Eine Peroxidase ist eines von mehreren Enzymen, die als Katalysatoren wirken, um eine Vielzahl biologischer Prozesse ablaufen zu lassen. Konkret fördern sie die Oxidation verschiedener Verbindungen mit natürlich vorkommenden Peroxiden, insbesondere Wasserstoffperoxid (H2O2), die zu Wasser reduziert werden. Peroxide entstehen als Nebenprodukte verschiedener biochemischer Reaktionen in Organismen, können aber als Oxidationsmittel Schäden verursachen. Peroxidasen zerlegen diese Verbindungen in harmlose Substanzen, indem sie Wasserstoff hinzufügen, der aus einem anderen Molekül – einem sogenannten Donormolekül – in einer Reduktions-Oxidations-Reaktion (Redox) gewonnen wird, bei der das Peroxid zu Wasser reduziert und das andere Molekül oxidiert wird. Es gibt eine große Anzahl dieser Enzyme, und sie kommen in Pflanzen und Tieren vor, einschließlich des Menschen.
Struktur und Eigenschaften
Wie alle Enzyme sind Peroxidasen sehr große, komplexe Moleküle mit komplizierten Formen, die mehrere Falten beinhalten. Sie gibt es in einer Vielzahl von Typen, von denen einige eine Vielzahl von Donormolekülen verwenden und eine Vielzahl von Peroxiden reduzieren können, und von denen einige viel spezifischer sind. Enzyme haben ein „aktives Zentrum“, das ist der Teil des Moleküls, in dem die Reaktion stattfindet. Dieser kann sich in einem leicht zugänglichen Teil des Moleküls befinden oder in einer Falte versteckt sein, wo er nur von einem Molekül mit genau der richtigen Form erreicht werden kann. Meerrettichperoxidase (HRP) ist ein Beispiel für ein Enzym, das eine Vielzahl von Donormolekülen und Peroxiden verwenden kann.
Rolle in biologischen Systemen
Eine Reihe von Peroxidasen kommen in Pflanzen vor, wo sie helfen können, Schäden durch Stressfaktoren oder Schadinsekten zu minimieren. Wenn Pflanzen Stress – wie Trockenheit oder hohe Temperaturen – oder dem Angriff von Schädlingen ausgesetzt sind, führt dies dazu, dass reaktive Sauerstoffspezies (ROS) freigesetzt werden. Dies sind Formen von Sauerstoff oder Verbindungen dieses Elements, einschließlich Wasserstoffperoxid, in denen der Sauerstoff sehr reaktiv ist und Zellen schädigen oder töten kann. Es wird angenommen, dass Peroxidasen ROS entfernen und so Schäden vermeiden helfen.
Beim Menschen und anderen Säugetieren kommt eine Gruppe dieser Enzyme namens Glutathione, die das Element Selen enthalten, sowohl innerhalb als auch außerhalb von Zellen vor. Einige von ihnen katalysieren Reaktionen mit H2O2, während andere Peroxidverbindungen von Lipiden (Fette und Öle) verwenden. Ihre Hauptaufgabe scheint darin zu bestehen, diese potenziell schädlichen Oxidationsmittel zu entfernen. Peroxidasen im Speichel ermöglichen auch Redoxreaktionen zwischen H2O2 und Chemikalien, die als Thiocyanate bezeichnet werden, und produzieren Verbindungen, die potenziell schädliche Mikroorganismen abtöten können. Schilddrüsenperoxidase setzt Jod aus Nährstoffen frei, um essentielle Schilddrüsenhormone zu bilden.
Eine ungewöhnliche Verwendung dieser Enzyme findet sich bei einer Gruppe von Insekten, die als Bombardierkäfer bekannt sind. Sie haben eine Kammer mit einer Mischung aus Wasserstoffperoxid und Chemikalien, die Hydrochinone genannt werden. Bei Bedrohung mischen sie diese mit Peroxidasen, die eine Redoxreaktion katalysieren, bei der viel Wärme freigesetzt wird, wobei die resultierende Flüssigkeit bei 212 ° C explosionsartig ausgestoßen wird. Es ist ein sehr wirksames Mittel, um Raubtiere abzuschrecken.
Verwendung
Die Erforschung pflanzlicher Peroxidasen, wie HRP aus Meerrettichwurzel, hat die Bereiche Molekularbiologie und Immunhistochemie, auch Histochemie genannt, vorangebracht. Bei ersterem wird HRP zum Nachweis von Peroxidase-Antikörpern verwendet, die auf eine Autoimmunerkrankung hinweisen können, die Schilddrüsenprobleme verursacht. Es wird auch verwendet, um den Blutzuckerspiegel im Serum oder Urin zu messen. Als diagnostisches Werkzeug in der Pathologie hat HRP die Fähigkeit, auf bestimmte Biomarker in Krebszellen zu zielen und an diese zu binden und eine Fleckenreaktion hervorzurufen, wenn sie in Biopsieproben eingebracht wird. Abgesehen davon, dass HRP leicht verfügbar und kostengünstig erhältlich ist, wird es für solche Tests als besonders nützlich angesehen, da es sehr stabil und offen für die Reaktion mit einer Vielzahl von Donormolekülen ist.
Geschichte
Die Erforschung der Natur dieser Enzyme wurde durch Experimente zur Zersetzung von Wasserstoffperoxid durch den französischen Baron und Chemiker Louis Jacques Thénard Mitte des 19. Jahrhunderts vorangetrieben. Nachdem er die Verbindung als erster in einem Labor hergestellt hatte, stellte er später fest, dass viele tierische und pflanzliche Materialien sie in Wasser und Sauerstoff umwandeln konnten, und dass dieselbe Materialprobe dies viele Male tun konnte. Das war merkwürdig, als wäre es eine einfache chemische Reaktion zwischen dem Peroxid und etwas im organischen Material, die aufhören sollte, sobald der Wirkstoff aufgebraucht war. Dies führte zur Entdeckung von Katalysatoren – Substanzen, die eine chemische Reaktion ermöglichen, ohne tatsächlich daran teilzunehmen – und insbesondere Peroxidasen.