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Antioxidatives Schutzsystem

Die Katalasen

Die Katalasen (Wasserstoffperoxid-Oxidoreduktasen) sind als wichtiges antioxidatives Schutzenzym im Zellplasma und in den Peroxisomen der meisten Sauerstoff-atmenden Zellen vorhanden. Besonders viele Katalasen finden sich in Schadstoff-abbauenden Leberzellen und in Erythrocyten. Dieses Enzym, das in Bezug auf die Menge an umgesetztem Substrat (Wechselzahl) zu den schnellesten Enzymen überhaupt gehört, katalysiert folgende Reaktion:

2H2O2 2H2O+ O2

Reaktion des Eisen-haltigen Katalase-Zentrums mit Wasserstoffperoxid

Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Disproportionierungsreaktion, d.h. Wasserstoffperoxid ist hier (schwaches) Reduktionsmittel und (starkes) Oxidationsmittel zugleich. Das Enzym spielt dabei den Überträger für das Elektron; es benutzt quasi das eine Wasserstoffperoxid-Molekül, um das zweite Molekül damit zu oxidieren. Katalasen bilden eine eher heterogene Gruppe und werden auf der Basis ihrer Eigenschaften unterteilt in:

Tab.1
Klassifizierung der Katalasen
NameVorkommenEigenschaftenAufbau
Katalasen/PeroxidasenProkaryonten und niedere Eukaryonten (Pilze)vermutlich die ältesten Enzyme2-4 gleiche Untereinheiten
Nicht-Häm-Katalasen mit Mn im aktiven ZentrumProkaryonten (Milchsäurebakterien, einige thermophile Bakterienwerden auch als "Pseudokatalasen" bezeichnet5-6 gleiche Untereinheiten
Katalasen im eigentlichen Sinne: die Häm-KatalasenEukaryonten, einige Prokaryontenam weitesten verbreitete Katalase4 gleiche Untereinheiten

Molekularer Aufbau

Abb.1
Katalase des Menschen (PDB-Code: 1QQW)

Die menschlichen Katalasen (E.C. 1.11.1.6) sind Tetramere aus identischen Untereinheiten. Das aktive Zentrum des großen Enzyms enthält einen Porphyrin-Ring mit Eisen und ist damit ähnlich aufgebaut wie das Häm im Hämoglobin.

Funktion

Die Katalase hat mehrere Funktionen. In tierischen Zellen wirkt die Katalase vor allem wie eine Peroxidase und entgiftet das in den Peroxisomen aus der Fettsäure-Oxidation freiwerdende H2O2. Auf der anderen Seite schützt die Katalase zusammen mit der Glutathion-Peroxidase Hämoglobin und andere Proteine, die SH-Gruppen tragen, vor dem Angriff durch reaktive Sauerstoff-Spezies.

In Pflanzen bauten Katalasen vor allem das H2O2 aus der Photorespiration ab.

Anwendung

In der Lebensmittelindustrie wird die Katalase in Kombination mit der Glucoseoxidase vor allem zur Konservierung von Mayonnaise- und Eiprodukten verwendet. Dabei spaltet die Katalase in einem ersten Schritt H2O2 zu Wasser und Sauerstoff. Der Sauerstoff wird dann in der zweiten Reaktion von der Glucoseoxidase benötigt, die die unerwünschte Glucose zu Gluconsäure umsetzt. Glucose wird aus Eiprodukten entfernt, da es mit Aminosäuren zu einem braunen Farbstoff reagiert. Aus dem gleichen Grund wird auch in der Weinindustrie dem Wein vor der Abfüllung ein Katalase/Glucoseoxidase-Gemisch zugesetzt, das den Sauerstoff-Gehalt der Restluft über dem Wein verringert und die Braunfärbung des Weines verhindert.

Glucoseoxidase-Reaktion: Glucose + O2 + H2O → Gluconat + H2O2

Katalase-Reaktion: 2 H2O2 → 2 H2O + O2

In der Milchindustrie werden Katalase und Peroxidase gemeinsam eingesetzt, um Wasserstoffperoxid - das als keimtötendes Agens für die Verpackung benutzt wird - aus pasteurisierter Milch zu entfernen. Der Gehalt an Katalase gibt auch einen Hinweis auf die Qualität der Milch und zeigt z.B. Eutererkrankungen der Milchkuh an.

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