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カタラーゼは、過酸化水素を酸素と水に分解する反応を触媒する酵素であり、細胞内のペルオキシソームに存在します。カタラーゼはペルオキシソームのマーカー酵素で、ペルオキシソーム酵素総量の約40%を占めます。カタラーゼは既知のすべての動物の全組織に存在し、特に肝臓では高濃度です。カタラーゼは食品産業において、チーズ製造に用いる牛乳から過酸化水素を除去する目的で使用されます。また、食品の酸化を防止するため、食品包装分野でも使用されます。

由来

カタラーゼはほぼすべての生物に存在します。好気性生物に広く分布し、主として葉緑体、ミトコンドリア、小胞体、動物の肝臓および赤血球に存在し、その酵素活性は生体の抗酸化防御機構を担います。由来の異なるカタラーゼは構造が異なり、組織によって酵素活性レベルも異なります。肝臓ではカタラーゼ量が高いため、過酸化水素は脳や心臓よりも肝臓で速やかに分解されます。

触媒機構

カタラーゼの完全な触媒機構は未だ十分に解明されていないものの、触媒過程は概ね2段階に分けられると考えられています。

H₂O₂ + Fe(III)-E → H₂O + O=Fe(IV)-E(.+)
H₂O₂ + O=Fe(IV)-E(.+) → H₂O + Fe(III)-E + O₂

ここで「Fe()-E」は、酵素に結合したヘム基（E）の中心鉄原子（Fe）を表します。Fe(IV)-E(.+)はFe(V)-Eの共鳴構造の一つであり、鉄原子が+V価まで完全に酸化されるのではなく、ヘムから一部の「補助電子」を受け取る形で安定化されます。そのため、反応中のヘムはラジカルカチオン（.+）として表記されます。

過酸化水素は活性部位に入り、カタラーゼのアスパラギン残基（Asn147）およびヒスチジン残基（His74）と相互作用して、酸素原子間でプロトン移動が起こるようにします。遊離した酸素原子は配位して水分子とFe(IV)=Oを形成します。Fe(IV)=Oは2分子目の過酸化水素と反応してFe(III)-Eを再生し、水分子と酸素を生成します。チロシン残基357に存在するフェノール性側鎖（Fe(III)からFe(IV)への酸化を補助する）が、活性中心の鉄原子の反応性を高める可能性があります。また、His74およびAsn147が反応中間体と相互作用することで、反応効率が向上する可能性があります。   

カタラーゼは、ホルムアルデヒド、ギ酸、フェノール、エタノールなど、他の細胞毒性物質の酸化も触媒します。これらの酸化反応には、以下の反応に示すように過酸化水素が必要です。

H₂O₂ + H₂R → 2H₂O + R

重金属イオン（硫酸銅中の銅イオンなど）は、いずれもカタラーゼの非競合阻害剤として作用し得ます。さらに、高毒性のシアン化物は、ヘムに強固に結合してカタラーゼの触媒反応を阻害する競合阻害剤です。

機能

過酸化水素は代謝過程で生じる副産物であり、生体に損傷を与える可能性があります。この損傷を回避するため、過酸化水素は速やかに無毒または低毒性の物質へ変換される必要があります。カタラーゼは、細胞が過酸化水素分解を触媒するためにしばしば用いる酵素です。しかし、カタラーゼの真の生物学的意義はそれほど単純ではありません。遺伝子改変によりカタラーゼ欠損としたマウスが正常な表現型を維持したことから、カタラーゼは特定の条件下でのみ動物に必須であることが示唆されています。集団によってはカタラーゼレベルが非常に低い場合がありますが、顕著な病理学的反応を示しません。これは、正常な哺乳類細胞における主要な過酸化水素除去因子がカタラーゼではなくペルオキシレドキシンであるためと考えられます。

カタラーゼは通常、ペルオキシソームと呼ばれる細胞小器官に局在します。植物細胞のペルオキシソームは、光呼吸（酸素を利用し二酸化炭素を生成する）および窒素の共固定化（窒素（N2）を反応性の窒素原子へ解離させる）に関与します。一方、細胞が病原体に感染した際には、過酸化水素が有効な抗菌剤として利用されることがあります。Mycobacterium tuberculosis、Legionella pneumophila、Campylobacter jejuniなど一部の病原体は、宿主内で生存するためにカタラーゼを産生して過酸化水素を分解できます。

用途

カタラーゼは食品産業において、チーズ製造に用いる牛乳から過酸化水素を除去する目的で使用されます。また、食品の酸化を防止するため、食品包装分野でも使用されます。さらに、コンタクトレンズの洗浄にも用いられます。過酸化水素を含有する洗浄液にレンズを浸漬した後、使用前にカタラーゼで残留過酸化水素を除去します。近年では美容分野でも使用が始まっており、一部のフェイシャルトリートメントでは、表皮上層の細胞内酸素量を増加させる目的でカタラーゼと過酸化水素を添加しています。カタラーゼはまた、酵素が反応速度に及ぼす影響を理解するための試薬として、研究室で広く用いられています。染色・仕上げ産業においてもカタラーゼは幅広く利用され、繊維用添加剤、捺染・染色、製紙などの分野で残留過酸化水素の除去に用いられます。カタラーゼは染色品質を効果的に改善し、工程時間を短縮し、廃棄物排出量の低減に寄与します。