola di acqua ossigenata e la spezza in due frammenti diversi. Il primo è un atomo di ossigeno che rimane legato al ferro dell'eme, ed il secondo frammento viene rilasciato come semplice acqua.
Nella seconda tappa, l'enzima lega un'altra molecola di acqua ossigenata. Anche questa viene spezzata in due frammenti diversi. L'ossigeno viene combinato con l'altro atomo di ossigeno già legato al ferro producendo ossigeno gassoso O2.. La parte restante viene rilasciata come acqua.
Nella figura qui a fianco (file PDB 2cag) è rappresentata la catalasi nel mezzo di questa reazione a due tappe. Il primo atomo di ossigeno è già legato al ferro, pronto per legarsi alla seconda molecola di acqua ossigenata. Gli amminoacidi istidina 54 e asparagina 127 aiutano la reazione. La piccola molecola sulla sinistra è un inibitore che i ricercatori hanno usato per bloccare l'enzima in questa forma significativa, dando così loro il tempo necessario per studiarla.





Bibliografia
P. Chelikani, I. Fita and P. C. Loewen (2004) Diversity of structures and properties among catalases. Cellular and Molecular Life Sciences 61, 192-208.
J. A. Imlay (2003) Pathways of oxidative damage. Annual Review of Microbiology 57, 395- 418.
P. Nicholls, I. Fita and P. C. Loewen (2001) Enzymology and structure of catalases. Advances in Inorganic Chemistry 51, 51-106.

 

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