5.1: Catalasa y Peroxidasa

Descripción de las Enzimas

La catalasa y la peroxidasa son enzimas hemo que catalizan las reacciones del peróxido de hidrógeno. ^94,95 En la catalasa, la reacción enzimática es la desproporción del peróxido de hidrógeno (Reacción 5.82) y la función de la enzima parece ser la prevención de cualquier acumulación de ese oxidante potencialmente peligroso (ver la discusión de toxicidad por dioxígeno en la Sección III).

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

La peroxidasa reacciona por mecanismos similares a la catalasa, pero la reacción catalizada es la oxidación de una amplia variedad de sustratos orgánicos e inorgánicos por peróxido de hidrógeno (Reacción 5.83).

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

(La reacción de la catalasa puede verse como un caso especial de la Reacción 5.83 en el que el sustrato, AH ₂, es peróxido de hidrógeno). Algunos ejemplos de peroxidasas que se han caracterizado son peroxidasa de rábano picante, citocromo c peroxidasa, glutatión peroxidasa y mieloperoxidasa. ^94,95

Se han determinado estructuras cristalinas de rayos X para catalasa de hígado de ^{res 80} y para peroxidasa de rábano picante ⁹⁶ en estado férrico de alto espín en reposo. En ambos, hay un solo grupo hemo b en el sitio activo. En la catalasa, los ligandos axiales son un fenolato de un residuo tirosilo, unido al hemo en el lado alejado de la cavidad del sitio activo, y agua, unido al hemo dentro de la cavidad y presumiblemente reemplazado por peróxido de hidrógeno en la reacción catalítica. En la peroxidasa de rábano picante, el ligando axial es un imidazol de un residuo histidilo. También dentro de la cavidad del sitio activo están las cadenas laterales de histidina y aspartato o asparagina que parecen estar idealmente situadas para interactuar con el peróxido de hidrógeno cuando se une al hierro. Se cree que estos residuos juegan un papel importante en el mecanismo al facilitar la escisión del enlace O-O (véase la Sección VI.B más adelante).

Se pueden generar otras tres formas de catalasa y peroxidasa, las cuales se denominan compuestos I, II y III. El compuesto I se genera por reacción del estado férrico de las enzimas con peróxido de hidrógeno. El compuesto I es verde y presenta características espectrales muy similares a las del complejo Fe ^IV (P ^•-) (O) ⁺ preparado a bajas temperaturas por reacción de porfirinas férricas con donantes de un solo átomo de oxígeno (ver Sección V.c.1.a). Las titulaciones con agentes reductores indican que se oxida por dos equivalentes por encima de la forma férrica. Se ha propuesto (ver 5.84) que la naturaleza aniónica del ligando axial de tirosinato en la catalasa puede servir para estabilizar el centro de hierro altamente oxidado en el compuesto I de esa enzima, ⁸⁰ y además que el ligando histidil-imidazol en la peroxidasa puede desprotonar, formando imidazolato, ^{52 ,97} o pueden estar fuertemente unidos a hidrógeno, ⁹⁸ cumpliendo así una función estabilizante similar para el compuesto I en esa enzima.

\(\tag{5.84}\)

La reducción del compuesto I por un electrón produce el compuesto II, el cual tiene las características de un complejo normal de ferril-porfirina, análogo al 2, es decir, (L) Fe ^IV (P) (O). La reacción del compuesto II con peróxido de hidrógeno produce el compuesto III, que también se puede preparar por reacción de la enzima ferrosa con dioxígeno. Es una forma oxi, análoga a la oximioglobina, y no parece tener una función fisiológica. Las reacciones que producen estas tres formas y sus formulaciones propuestas se resumen en Reacciones (5.85) a (5.88).

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

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

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

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

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

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

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

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

Mecanismo

Los mecanismos aceptados para catalasa y peroxidasa se describen en Reacciones (5.89) a (5.94).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

o

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

En la reacción de la catalasa, se ha establecido mediante el uso de H ₂ ¹⁸ O ₂ que el dioxígeno formado se deriva del peróxido de hidrógeno, es decir, que la escisión del enlace O-O no ocurre en la Reacción (5.90), que es por lo tanto una reducción de dos electrones del compuesto I por peróxido de hidrógeno, con el ligando oxo del primero siendo liberado como agua. Para la reacción de peroxidasa en condiciones fisiológicas, se cree que la oxidación procede en etapas de un electrón (Reacciones 5.91 y 5.92), ocurriendo la formación final del producto por desproporción (Reacción 5.93) o acoplamiento (Reacción 5.94) del intermedio oxidado de un electrón. ^94,95

Comparaciones de Catalasa, Peroxidasa y Citocromo P-450

La propuesta de que todas estas tres enzimas pasen por un intermedio oxo de alta valencia similar, es decir, 3 o compuesto I, plantea dos preguntas interesantes. El primero de ellos es por qué el mismo intermedio metal-oxo de alta valencia da dos tipos de reacciones muy diferentes, es decir, la transferencia de oxígeno-átomo con citocromo P-450 y la transferencia de electrones con catalasa y peroxidasa. La respuesta es que, aunque los núcleos de metal-oxo hemo de alta valencia de estos intermedios son de hecho muy similares, las cavidades de unión al sustrato parecen diferir sustancialmente en cuánto acceso tiene el sustrato al centro de hierro. Con el citocromo P-450, el sustrato se atasca justo contra la ubicación donde el ligando oxo debe residir en el intermedio oxo de alta valencia. Pero la misma ubicación en las enzimas peroxidasas está bloqueada por la estructura proteica para que los sustratos puedan interactuar solo con el borde hemo. Por lo tanto, la oxidación del sustrato por transferencia de electrones es posible para la catalasa y la peroxidasa, pero el sustrato está demasiado lejos del ligando oxo para la transferencia de átomos de oxígeno. ^99,124

La segunda pregunta es acerca de cómo se forma el intermedio oxo de alta valencia en ambas enzimas. Para la catalasa y la peroxidasa, la evidencia indica que el peróxido de hidrógeno se une al centro férrico y luego se somete a heterólisis en el enlace O—O. La escisión heterolítica requiere una separación significativa de carga positiva y negativa en el estado de transición. En catalasa y peroxidasa, el análisis de la estructura cristalina indica fuertemente que las cadenas laterales de aminoácidos están situadas para ayudar en la escisión estabilizando un estado de transición de carga separada (Figura 5.14).

Figura 5.14 - Representación esquemática del mecanismo para la escisión heterolítica del enlace O-O para formar el Compuesto I en peroxidasa, como se propone en la Referencia 96. El histidil imidazol ayuda en la transferencia de un protón desde el átomo de oxígeno del peróxido de hidrógeno que está unido al hierro al átomo de oxígeno saliente, mientras que la carga positiva de la cadena lateral arginilo estabiliza la carga negativa en desarrollo sobre el oxígeno saliente, facilitando así el enlace heterolítico O-O escote.

En el citocromo P-450, como se menciona en la Sección V.C.1, no se encuentran tales grupos en la cavidad de unión al sustrato hidrófobo. Es posible que el ligando cisteinil axial en el citocromo P-450 desempeñe un papel importante en la escisión del enlace O-O, y que las interacciones encontradas en catalasa y peroxidasa que parecen facilitar dicha escisión no sean necesarias.