Katalase ist ein Enzym, das in den Zellen von Tieren, Pflanzen und aeroben Bakterien vorkommt. Ein Enzym ist ein großes organisches Molekül, das in Zellen synthetisiert wird und dazu dient, als Katalysator in einer Reaktion zu wirken. Jeder Enzymtyp erfüllt eine spezifische Funktion, und die Funktion der Katalase besteht darin, ein potenziell schädliches Nebenprodukt in nutzbare Elemente umzuwandeln.
Funktion
- Katalase ist wie die meisten Enzyme ein Protein. Es kommt in Peroxisomen vor, die membrangebundene Organellen von Zellen sind. Katalase hat eine wichtige biologische Funktion: Sie katalysiert den Abbau von Wasserstoffperoxid, einer für Organismen giftigen Substanz, zu Wasser und molekularem Sauerstoff, die beide harmlos und nützlich sind.
Struktur
- Katalase ist eine hantelförmige Struktur mit vier Polypeptidketten, die jeweils über 500 Aminosäuren enthalten. Katalase hat auch vier Hämgruppen, die aus Protoporphyrinringen bestehen, die ein einzelnes Eisenatom enthalten. Diese Ringe sind in den vier Ketten eingebettet.
Die Bedeutung der Katalase
- Wasserstoffperoxid ist ein Nebenprodukt vieler biologischer Funktionen von Organismen. Alle aeroben Organismen verwenden Sauerstoff für die Atmung. Die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser ist manchmal unvollständig, und ein zusätzliches Elektron von einem Metallion kann übertragen werden, was zur Bildung von Peroxid führt. Die meiste Wasserstoffperoxid wird jedoch während der ATP-Produktion in den Mitochondrien erzeugt.
Obwohl Peroxid für lebende Zellen giftig ist, erfolgt die Reaktion, um es wieder zu Wasser und Sauerstoff aufzuspalten, schnell und effizient. Katalase gilt als eines der effizientesten Enzyme mit einer Umsatzzahl von fast 200.000 Ereignissen/Sekunde/Untereinheit. Ohne Katalase, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, würde Wasserstoffperoxid verbleiben und Zellen schädigen.
Faktoren, die die Aktivität der Katalase beeinflussen
- Katalase und ihre Aktivitätsrate werden von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Temperatur, pH-Wert, Salzkonzentration, Menge an Substrat und das Vorhandensein von Inhibitoren oder Aktivatoren.
Temperatur ist ein wichtiger Faktor bei allen biochemischen Reaktionen, da hohe Temperaturen die Denaturierung von Enzymen verursachen. Wenn das Enzym denaturiert, ändert es die Konformation, wodurch das Substrat weniger effizient bindet, was die Reaktion verringert. Allerdings wird die Reaktion bis zur Erreichung der maximalen Temperatur (die für jeden Katalasetyp unterschiedlich ist) mit steigender Temperatur zunehmen.
Der pH-Wert, das Maß für Säure oder Wasserstoffionkonzentration in einer Lösung, wird auf einer Skala von 0-14 gemessen. Wenn eine Lösung saurer wird (unter 7), kann das Enzym ein Wasserstoffion aus der Lösung aufnehmen, und wenn die Lösung basischer wird (über 7), kann es ein Wasserstoffion verlieren. Jedes dieser Extreme kann die Reaktionsgeschwindigkeit verringern, da es die chemischen Bindungen der Katalase verändert.
Es gibt zwei Arten von Inhibitoren: nicht-kompetitive Inhibitoren, die irgendwo anders als am aktiven Zentrum binden, und kompetitive Inhibitoren, die am aktiven Zentrum der Katalase binden. Kupfersulfat ist ein bekannter nicht-kompetitiver Inhibitor von Katalase, und Blausäure ist ein bekannter Inhibitor.
Im Allgemeinen wird die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Menge an Wasserstoffperoxid ebenfalls zunehmen. Allerdings folgen enzymatische Reaktionen der Michaelis-Menten-Gleichung, die widerspiegelt, dass jede Reaktion einen Sättigungspunkt erreicht, was bedeutet, dass bei einer bestimmten maximalen Reaktionsgeschwindigkeit die Zugabe von mehr Substrat keine Wirkung mehr hat.
Andere Verwendungen von Katalase
- Da Katalase in so ziemlich allen lebenden Organismen vorkommt, ist es eines der am besten untersuchten Enzyme. Dies hat dazu geführt, dass Wissenschaftler andere Funktionen für dieses effiziente Enzym gefunden haben. Katalase wird verwendet, um die Innenseite von Lebensmittelverpackungen zu behandeln. Die Katalase verhindert Oxidation und hilft daher, die Lebensmittel zu konservieren. Katalase wird auch während des Prozesses der Kaltsterilisation verwendet, was ein Prozess ist, um Milch und Käse durch Behandlung mit Wasserstoffperoxid zu konservieren. Die Katalase wird verwendet, um etwaige verbleibende Spuren von Wasserstoffperoxid zu entfernen.
