katalaza 3

4. Katalazy drobnoustrojów

a. Katalazy bakteryjne

Przemiany tlenu w komórkach bakteryjnych prowadzą do powstania związków toksycznych. Katalazy stanowią element odpowiedzi komórki bakteryjnej na szok tlenowy. Wraz z innymi enzymami ograniczają nagromadzanie się aktywnych tlenków [29,36], Katalazy obniżają wewnątrzkomórkowe stężenie H2O2 przez katalityczny rozkład nadtlenku wodoru na H2O i O2.    ,

Wiele badań poświęcono wpływowi niskich (nieletalnych) dawek H2O2 na zwiększenie oporności bakterii wobec aktywnych form tlenu (szok tlenowy). Wykazano, że inkubacja komórek bakteryjnych z niskimi dawkami nadtlenku wodoru chroni je przed wpływem wysokich (śmiertelnych) dawek tego związku [12]. Biologiczne źródła nadtlenku wodoru są różne. Może on powstawać endogennie w komórce bakteryjnej przez działanie dysmutazy ponadtlenkowej (na drodze spontanicznej dysmutacji anionu nadtlenkowego) lu może pochodzić z częściowej redukcji tlenu w łańcuchu transportu elektronów w aktywnie oddychających komórkach [53]. Bardzo niską aktywność katalazy lub jej brak wykazano u bakterii beztlenowych, natomiast wysoką aktywność tego enzymu zaobserwowano u bakterii tlenowych [41]. Organizmy nie wytwarzające katalazy, np Baciltus popilliae, Anacystis nididans, wydzielają nadtlenek wodoru do otaczającego je środowiska [10,48].

Escherichia coli wytwarza dwie katalazy określane jako HP I i HP II. Kataiaza HP I jest tetramercm. Każda z czterech podjednostek ma masę cząsteczkową ok. 80 kDa [60]. HP I jest syntetyzowana w warunkach tlenowych i beztlenowych. HP 11 powstaje w małych ilościach w warunkach beztlenowych, zaś w obecności tlenu stanowi główną frakcję tego enzymu [37]. HP II jest białkiem heksamerycznym zbudowanym z podjednostek o masie cząsteczkowej wynoszącej 93 kDa [61]. W komórkach Caulobacter crescentus zidentyfikowano jeden typ katalazy wykazującej jednocześnie aktywność peroksydazową [52|. Badając ekstrakty komórkowe alkalofilnego szczepu Bacillus fir-miis OF 4, wykryto metodą elektroforezy w żelu poliakrylamidowyin trzy typy katalaz różniących się między sobą wielkością cząsteczek. Kataiaza I składa się z podjednostek o masie cząsteczkowej 84 kDa i posiada aktywność peroksydazową. Kataiaza II wykazuje pewną homologię w sekwencji aminokwasów do katalazy 1, pochodzącej z Bacillus subtilis i scharakteryzowanej przez Locwena i wsp. [38]. Podobieństwo między tymi dwoma enzymami istnieje również w wielkości podjednostek: masa cząsteczkowa podjednostki katalazy II z B. firtnus wynosi 60 kDa, zaś podjednostki katalazy lz B. subtilis - 65.8 kDa. Kataiaza III B. fimius (masa cząsteczkowa podjednostki wynosi 80 kDa) wykazuje znaczne podobieństwo w sekwencji aminokwasów do katalazy HP II E. coli, zaś pod względem wielkości podjednostki - do katalazy 2 B. subtilis [24] i HP I E. coli [60], Kim i wsp. [31] przeprowadzając elektroforezę w żelu poliakrylamidowym ekstraktu komórek Streptomyces coelicolor, wykazali obecność <5 katalaz będących tetrarnerem o masie cząsteczkowej 225 kDa. Główną katalazą występującą we wszystkich fazach wzrostu jest kataiaza 4. Jest ona typowym mono-funkcjonalnym enzymem. Katalazy produkowane przez bakterie wykazują różnice w wielkości cząsteczek, ale także liczne podobieństwa np. w sekwencji aminokwasów apoenzymu. Ich funkcją jest ochrona komórki przed nagromadzeniem się toksycznego nadtlenku wodoru i przekształcenie go w H2O i O2. Katalazy bakteryjne wykazują maksymalną aktywność w różnych zakresach pH. Enzymy pochodzące z B. finnus wyraźnie preferują środowisko alkaliczne (kataiaza I wykazuje największą aktywność przy pH 8.0, zaś kataiaza II przy pH J0.0) [24],

b.    Geny kodujące katalazy bakteryjne i ich ekspresja

W komórkach E. coli dokładnie poznano geny strukturalne katalaz typu HP I i HP II. Kataiaza HP I kodowana jest przez gen kat G. Na mapie genetycznej chromosomu bakterii zajmuje on pozycję na 89.2 min. HP I jest syntetyzowana razem z ok. 30 innymi białkami, gdy komórka bakteryjna narażona jest na działanie małych, subletalnych dawek H2O2. W obecności nadtlenku wodoru następuje utlenienie cysteiny (Cys 199) w regulatorowym białku Oxy R i przejście tego białka w utlenioną aktywną formę, która ponad 100-krotnie podwyższa poziom transkrypcji genu kat G i biosyntez katalazy HP I. Po rozłożeniu nadtlenku wodoru przez HP I, białko Oxy R powraca do swej zredukowanej, nieaktywnej formy. HP II jest główną katalazą produkowaną podczas wzrostu komórek bakteryjnych w wamnkach tlenowych i w przeciwieństwie do HP I nie jest indukowana przez H2O2. Gen strukturalny HP II określany jest jako kat E i na mapie chromosomu E. coli zlokalizowany na pozycji 37.2 min. Z syntezą tej katalazy związany jest inny gen określany jako rpo S, będący regulatorem syntezy HP II. Wykazano, że słabe kwasy niemetaboliczne efektywnie indukują syntezę HP I i HP II przez uprzednią indukcję genu rpo S (53).

c.    Katalazy drożdżowc

Wykazano, że komórki drożdży zdolne są przetrwać w obecności 10-100 ntM stężeń 11.:O: w ; ;- >dowisku. Jedną z przyczyn ich oporności na nadtlenek wodoru jest ochronne dział. •• katalazy i peroksydazy. U drożdży Saccharomyces cerci-Lsiac i Schizosac-charom-' es pombe wykazano katalazy zarówno wewnątrz- jak i zcwnątrzkomórkowc. Enzymy te chronią komórki przed toksycznym działaniem nadtlenku wodoru lub etanolu poprzez ich utlenianie [21]. Kataiaza pochodząca z Candida tmpicalis wykazywała szeroki zakres optimum pH od 6.0 do 9.0 [64],

Podczas wzrostu drożdży na podłożu zawierającym kwasy tłuszczowe, następuje synteza specyficznej katalazy nietypowej (katalaz)' A), zlokalizowanej głównie w perok-sysomach, w których zachodzi utlenianie tych kwasów. Drugi enzym - kataiaza T uznawany za typowy - jest rozpuszczalnym białkiem cytoplazmatycznym. syntetyzowanym w odpowiedzi na różne inne stresy metaboliczne i środowiskowe (17). Kataiaza T syntetyzowana jest w dużych ilościach przez komórki S. ccrcvisiae. Prow adząc badania nad mutantami tego gatunku, wykazującymi defekt w syntezie tej katalazy. dowiedziono. że ctt 1 jest strukturalnym genem dla kataiazy T. Produkty genów CTT 2. CTT 3 i CTT 4 są niezbędne do ekspresji genu ctl 1 [58], Gen strukturalny katalazy A. wytwarzanej przez S. ccrcrisitic, opisano jako eta I. Przed kilku laty sklonowani) drożdżowy czynnik Mac-1, który' wzmaga indukowaną przez H;0; transkrypcję genu cytozolowej katalazy (cni) |28]. Kataiaza A wykazuje znaczną homologię z kata z wątroby wołu w budowie domeny wiążącej hem oraz w bezpośrednim sąsiedztwie centrum aktywnego enzymu [t)6]. Dotychczas nie opisano jaką funkcję fizjologiczną spełnia kataiaza A. mimo iż jej udział w całkowitej aktywności kntalazow ą komórek

75