Visualizza wikitesto di Catalasi

{{enzybox
| nome = catalasi
| immagine = AAAA1.jpg
| didascalia =L'enzima catalasi è composto da quattro catene polipeptidiche. In verde sono visibili ioni ferro all'interno di un gruppo eme
| ECnumber = 1.11.1.6
| nome sistematico = idrogeno-perossido:idrogeno-perossido ossidoreduttasi
| altri nomi = equilasi; caperasi; optidasi; catalasi-perossidasi; CAT
}}
{{proteina
| Name = Catalasi
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| width = 200
| HGNCid = 1516
| Symbol = CAT
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}}
[[File:Catalase-1DGF.png|thumb|right|Rappresentazione "a nastro" dell'enzima catalasi.]]

La '''catalasi''' è un [[enzima]], appartenente alla classe delle [[ossidoreduttasi]], coinvolto nella detossificazione della cellula da [[radicali liberi#ROS|specie reattive dell'ossigeno]]. Catalizza la seguente reazione:

:<chem> 2 H2O2 <=> O2 + 2 H2O </chem>

Si tratta di una [[emoproteina]] molto conservata nel corso dell'evoluzione degli organismi viventi.

==Struttura==
La catalasi è un [[tetramero]] di 4 catene polipeptidiche di lunghezza minima di 500 [[amminoacidi]]. All'interno del tetramero vi sono 4 gruppi ferrosi che permettono all'enzima di reagire con il [[perossido di idrogeno]]. Dovendo operare con molecole particolarmente reattive, la ''catalasi'' è anche un enzima insolitamente stabile. Le quattro catene sono intrecciate e bloccano così l'intero complesso nella forma corretta.
Il suo [[pH]] ideale è 7.

==Meccanismo molecolare==
Il completo meccanismo molecolare della catalasi non è ancora ben conosciuto. Si sa tuttavia che la reazione avviene in due stadi:

* H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> + Fe(III)-E → H<sub>2</sub>O + O=Fe(IV)-E(.+)
* H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> + O=Fe(IV)-E(.+) → H<sub>2</sub>O + Fe(III)-E + O<sub>2</sub>

dove Fe-E rappresenta il centro ferroso del [[gruppo eme]] attaccato all'enzima.

Non appena il perossido di idrogeno entra nel sito attivo è costretto a reagire con gli amminoacidi His74 e Asn174. Questo provoca il trasferimento di un [[protone]] ([[ione]] [[idrogeno]]) dal primo al secondo [[ossigeno]], polarizzando e allungando il legame O-O che si spezza. L'[[atomo]] libero di [[ossigeno]] si lega al centro ferroso del [[sito attivo]] scalzando la [[molecola]] d'[[acqua]] appena formata e formando Fe(IV)=O.
Nel secondo stadio, il Fe(IV)=O reagisce con un altro perossido di idrogeno riformando Fe(III)-E più [[acqua]] e [[ossigeno]].

La catalasi può anche [[ossidare]] diverse [[Tossina|tossine]], come la [[formaldeide]], l'[[acido formico]], e l'[[Etanolo|alcol]]. Per fare questo utilizza il perossido di idrogeno secondo la seguente [[Reazione chimica|reazione]]

H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>R → 2H<sub>2</sub>O + R

Un qualunque [[ione]] di [[metallo]] pesante (come il catione di [[rame]] nel [[solfato rameico|solfato di rame]](II)) agisce come un [[inibizione enzimatica|inibitore]] non competitivo sulla catalasi. Anche i veleni cianidi sono inibitori competitivi della catalasi, legandosi stabilmente al [[sito attivo]] della catalasi e bloccando l'azione dell'enzima.

Questo enzima è comunemente usato nei laboratori come uno strumento per comprendere gli effetti degli enzimi sulla [[velocità di reazione]].

==Parametri cinetici==
Come già riferito, la catalasi ha il più elevato numero di [[Turnover (biologia)|turnover]], kcat, conosciuto tra gli [[Enzima|enzimi]], 4×10<sup>7</sup> s<sup>−1</sup>. La maggioranza degli enzimi ha un kcat compreso tra 1 s<sup>−1</sup> e 1000 s<sup>−1</sup>. La sua [[costante di Michaelis-Menten]], KM, è relativamente alta: 1,1 M. Ciò significa che si tratta di un enzima relativamente difficile da saturare, ossia raggiunge la velocità massima di reazione solo ad elevate [[Concentrazione (chimica)|concentrazioni]] di perossido. La costante di specificità kcat/KM, è quindi pari a circa 4×10<sup>7</sup> M<sup>−1</sup>s<sup>−1</sup>, un valore vicino ai limiti di diffusione delle [[molecole]] nei [[solventi]] (tra 10<sup>8</sup> e 10<sup>9</sup> M<sup>−1</sup>s<sup>−1</sup>), essendo la catalasi dunque un enzima quasi cataliticamente perfetto. L'applicazione di questo tipo di parametri alla catalasi non è molto diretta, poiché questo ha un comportamento cinetico descrivibile con l'equazione di Michaelis-Menten solo quando il perossido si trova in basse concentrazioni. Ciononostante, si sa che la catalasi è più efficiente nella captazione e disintossicazione cellulare dell'H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> rispetto ad altri tipi di perossidasi.

==Ruolo nella cellula==
[[Immagine:Catalase reaction.png|thumb|left|La reazione catalizzata dalla catalasi]]
La catalasi è collocata in un [[organello]] cellulare denominato [[perossisoma]].<ref name=MBOC>{{Cita libro | autore = Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P | titolo = Peroxisomes, ''in'' ''Molecular Biology of the Cell'' | edizione = 4th ed. | editore = Garland | anno = 2002 | id = [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Search&db=books&doptcmdl=GenBookHL&term=catalase+AND+mboc4%5Bbook%5D+AND+373476%5Buid%5D&rid=mboc4.section.2194 (via NCBI Bookshelf)] ISBN 0815332181}}</ref> I perossisomi sono coinvolti nelle cellule vegetali nella [[fotorespirazione]] (l'utilizzo di [[ossigeno]] con produzione di [[anidride carbonica]]) e nella fissazione simbiotica dell'[[azoto]] (la rottura del legame biatomico dell'azoto (N<sub>2</sub>) in atomi di azoto reattivi).
Più in generale, l'enzima [[catalizzatore|catalizza]] la conversione del [[perossido di idrogeno]] in [[acqua]] e [[ossigeno]]:

:<chem> 4HO^{.-} -> O2 + 2H2O</chem>

Il [[perossido di idrogeno]] è un prodotto di scarto del [[metabolismo]] di molti organismi viventi. È tossico perché in grado di generare danni a carico dei [[lipidi]] di membrana, delle proteine e degli acidi nucleici della cellula. Un singolo [[polipeptide]] di catalasi è in grado di convertire fino a 5 milioni di molecole di perossido di idrogeno al minuto.

L'enzima può anche agire, in alcune specie, come [[perossidasi]] ({{enzima|1.11.1.7}}), catalizzando reazioni come la seguente:
:''ROOR' + molecola donatrice di elettroni (2e<sup>-</sup>) + 2H<sup>+</sup> → ROH + R'OH''
L'attività di perossidasi è molto frequente soprattutto in presenza di molecole donatrici come l'[[etanolo]]. Le forme di catalasi presenti in alcuni microorganismi come ''[[Penicillium simplicissimum]]'', che mostrano sia attività di catalasi che di perossidasi, vengono a volte identificate come ''catalasi-perossidasi''<ref>{{en}} Fraaije MW, Roubroeks HP, Hagen WR, Van Berkel WJ. Purification and characterization of an intracellular catalase-peroxidase from Penicillium simplicissimum. Eur. J. Biochem. 235 (1996) 192-8 ([PMID 8631329])</ref>.

Il perossido di idrogeno è anche usato come potente agente antimicrobico quando le cellule sono infettate da un [[agente patogeno]]. Gli agenti patogeni che sono positivi alla catalasi, come il ''[[Mycobacterium tuberculosis]]'', la ''[[Legionella pneumophila]]'', ed il ''[[Campylobacter jejuni]]'', producono catalasi per disattivare i radicali perossidi, permettendogli così di sopravvivere indisturbati nella [[Ospite (biologia)|cellula ospite]].[http://mic.sgmjournals.org/cgi/content/full/149/9/2635] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100708165426/http://mic.sgmjournals.org/cgi/content/full/149/9/2635 |date=8 luglio 2010 }}

==Distribuzione tra gli organismi==
Tutti gli animali conosciuti utilizzano la catalasi in tutti gli [[organo (anatomia)|organi]], con concentrazioni particolarmente elevate nel [[fegato]]. L'enzima è anche universale tra i vegetali. Sono conosciuti pochi [[aerobiosi|microorganismi aerobici]] che non utilizzano la catalasi.[http://madsci.org/posts/archives/jun99/929507203.Gb.r.html] Un uso unico della catalasi avviene nel [[coleottero bombardiere]]. Questi coleotteri permettono a gruppi di sostanze chimiche incluso il [[perossido di idrogeno]] di concentrarsi in una cavità nel loro [[addome]]. Quando ritengono necessario espellere queste sostanze a scopi difensivi, rilasciano catalasi e [[perossidasi]] nella cavità. Questi enzimi reagiscono rapidamente con il perossido di idrogeno generando [[calore]] e un surplus di [[ossigeno]]. Sotto la pressione dell'ossigeno, le sostanze scaldate sono espulse in modo esplosivo attraverso un'apertura nella cavità.[http://www.talkorigins.org/faqs/bombardier.html]

La catalasi non è universale tra i [[funghi]], nonostante alcune specie producano l'enzima quando crescono in un ambiente con un [[pH]] basso e a [[temperature]] abbastanza elevate.<ref>[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&list_uids=16503295&dopt=Abstract Production of catalase by fungi growing at low pH and high temperature.] K. Isobe, et al. Entrez PubMed. Retrieved 2007-2-12.</ref> La catalasi è stata anche osservata in alcuni microorganismi [[anaerobiosi|anaerobici]], come la [[Methanosarcina barkeri]]<ref>[http://mic.sgmjournals.org/cgi/content/abstract/152/6/1671 The catalase and superoxide dismutase genes are transcriptionally up-regulated upon oxidative stress in the strictly anaerobic archaeon Methanosarcina barkeri] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20061006032435/http://mic.sgmjournals.org/cgi/content/abstract/152/6/1671 |data=6 ottobre 2006 }}. Andrei Brioukhanov, Alexander Netrusov, and Rik Eggen. Society for General Microbiology. Retrieved 2007-2-12.</ref>.

==Patologie associate==
La carenza o l'assenza completa di catalasi (legata a difetti genetici in [[eterozigosi]] o in [[omozigosi]]) può indurre svariate patologie, come avviene anche con le deficienze di altri enzimi coinvolti nella detossificazione da ROS (come la [[superossido dismutasi]]). Il quadro patologico associato alla deficienza di catalasi è definito ''acatalasia'' o ''acatalasemia''.

Difetti a carico della catalasi potrebbero avere un ruolo anche nella [[sclerosi laterale amiotrofica]] (SLA), il cui principale difetto genetico è comunque a carico del gene della superossido dismutasi<ref>{{en}} http://www.genome.ad.jp/dbget-bin/show_pathway?map05030+1.11.1.6 Ruolo della catalasi nella SLA</ref>.

==Applicazioni==
La catalasi è usata nell'industria casearia per eliminare il perossido di idrogeno dal [[latte]] finalizzato alla produzione del formaggio.[http://www.worthington-biochem.com/CTL/default.html] Un'altra sua applicazione si riscontra negli imballaggi per alimenti, in cui previene l'[[ossidazione]].[http://madsci.org/posts/archives/mar99/921636249.Gb.r.html] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20190907080521/http://madsci.org/posts/archives/mar99/921636249.Gb.r.html |date=7 settembre 2019 }}
La catalasi è anche usata nell'industria tessile, rimuovere il perossido di idrogeno dai tessuti assicura che il materiale non ne contenga.
Un uso minore è nella pulizia delle [[lenti a contatto]] - alcuni sistemi di pulizia delle lenti disinfetta le stesse immergendole in una [[soluzione (chimica)|soluzione]] a base di perossido di idrogeno e la catalasi è utilizzata per decomporre il perossido prima di reinserire le lenti nell'[[occhio]].
Ultimamente la catalasi ha iniziato ad essere usata anche nell'industria cosmetica in trattamenti per il viso che la combinano al perossido di idrogeno per aumentare l'ossigenazione delle [[cellule]] negli strati superiori dell'[[epidermide]].

===Utilizzo in microbiologia===
[[Immagine:Catalase reaction.jpg|thumb|reazione della Catalasi]]
Questo enzima è utilizzato anche in [[batteriologia]] sistematica per l'identificazione dei [[batteri]]. Si tratta di porre la colonia batterica da studiare a contatto con l'acqua ossigenata (a 10 volumi). Un'effervescenza segnala la presenza di una catalasi.

La maggior parte dei batteri gram negativi possiede la catalasi (catalasi +).
La ricerca della catalasi nei gram positivi permette di differenziare gli [[stafilococchi]] ed i micrococchi (catalasi+) dagli [[enterococchi]] (catalasi -)

Esempi:

Batteri Gram + catalasi +:
*[[Stafilococco]], [[Micrococco]] (antica famiglia delle Micrococcaceae)
*[[Bacillo]];

Batteri Gram + catalasi -:
*[[Streptococco]]
*[[Enterococco]]

====Tecnica====

* Su un vetrino, depositare una goccia di H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>, poi la si metta a contatto con una colonia isolata, prelevata direttamente con una [[pipetta]] pasteur dotata di bottone, con un'ansa sterile in plastica o con una [[Siringa (attrezzo medico)|siringa]] in plastica monouso (senza ago perché metallo e quindi si [[ossidazione|ossiderebbe]]).
* Se si assiste alla formazione di bolle, il batterio possiede la catalasi.
* Se nulla è osservabile, il batterio non contiene l'[[enzima]].

'''Nota bene:''' Non utilizzare anse in [[platino]] perché reagisce con l'H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> dando un falso positivo.

==Note==
<references/>

==Bibliografia==
* Herbert, D. e Pinsent, J. ''Crystalline bacterial catalase.'' Biochem. J. 43 (1948) 193-202.
* Herbert, D. e Pinsent, J. ''Crystalline human erythrocyte catalase.'' Biochem. J. 43 (1948) 203-205.
* Keilin, D. e Hartree, E.F. ''Coupled oxidation of alcohol.'' Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 119 (1936) 141-159.
* Kono Y, Fridovich I. ''Isolation and characterization of the pseudocatalase of Lactobacillus plantarum.'' J. Biol. Chem. 258 (1983) 6015-9 {{Entrez Pubmed|6853475}}.
* Nicholls, P. e Schonbaum, G.R. ''Catalases.'' In: Boyer, P.D., Lardy, H. e Myrback, K. (Eds.), The Enzymes, 2nd ed., vol. 8, Academic Press, New York, 1963, p.&nbsp;147-225.
* Sumner, J.B. e Dounce, A.L. ''Crystalline catalase.'' J. Biol. Chem. 121 (1937) 417-424.
* Fraaije, M.W., Roubroeks, H.P., van Berkel, W.H.J. ''Purification and characterization of an intracellular catalase-peroxidase from Penicillium simplicissimum.'' Eur. J. Biochem. 235 (1996) 192–198. {{Entrez Pubmed|8631329}}.

==Altri progetti==
{{interprogetto|preposizione=sulla|wikt=catalasi}}

==Collegamenti esterni==
* {{collegamenti esterni}}
* {{cita web|http://goldbook.iupac.org/CT06762.html|IUPAC Gold Book, "catalase"|lingua=en}}
* [https://web.archive.org/web/20071027064804/http://video.google.com/videoplay?docid=-3173877903906598441 video del test della catalasi]

{{Controllo di autorità}}
{{portale|biologia|chimica}}

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[[Categoria:Emoproteine]]
[[Categoria:Catalisi]]