5.1: Каталаза і пероксидаза

Опис ферментів

Каталаза і пероксидаза - це ферменти гема, які каталізують реакції перекису водню. ^94,95 У каталазі ферментативна реакція - це диспропорція перекису водню (реакція 5.82), і функція ферменту, як видається, запобігає будь-якому накопиченню цього потенційно небезпечного окислювача (див. Обговорення токсичності диоксигену в Розділі III).

\[2H_{2}O_{2} \xrightarrow{catalase} 2H_{2}O + O_{2} \tag{5.82}\]

Пероксидаза реагує механізмами, подібними до каталази, але каталізована реакція - окислення широкого спектру органічних і неорганічних субстратів пероксидом водню (Reaction 5.83).

\[H_{2}O_{2} + AH_{2} \xrightarrow{peroxidase} 2H_{2}O + A \tag{5.83}\]

(Реакцію каталази можна розглядати як окремий випадок Реакція 5.83, в якій субстратом, AH ₂, є перекисом водню.) Деякі приклади пероксидаз, які були охарактеризовані, - це пероксидаза хрону, цитохром c пероксидаза, глутатіонпероксидаза та мієлопероксидаза. ^94,95

Визначено рентгенівські кристалічні структури для каталази яловичої печінки ⁸⁰ та пероксидази хрону ⁹⁶ у стані спокою, високошвидкісного заліза. В обох на активному сайті є одна тема b група. У каталазі осьові ліганди являють собою фенолат із залишку тирозилу, пов'язаний з гемом збоку від порожнини активного місця, і водою, пов'язаною з гемом всередині порожнини і імовірно заміненої перекисом водню в каталітичній реакції. У пероксидазі хрону осьовий ліганд являє собою імідазол із залишку гістидилу. Також всередині порожнини активного сайту знаходяться бічні ланцюги гістидину та аспартату або аспарагіну, які, здається, ідеально розташовані для взаємодії з перекисом водню, коли вона пов'язана із залізом. Вважається, що ці залишки відіграють важливу роль у механізмі, полегшуючи розщеплення O—O зв'язку (див. Розділ VI.B нижче).

Можуть генеруватися три інші форми каталази та пероксидази, які називаються сполуками I, II та III. З'єднання I утворюється реакцією стану заліза ферментів з перекисом водню. З'єднання I має зелений колір і має спектральні характеристики, дуже схожі на комплекс Fe ^IV (P ^•-) (O) ⁺, отриманий при низьких температурах реакцією порфіринів заліза з донорами однокисневого атома (див. Розділ V.c.1.a). Титрування з відновниками свідчать про те, що він окислюється двома еквівалентами вище залізної форми. Запропоновано (див. 5.84), що аніонна природа тирозинатного осьового ліганду в каталазі може служити для стабілізації високо окисленого центру заліза в сполуці I цього ферменту ⁸⁰ і, крім того, що ліганд гістидилімідазолу в пероксидазі може депротонувати, утворюючи імідазолат, ^{52 ,97} або може бути сильно пов'язаним з воднем, ⁹⁸, таким чином, виконує аналогічну стабілізуючу функцію для з'єднання I в цьому ферменті.

\(\tag{5.84}\)

Зменшення сполуки I на один електрон виробляє сполуку II, яка має характеристики нормального феррил-порфіринового комплексу, аналогічного 2, тобто (L) Fe ^IV (P) (O). Реакція сполуки II з перекисом водню виробляє з'єднання III, яке також можна отримати шляхом реакції ферменту заліза з диоксигеном. Це окси-форма, аналогічна оксиміоглобіну, і, здається, не має фізіологічної функції. Реакції, що виробляють ці три форми та запропоновані ними формулювання, узагальнені в Реакції (5.85) до (5.88).

\[Fe^{III}(P)^{+} + H_{2}O_{2} \rightarrow Fe^{IV}(P^{-})(O)^{+} + H_{2}O \tag{5.85}\]

\[ferric\; form \quad \qquad \qquad Compound\; I \qquad \qquad \]

\[Fe^{IV}(P^{\cdotp -})(O)^{+} + e^{-} \rightarrow Fe^{IV}(P)(O) \tag{5.86}\]

\[Compound\; I \qquad \qquad Compound\; II \quad \]

\[Fe^{IV}(P)(O) + H_{2}O_{2} \rightarrow Fe(P)O_{2} + H_{2}O \tag{5.87}\]

\[Compound\; II \qquad \qquad Compound\; III \qquad \qquad \]

\[Fe{II}(P) + O_{2} \rightarrow Fe(P)O_{2} \tag{5.88}\]

\[ferrous\; form \qquad Compound\; III\]

Механізм

Прийняті механізми каталази та пероксидази описані в Реакціях (5.89) до (5.94).

\[Fe^{III}(P)^{+} + H_{2}O_{2} \rightarrow Fe^{III}(P)(H_{2}O_{2})^{+} \rightarrow Fe^{IV}(P^{\cdotp -})(O)^{+} + H_{2}O \tag{5.89}\]

\[\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad Compound\; I\]

каталаза:\[ Fe^{IV}(P^{\cdotp -})(O)^{+} + H_{2}O_{2} \rightarrow Fe^{III}(P)^{+} + H_{2}O + O_{2} \tag{5.90}\]

\[Compound\; I \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \]

пероксидаза:\[ Fe^{IV}(P^{\cdotp -})(O)^{+} + AH_{2} \rightarrow Fe^{IV}(P)(O) +HA^{\cdotp} + H^{+} \tag{5.91}\]

\[Compound\; I \qquad \qquad \qquad \qquad Compound\; II\]

\[Fe^{IV}(P)(O) + AH_{2} \rightarrow Fe^{III}(P)^{+} +HA^{\cdotp} + OH^{-} \tag{5.92}\]

\[Compound\; II \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \]

\[2HA^{\cdotp} \rightarrow A + AH_{2} \tag{5.93}\]

або

\[2HA^{\cdotp} \rightarrow HA - AH \tag{5.94}\]

У реакції каталази за допомогою H _{2 ¹⁸ O 2} встановлено, що утворений дикисень отримують з пероксиду водню, тобто, що розщеплення зв'язку O—O не відбувається в Реакції (5.90), яка, отже, є двоелектронним відновленням сполуки I перекисом водню, з оксолігандом першого виділяється у вигляді води. Для реакції пероксидази в фізіологічних умовах вважається, що окислення протікає в одноелектронних етапах (Реакції 5.91 і 5.92), при цьому остаточне утворення продукту відбувається шляхом диспропорції (Реакція 5.93) або зв'язку (Реакція 5.94) одноелектронного окисленого проміжного продукту. ^94,95

Порівняння каталази, пероксидази та цитохрому P-450

Пропозиція про те, що ці три ферменти проходять через подібний високовалентний оксо-проміжний продукт, тобто 3 або з'єднання I, викликає два цікавих питання. Перший з них полягає в тому, що один і той же високовалентний метал-оксопроміжний продукт дає два дуже різних типи реакцій, тобто перенесення кисню атома з цитохромом Р-450 і перенесення електронів з каталазою і пероксидазою. Відповідь полягає в тому, що, хоча високовалентні метало-оксогемові ядра цих проміжних продуктів насправді дуже схожі, порожнини, що зв'язують субстрат, здається, істотно відрізняються тим, наскільки доступ субстрат має до центру заліза. З цитохромом P-450 субстрат заклинюється прямо проти місця, де оксоліганд повинен перебувати в високовалентному оксо-проміжному. Але таке ж розташування ферментів пероксидази блокується білковою структурою так, що субстрати можуть взаємодіяти тільки з кромкою гема. Таким чином, окислення субстрату шляхом перенесення електронів можливе для каталази та пероксидази, але субстрат знаходиться занадто далеко від оксоліганду для перенесення киснево-атома. ^{99 124}

Друге питання полягає в тому, як високовалентний оксо-проміжний формується в обох ферментах. Для каталази та пероксидази дані вказують на те, що перекис водню зв'язується з центром заліза, а потім піддається гетеролізу в зв'язку O—O. Гетеролітичне розщеплення вимагає значного поділу позитивного і негативного заряду в перехідному стані. У каталазі та пероксидазі аналіз кристалічної структури сильно вказує на те, що бічні ланцюги амінокислот розташовані для сприяння розщепленню шляхом стабілізації перехідного стану, розділеного зарядом (рис. 5.14).

Малюнок 5.14 - Схематичне зображення механізму гетеролітичного розщеплення O—O зв'язку з утворенням сполуки I в пероксидазі, як запропоновано в довідці 96. Гістидилімідазол допомагає переносити протон з атома кисню пероксиду водню, який зв'язується із залізом до відходить атома кисню, тоді як позитивний заряд бокового ланцюга аргінілу стабілізує розвивається негативний заряд на кисні, що відходить, тим самим полегшуючи гетеролітичний зв'язок O—O розщеплення.

У цитохромі Р-450, як зазначено в розділі В.С.1, таких груп в гідрофобній порожнині, що зв'язує субстрат, не виявлено. Цілком можливо, що цистеїніловий осьовий ліганд у цитохромі P-450 відіграє важливу роль у розщепленні зв'язків O—O, і що взаємодії, виявлені в каталазі та пероксидазі, які, як видається, полегшують таке розщеплення, тому не є необхідним.