الكاتالاز

على الرغم من أن الآلية الكاملة للكاتالاز غير معروفة حاليًا، ^{[ 18 ]} يُعتقد أن التفاعل يحدث على مرحلتين :

H ₂ O ₂ + Fe (III) -E → H ₂ O + O=Fe (IV) -E (.+)

H ₂ O ₂ + O=Fe(IV)-E(.+) → H ₂ O + Fe(III)-E + O ₂ ^{[ 18 ]}

يمثل Fe(IV)-E هنا مركز الحديد في مجموعة الهيم المرتبطة بالإنزيم. أما Fe(IV)-E(.+) فهو شكل ميزوميري من Fe(V)-E، مما يعني أن الحديد لا يتأكسد بالكامل إلى +V، ولكنه يتلقى بعض الكثافة الإلكترونية المثبتة من رابطة الهيم، والتي تظهر بعد ذلك على شكل كاتيون جذري (.+).

عند دخول بيروكسيد الهيدروجين إلى الموقع النشط ، يتفاعل مع الحمضين الأمينيين Asn148 ( الأسباراجين في الموضع 148) و His75 ، مما يؤدي إلى انتقال بروتون ( أيون هيدروجين ) بين ذرتي الأكسجين. ترتبط ذرة الأكسجين الحرة، محررةً جزيء الماء المتكون حديثًا وFe(IV)=O. يتفاعل Fe(IV)=O مع جزيء بيروكسيد هيدروجين ثانٍ لإعادة تكوين Fe(III)-E وإنتاج الماء والأكسجين. ^{[ 18 ]} يمكن تحسين تفاعل مركز الحديد بوجود رابطة الفينولات الخاصة بـ Tyr358 في موضع التنسيق الخامس، مما يساعد في أكسدة Fe(III) إلى Fe(IV). كما يمكن تحسين كفاءة التفاعل من خلال تفاعلات His75 وAsn148 مع وسائط التفاعل . ^{[ 18 ]} يتحلل بيروكسيد الهيدروجين بواسطة الكاتالاز وفقًا لحركية من الدرجة الأولى، حيث يتناسب معدل التفاعل طرديًا مع تركيز بيروكسيد الهيدروجين. ^{[ 19 ]}

يستطيع إنزيم الكاتالاز أيضاً تحفيز أكسدة العديد من المستقلبات والسموم، بما في ذلك الفورمالديهايد وحمض الفورميك والفينولات والأسيتالديهايد والكحولات ، بواسطة بيروكسيد الهيدروجين . ويتم ذلك وفقاً للتفاعل التالي:

ح ₂ س ₂ + ح ₂ ر → 2 ح ₂ س + ر

الآلية الدقيقة لهذا التفاعل غير معروفة.

يمكن لأي أيون من المعادن الثقيلة (مثل كاتيونات النحاس في كبريتات النحاس الثنائي ) أن يعمل كمثبط غير تنافسي لإنزيم الكاتالاز. مع ذلك، "قد يؤدي نقص النحاس إلى انخفاض نشاط الكاتالاز في الأنسجة، مثل القلب والكبد." ^{[ 20 ]} علاوة على ذلك، يُعد السيانيد، وهو سم ، مثبطًا غير تنافسي ^{[ 21 ]} لإنزيم الكاتالاز عند التركيزات العالية من بيروكسيد الهيدروجين . ^{[ 22 ]} يعمل الزرنيخات كمنشط . ^{[ 23 ]} تتوفر البنى البروتينية ثلاثية الأبعاد لمركبات الكاتالاز الوسيطة المؤكسدة في بنك بيانات البروتين .

يُعد بيروكسيد الهيدروجين ناتجًا ثانويًا ضارًا للعديد من العمليات الأيضية الطبيعية ؛ ولمنع تلف الخلايا والأنسجة، يجب تحويله بسرعة إلى مواد أخرى أقل خطورة. ولتحقيق هذه الغاية، تستخدم الخلايا إنزيم الكاتالاز بشكل متكرر لتحفيز تحلل بيروكسيد الهيدروجين بسرعة إلى جزيئات الأكسجين والماء الغازية الأقل تفاعلًا. ^{[ 24 ]}

الفئران المعدلة وراثيًا لتفتقر إلى إنزيم الكاتالاز تكون طبيعية المظهر في البداية. ^{[ 25 ]} ومع ذلك، قد يزيد نقص الكاتالاز لدى الفئران من احتمالية الإصابة بالسمنة ، والكبد الدهني، ^{[ 26 ]} وداء السكري من النوع الثاني . ^{[ 27 ]} بعض البشر لديهم مستويات منخفضة جدًا من الكاتالاز ( انعدام الكاتالاز )، ومع ذلك لا تظهر عليهم سوى آثار ضارة قليلة.

يُخفف فرط التعبير عن إنزيم الكاتالاز من الإجهاد التأكسدي المتزايد الذي يحدث مع تقدم العمر لدى الفئران. ^{[ 28 ]} لا تُظهر الفئران التي تُفرط في التعبير عن هذا الإنزيم فقدان الحيوانات المنوية ، وخلايا الخصية الجرثومية، وخلايا سيرتولي المرتبط بالعمر والذي يُلاحظ في الفئران البرية. عادةً ما يُحفز الإجهاد التأكسدي في الفئران البرية تلف الحمض النووي التأكسدي (المقاس بـ 8-أوكسودج ) في الحيوانات المنوية مع تقدم العمر، ولكن هذا التلف يقل بشكل ملحوظ في الفئران المُسنة التي تُفرط في التعبير عن إنزيم الكاتالاز. ^{[ 28 ]} علاوة على ذلك، لا تُظهر هذه الفئران أي انخفاض في عدد الصغار في كل بطن مع تقدم العمر. يُطيل فرط التعبير عن إنزيم الكاتالاز المُوجه إلى الميتوكوندريا عمر الفئران. ^{[ 29 ]}

في حقيقيات النوى ، يتواجد إنزيم الكاتالاز عادةً في عُضية خلوية تُسمى البيروكسيسوم . ^{[ 30 ]} تُشارك البيروكسيسومات في الخلايا النباتية في التنفس الضوئي (استخدام الأكسجين وإنتاج ثاني أكسيد الكربون) وتثبيت النيتروجين التكافلي (تفكيك جزيء النيتروجين ثنائي الذرة (N2 ₎ إلى ذرات نيتروجين نشطة). يُستخدم بيروكسيد الهيدروجين كعامل مضاد للميكروبات قوي عند إصابة الخلايا بمسببات الأمراض. تُنتج مسببات الأمراض الموجبة للكاتالاز، مثل المتفطرة السلية ، والليجيونيلا الرئوية ، والعطيفة الصائمية ، إنزيم الكاتالاز لتعطيل جذور البيروكسيد، مما يسمح لها بالبقاء على قيد الحياة دون أن تُصاب بأذى داخل العائل . ^{[ 31 ]}

على غرار إنزيم نازع هيدروجين الكحول ، يحول إنزيم الكاتالاز الإيثانول إلى أسيتالدهيد، وتشير الدراسات التي أجريت على القوارض إلى أنه قد يكون مسؤولاً عن غالبية هذا التفاعل في الدماغ. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

يُعد اختبار الكاتالاز أحد الاختبارات الثلاثة الرئيسية التي يستخدمها علماء الأحياء الدقيقة لتحديد أنواع البكتيريا. إذا كانت البكتيريا تحتوي على إنزيم الكاتالاز (أي أنها موجبة الكاتالاز)، تُلاحظ فقاعات من الأكسجين عند إضافة كمية صغيرة من عزلة البكتيريا إلى بيروكسيد الهيدروجين. يُجرى اختبار الكاتالاز بوضع قطرة من بيروكسيد الهيدروجين على شريحة مجهرية ، ثم تُلامس عودًا مدببًا مستعمرة البكتيريا، ويُمسح طرفه بقطرة بيروكسيد الهيدروجين.

• إذا أنتج المزيج فقاعات أو رغوة، يُقال إن الكائن الحي "إيجابي الكاتالاز". تُعدّ المكورات العنقودية ^{[ 48 ]} والمكورات الدقيقة ^{[ 49 ]} من الكائنات الحية الإيجابية للكاتالاز. تشمل الكائنات الحية الأخرى الإيجابية للكاتالاز: الليستيريا ، والوتدية الخناقية ، والبوركولديريا البصلية ، والنوكارديا ، وعائلة الأمعائيات ( السيتروباكتر ، والإشريكية القولونية ، والأمعائيات ، والكلبسيلة ، والشيغيلا ، واليرسينيا ، والبروتيوس ، والسالمونيلا ، والسيراتيا )، والزائفة ، والمتفطرة السلية ، والرشاشية ، والمستخفية ، والرودوكوكوس الخيلي .
• وإلا، فإن الكائن الحي "سلبي الكاتالاز". المكورات العقدية ^{[ 50 ]} وأنواع المكورات المعوية هي سلبية الكاتالاز.

على الرغم من أن اختبار الكاتالاز وحده لا يكفي لتحديد نوع الكائن الحي، إلا أنه يُساعد في تحديده عند دمجه مع اختبارات أخرى، مثل اختبار مقاومة المضادات الحيوية. ويعتمد وجود الكاتالاز في الخلايا البكتيرية على كلٍ من ظروف النمو والوسط المستخدم في زراعة هذه الخلايا.

يمكن أيضًا استخدام الأنابيب الشعرية . تُجمع عينة صغيرة من البكتيريا على طرف الأنبوب الشعري، دون سدّه لتجنب النتائج السلبية الكاذبة . ثم يُغمس الطرف الآخر في بيروكسيد الهيدروجين، الذي يُسحب إلى داخل الأنبوب بفعل الخاصية الشعرية ، ويُقلب رأسًا على عقب بحيث تُشير عينة البكتيريا إلى الأسفل. بعد ذلك، تُطرق اليد التي تحمل الأنبوب على سطح العمل، لتحريك بيروكسيد الهيدروجين إلى أسفل حتى يلامس البكتيريا. إذا تشكلت فقاعات عند التلامس، فهذا يدل على نتيجة إيجابية لاختبار الكاتالاز. يمكن لهذا الاختبار الكشف عن البكتيريا الموجبة للكاتالاز بتراكيز تزيد عن 10⁵ ^خلية /مل تقريبًا، ^{[ 51 ]} وهو سهل الاستخدام.

تستخدم العدلات والخلايا البلعمية الأخرى بيروكسيد الهيدروجين لقتل البكتيريا. يُنتج إنزيم NADPH أوكسيداز فوق الأكسيد داخل الجسيم البلعمي ، والذي يتحول عبر بيروكسيد الهيدروجين إلى مواد مؤكسدة أخرى مثل حمض الهيبوكلوروس، التي تقضي على مسببات الأمراض المبتلعة . ^{[ 52 ]} في الأفراد المصابين بداء الورم الحبيبي المزمن (CGD)، يتعطل إنتاج بيروكسيد الهيدروجين في الخلايا البلعمية نتيجة خلل في نظام NADPH أوكسيداز. مع ذلك، ينتج الأيض الخلوي الطبيعي كمية ضئيلة من بيروكسيد الهيدروجين، ويمكن استخدام هذا البيروكسيد لإنتاج حمض الهيبوكلوروس للقضاء على العدوى البكتيرية. ولكن، إذا أُصيب الأفراد المصابون بداء الورم الحبيبي المزمن ببكتيريا موجبة الكاتالاز، فإن الكاتالاز البكتيري قادر على تدمير بيروكسيد الهيدروجين الزائد قبل استخدامه لإنتاج مواد مؤكسدة أخرى. في هؤلاء الأفراد، يبقى العامل الممرض حيًا ويتحول إلى عدوى مزمنة. عادةً ما تُحاط هذه العدوى المزمنة بالخلايا البلعمية الكبيرة في محاولة لعزلها. يُطلق على جدار الخلايا البلعمية الكبيرة المحيط بالعامل الممرض اسم الورم الحبيبي . العديد من البكتيريا إيجابية الكاتالاز، لكن بعضها ينتج الكاتالاز بكفاءة أعلى من غيرها. تشمل بعض البكتيريا والفطريات الإيجابية الكاتالاز: النوكارديا ، والزائفة ، والليستيريا ، والأسبرجيلوس ، والمبيضات ، والإشريكية القولونية ، والمكورات العنقودية، والسيراتيا ، والبوركولديرا سيباسيا ، والملوية البوابية . ^{[ 53 ]}

نقص الكاتالاز هو حالة مرضية ناتجة عن طفرات متماثلة الزيجوت في جين CAT، مما يؤدي إلى نقص إنزيم الكاتالاز. وتكون الأعراض خفيفة وتشمل تقرحات الفم. أما الطفرة غير المتماثلة الزيجوت في جين CAT فتؤدي إلى انخفاض مستوى الكاتالاز، ولكنه يبقى موجودًا. ^{[ 54 ]}

قد يلعب انخفاض مستوى إنزيم الكاتالاز دورًا في عملية شيب الشعر. يُنتج الجسم بيروكسيد الهيدروجين بشكل طبيعي، ويقوم الكاتالاز بتفكيكه. يمكن أن يتراكم بيروكسيد الهيدروجين في بصيلات الشعر، وإذا انخفضت مستويات الكاتالاز، فقد يُسبب هذا التراكم إجهادًا تأكسديًا وشيبًا. ^{[ 55 ]} يرتبط انخفاض مستوى الكاتالاز بالتقدم في السن. يُعيق بيروكسيد الهيدروجين إنتاج الميلانين ، الصبغة المسؤولة عن لون الشعر. ^{[ 56 ] [ 57 ]}