ÇİFT AKTİVİTELİ KATALAZ-FENOL OKSİDAZININ VE DİĞER KATALAZLARIN GIDA SANAYİSİNDEKİ ÖNEMİ

Transkript

1 GIDA (2013) 38 (2): GD12080 Derleme / Review Özet ÇİFT AKTİVİTELİ KATALAZ-FENOL OKSİDAZININ VE DİĞER KATALAZLARIN GIDA SANAYİSİNDEKİ ÖNEMİ Yonca Yüzügüllü* 1, Zümrüt Begüm Ögel 2 1 Kocaeli Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Biyoloji Bölümü, Kocaeli 2 Orta Do u Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, G da Mühendisli i Bölümü, Ankara Gelifl tarihi / Received: Kabul tarihi / Accepted: Katalazlar, hidrojen peroksiti su ve oksijene dönüfltüren, antioksidan metalloenzimler grubuna dahil, hücre ömrünün uzamas na önemli katk lar oldu u bilinen enzimlerdir. G dalarda, gerek tek bafllar na süt pastörizasyonunda ve peynir yap m nda, gerekse glukoz oksidaz ile beraber glukoz içermeyen diyetetik içecekler, fruktoz içermeyen invert fleker ve glukoz içermeyen maltoz üretiminde kullan lmaktad rlar. Son y llarda hidrojen peroksitin endüstride kullan m n n artmas, ekonomik ve oldukça kararl katalaz enziminin üretilmeye çal fl lmas n gerekli k lm flt r. Katalaz enziminin fonksiyonel ve yap sal karakterizasyonu uzun y llard r çal fl lm fl olmas na ra men halen enzimin bilinmeyen karakteristik özellikleri ortaya ç kmaktad r. Örne in, termofilik bir mantar olan Scytalidium thermophilum un büyümeye ba l olarak sürekli (konstitütif) bir flekilde üretti i katalaz, hidrojen peroksit yoklu unda fenol oksidaz aktivitesi de göstermektedir. Bu özelli in keflfi ile birlikte, insan da dâhil çok farkl organizmalar n katalazlar nda de iflen oranlarda oksidaz aktivitesi oldu u belirlenmifltir. Katalazlar üzerine yaklafl k yüz y ld r çal fl ld halde, bu enzimlerin peroksitten ba ms z ikincil oksidaz aktivitesi literatürde yeni bir bulgudur. Katalaz n oksidaz aktivitesinin etkinli ini artt rmak için üç boyutlu yap s n n protein mühendisli i ile de ifltirilmesi çal flmalar na bafllanm flt r. Bu flekilde, tek aflamada hem hidrojen peroksiti hem de oksijeni ortamdan uzaklaflt rabilecek maliyeti düflük ve yüksek verimli katalazlar n üretilmesi olas l, bu enzimlerin araflt r lmas nda yepyeni ufuklar açm flt r. Anahtar kelimeler: G da, hidrojen peroksit, katalaz, oksidaz, Scytalidium thermophilum THE VALUE OF BIFUNCTIONAL CATALASE-PHENOL OXIDASE AND OTHER CATALASES IN FOOD INDUSTRY Abstract Catalases, responsible for hydrogen peroxide degradation into water and oxygen and belonging to a group of antioxidant metalloenzymes, are known as promoting cellular life. They are widely used in food either alone in milk pasteurization and cheese production or its combination with glucose oxidase in the production of dietetic beverages and maltose excluding glucose and invert sugar that does not contain fructose. The need for economic and highly stable catalase production has recently become inevitable due to an increase in the use of hydrogen peroxide in the industry. Despite catalases have been functionally and structurally studied for many years, some unknown characteristics of these enzymes are still coming up. For example, the thermophilic fungus Scytalidium thermophilum constituvely produces a catalase in a growth-associated manner, and this catalase possesses an additional phenol *Yazışmalardan sorumlu yazar / Corresponding author; yyuzugullu@yahoo.com, (+90) (+90)

2 Y. Yüzügüllü, Z. B. Ögel oxidase activity in the absence of hydrogen peroxide. With this discovery, it was also shown that catalases, found in various organisms including humans, exhibit oxidase activity at varying degrees. Although research on catalases has been going on for more than a century, the peroxide independent secondary oxidase activity of these enzymes is a new discovery in the literature. Studies of changing three dimensional structure of enzyme with protein engineering to increase the effectiveness of oxidase activity in catalase have already been started. In this manner, the chance of catalase production with low cost and high yield, which can remove both hydrogen peroxide and oxygen at one step, has encouraged the in-depth investigation of these enzymes. Keywords: Food, hydrogen peroxide, catalase, oxidase, Scytalidium thermophilum GİRİŞ Katalazlar, en çok çal fl lan enzim gruplar ndand r. "Katalaz" terimi ilk kez 1901 y l nda araflt rmac Loew taraf ndan Hidrojen peroksiti (H 2 O 2 ) parçalayan enzim olarak literatürde tan mlanm fl ve daha sonra bu protein birçok moleküler biyolog ve biyokimyac n n çal flma hedefi haline gelmifltir. Substrat n n ucuz ve dolay s yla rahat bulunabilir olmas n n yan nda aktivitesinin de kolay ölçülebilir olmas neticesinde birçok bilim adam katalaz enzimi ile çal flmaya bafllam flt r (1). Katalazlar n katalizledi i reaksiyon genel olarak H 2 O 2 in su ve moleküler oksijene parçalanmas fleklindedir (reaksiyon 1). 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 (reaksiyon 1) Bu katalitik reaksiyon iki ayr basamaktan oluflmaktad r (1-3). lk basamakta birinci hidrojen peroksit enzimdeki hem grubunu oksiferril (Compound I, Cpd I) formuna çevirir (reaksiyon 2). kinci hidrojen peroksit molekülü ise ilk basamakta oluflan bilefli i tekrar indirgeyip enzimin orijinal formuna dönüflmesinde ve su ile oksijenin oluflumunda görev al r (reaksiyon 3). Enz (Por Fe III ) + H 2 O 2 Cpd I (Por + Fe IV =O) + H 2 O (reaksiyon 2) Cpd I (Por + Fe IV =O) + H 2 O 2 Enz (Por Fe III ) + H 2 O + O 2 (reaksiyon 3) Katalazların Sınıflandırılması Katalazlar genel olarak dört gruba ayr l r: monofonksiyonel hem (heme, haem) grubu içeren katalazlar, katalaz peroksidazlar, demir/hem içermeyip Mn içeren katalazlar ve düflük katalaz aktivitesi gösteren çeflitli proteinler (1, 2, 4). Hem grubu içeren monofonksiyonel katalazlar (Hidrojen peroksit oksidoredüktazlar, E.C ), katalaz ailesinin en yayg n grubunu oluflturmaktad r (1, 2). Bu gruptaki katalazlar, yukar da belirtildi i gibi hidrojen peroksitin y k m n iki ayr basamakta gerçeklefltirirler. Tetramerik bir yap ya sahip olan bu enzimler, monomerleri kda ve kda aras nda de iflen iki alt gruba daha ayr l rlar. Bu iki gruptaki katalazlar aras nda en temel fark hem grubunun karakteristik yap s d r (fiekil 1). Yap lar flimdiye kadar karakterize edilmifl olan hemen hemen tüm küçük katalazlar n b tipi hem grubu ihtiva ettikleri ve ayr ca NAD(P)H ba lanma bölgesi içerdikleri bilinmektedir (1). Buna karfl l k, büyük katalazlarda ise d tipi hem grubu bulunmakla birlikte bunlar n yüksek s cakl a ve proteolize karfl önemli derecede dayan kl olduklar keflfedilmifltir (1). Katalaz peroksidazlar hem içeren ve monofonksiyonel katalazlara benzeyen enzimlerdir. Uygun organik elektron vericinin ortamda bulunmas yla ve hidrojen peroksit seviyesinin düflük oldu u durumda peroksidaz aktivitesi de gösterebilmektedirler. Ancak; flimdiye kadar bu enzimlere uygun peroksidatik substrat henüz tan mlanamam flt r. Bu nedenle enzimlerin peroksidatik reaksiyonlar belirlenememifltir (1-3). Mn içeren enzimler ise ayn zamanda yalanc - katalazlar olarak da tan mlanabilir. Bu tip katalazlar hem içeren katalazlara göre daha az yayg nd rlar; flimdiye kadar sadece Lactobacillus plantarum, Thermus thermophilus ve Thermoleophilum album dan izole edilen katalazlar karakterize edilmifltir (1, 5, 6). Katalaz ailesindeki en az öneme sahip grup ise hem grubu içeren ve düflük katalaz aktivitesi gösteren enzimlerden oluflmaktad r. Kloroperoksidazlar (Caldariomyces fumago), haloperoksidazlar ve bromoperoksidazlar bu grupta yer alan katalazlara örnek olarak verilebilir (7-9). Katalaz Oksidazlar Katalazlarla yaklafl k yüzy ld r çal fl lmas na ra men bu enzimlerin peroksitten ba ms z ikincil oksidaz aktivitesi literatürde yeni bir bulgudur. Yak n bir geçmiflte yay nlanan ilk bulgulara göre S. thermophilum büyüme ile paralel olarak ortaya 112

3 Çift Aktiviteli Katalaz-Fenol Oksidazının... fiekil 1. A. Hem b nin (Sitokrom P450, Protein Data Bankas Kodu: 3TNK) üç boyutlu görüntüsü. B. Hem d nin (HPII Katalaz, Protein Data Bankas Kodu: 1GGE) üç boyutlu görüntüsü. ki hem tipi aras ndaki en önemli fark, III nolu halkaya hem b de karboksil zinciri ba l iken hem d de ise lakton halkas ba l d r (ok ile gösterilmektedir). ç kan ve fenolik maddeler varl nda üretimi tetiklenen bir hücre-d fl fenol oksidaz üretmektedir (10). Bu enzim öncelikle bilinen hiç bir fenol oksidaz s n f na dahil edilememifl ancak a rl kl olarak katekol oksidaz özelli i sergilemifltir. Daha sonra yap lan ayr nt l saflaflt rma ve dizi analizleri sonucunda S. thermophilum un hücre-d fl fenol oksidaz enziminin asl nda çift aktiviteli bir katalaz oldu u belirlenmifltir (11, 12). S. thermophilum katalaz-fenol oksidaz (CATPO) enzimi her biri yaklafl k 80 kda'dan oluflan tetramerik bir enzimdir. Aminoasit dizilimi ve tahmini 3-boyutlu yap s itibar ile "monofonksiyonel büyük katalazlar" ailesinin bir bireyi oldu u anlafl lmaktad r. Yap lan literatür araflt rmas sonucu CATPO ya benzer özelli e sahip bir enzimin varl na dair sadece tek bir yay n bulunabilmifltir. Bu enzim memeli (chinese hamster) hücrelerinde bulunan katalazoksidaz enzimi olup, CATPO gibi, monofonksiyonel büyük katalazlar ailesine dahildir (13). Memeli katalaz-oksidaz ile ilgili çal flmada (13) bu tür bir bulgunun bir "ilk" oldu u vurgulanmakta ve fenol oksidaz aktivitesinin mekanizmas n n bilinmedi i belirtilmektedir. Buradan, çift aktiviteli katalazfenol oksidaz türü enzimlerin çok daha yayg n olabilece i, hatta insanda da olabilece i anlafl lmaktad r. Nitekim farkl kaynaklardan (Aspergillus niger, insan eritrositleri ve s r karaci eri) elde edilen katalazlar n katekol oksidaz aktiviteleri test edildi inde bu çift katalaz-fenol oksidaz aktivitenin asl nda katalazlar için genel bir özellik olabilece ini düflündürmektedir (11). Endüstriyel enzim üretimi s ras nda karfl lafl lan problemlerin bafl nda enzimlerin inaktive edici koflullarla karfl karfl ya kalmas neticesinde çok miktarda kayba u ramalar gelmektedir. Bu sorunu çözmek için s cakl a direnç genlerinin mezofilik konaklara klonlanmas ve mutasyon çal flmalar, enzimin immobilize edilmesi ya da kristalizasyonu gibi çeflitli yollara baflvurulmaktad r (14). Termofilik bir mantar olan S. thermophilum un hücre d fl katalaz s cakl a dayan kl bir enzim olup etanol ve DMSO (Dimetil sülfoksit) gibi organik çözgenlerde kararl l n korumaktad r (10). Bu nedenle, termofilik bir mantardan elde edilen bu katalaz n kararl yap da olmas n n, enzimin olas uygulamalarda kullan m n oldukça pahal olan enzim preparatlar n n iflletmeye olan maliyetini azaltmas aç s ndan önemli hale getirdi i düflünülmektedir. Katalazların Canlılar için Önemi Katalazlar hücre ömrünü etkileyen antioksidan enzimlerden biridir. Bu özellikleri, oksidatif stres varl nda oluflan reaktif oksijen türleri (reactive oxygen species; ROS) ile hücrenin bafl edebilmesi esnas ndaki katk lar ndan kaynaklanmaktad r. Yap lan araflt rmalar, katalaz üreten hücrelerde, katalazdan yoksun olanlara göre, hidrojen peroksit varl nda hücre ömrünün uzad n göstermifltir (15). Bunun yan s ra, katalazlar aerobik solunum yapan canl lar n dura an fazda uzun süre yaflamlar n sürdürebilmelerini de sa lar (16). Katalaz n ayr ca bakteriyel virülans s ras nda önemli bir etken oldu u önerilmektedir. Örne in, Staphylacoccus aureus patojeni, farelerin periton kesesinde yaflayabilmesi için katalaza ihtiyaç duyar (17). Hidrojen peroksitin uzaklaflt r lmas, hücre ömrünü uzatma ve virülans gibi özelliklerinin yan s ra katalazlar etanol ve metanol metabolizmas nda da rol al r (7, 18). Son olarak, katalazlar n hidrojen peroksiti mikromolar seviyelerin alt na indirerek hücre-içi ve hücreler aras sinyal iletimini tetikleyip büyümeyi k smen uyarabildikleri savunulmufltur (19-21). Bütün bunlar göz önüne al nd nda, katalaz n sinyal iletimi, detoksifikasyon, antioksidan mekanizmas na katk, ya da henüz bilinemeyen önemli birçok biyolojik rolü olabilece i anlafl lmaktad r. Hücre-İçi Katalaz Üretiminin Kontrolü Oksidatif strese karfl bakterilerin savunma mekanizmas ile ilgili yap lan çal flmalar katalaz üretiminin farkl hücrelerde nas l kontrol edildi ine fl k tutmaktad r. Özellikle Escherichia coli ve Salmonella typhimurium ile yap lan çal flmalar, bakterilerde katalaz genlerinin ifadesinden 113

4 Y. Yüzügüllü, Z. B. Ögel sorumlu iki kontrol mekanizmas oldu unu göstermifltir (22-24). E. coli hücrelerinde iki tip katalaz enzim üretimi gerçekleflir; bunlar çift aktiviteli katalaz-peroksidaz (HPI) ve monofonksiyonel katalaz (HPII) fleklinde adland r lm flt r. HPI ve HPII katalazlar n n üretimi birbirinden ba ms z olup HPI sentezi büyüme ortam na hidrojen peroksit ilavesiyle bafllat l rken HPII sentezi ise büyüme evresinin dura an faz nda gerçekleflir. HPI katalaz n kodlayan katg geni, oksidatif strese cevap olarak uyar lan OxyR regülonu taraf ndan kontrol edilir. HPII katalaz n kodlayan kate geninin kontrol mekanizmas ise biraz daha farkl d r ve pozitif efektör olarak fonksiyonel katf genine ihtiyaç duyar. HPII katalaz, hücreler dura an faza girdikleri zaman yüksek düzeyde salg lan r ve hidrojen peroksit ya da anaerobik ortamdan etkilenmez (25). HPII katalaz tripsin, kimotripsin, proteinaz K gibi çeflitli proteazlara karfl ola an d fl bir dayan kl l k gösterir. Normalde globüler proteinler belli bir dereceye kadar proteazlara karfl direnç gösterirler; ancak HPII katalaz 1:1 (protein:proteaz) oran nda dahi yüksek bir kararl l k göstermektedir. Bu özelli inin yan s ra enzim s cakl a karfl da dayan kl d r. Proteazlara ve s cakl a gösterdikleri direncin bir flekilde birbiri ile etkileflimli olup olmad halen araflt r lmakla birlikte HPII katalaz n n dura an fazda üretilmesinin bu dönemde hücrelerin hayatta kalmas için bu enzime ihtiyaç duydu unu göstermektedir. Bu nedenle, bu enzim inaktive olmamak aç s ndan hayatta kalmak için proteazlara karfl direnç gösterir (26). Katalazların Yapısal Analizi Katalaz enzimi kristali elde edilen ilk enzimlerdendir. Günümüze kadar kristal yap s belirlenmifl olan monofonksiyonel katalazlar n üç boyutlu yap lar incelendi inde hemen hemen hepsinin büyük ölçüde korunmufl olan -f ç çekirdek yap s içerdikleri gözlenmifltir. Enzimin her bir alt birimi befl farkl bölgeden oluflmaktad r: Amino ucu, sekiz adet anti-paralel s ralanm fl -ipliklerinin oluflturdu u -f ç s, uzun ilmik k sm, -heliks bölgesi ve karboksil ucu (fiekil 2). Amino uç k sm n n uzunlu u katalazlar aras nda oldukça de iflkendir; örne in Proteus mirabilis katalaz nda (27) bu k s m 53 amino asitten oluflurken HPII katalaz nda (28) ise 127 kal nt dan oluflmaktad r. Bu bölgede monomerler aras etkileflim oldukça yo un olup enzimin moleküler stabilitisinden sorumludur. kinci k s m olan -f ç s, katalazlar n karakteristik özelli ini oluflturmaktad r. Bu bölgenin ilk yar s n oluflturan aminoasitler "hem" fiekil 2. E. coli HPII Katalaz n n monomerinin üç boyutlu yap s (Protein Data Bankas Kodu: 1GGE). grubunun distal k sm n oluflturmakta iken ikinci yar s ise özellikle küçük katalazlarda NAD(P)H nin ba lanma bölgesine denk gelmektedir. Proteindeki uzun ilmik yap, -f ç s ile -heliks bölgesini ba lamaktad r ve bu bölgede ikincil yap lara rastlanmaz. Karboksil uç k sm ise katalazlarda uzunluk bak m ndan farkl l k göstermekte ve bu farkl l n enzimin yüksek s cakl k ya da proteoliz gibi etkenlere karfl dayan kl l n belirledi i öne sürülmektedir (7). Katalazlar ve Gıda Sanayisindeki Rolleri G dalar n bozulmadan uzun süre kalmas n sa lamak için birçok enzim (proteaz, lipaz, laktaz, ksilinaz, pektinaz, amilaz, fitaz, katalaz, vb) kullan lmaktad r (29). Bu enzimler genelde; bozulmaya neden olan mikroorganizmalar n, enzimlerin etkileri sonucu oluflan bir metabolit ile inhibisyonu amac yla ya da mikroorganizmalar taraf ndan üretilen antimikrobiyel etkili metabolitlerin oluflumunu sa lamak amac yla kullan lmaktad r. Bu gruptaki enzimlerden biri olan katalaz g da sanayisi dâhil birçok alanda yayg n olarak kullan lmaktad r (Çizelge 1). G dalarda özellikle so uk sterilizasyon ajan olarak kullan lan hidrojen perokisiti, sütün ifllenmesi s ras nda ortamdan uzaklaflt rmak için ihtiyaç duyulur (30). Normalde süte herhangi bir katk maddesi ilavesi istenen bir durum de ildir; ancak sütün ekflimesini geciktirmek amac yla hidrojen peroksit (<0.8 g/l) ilave edilir. Bunun daha sonradan tüketiciye ulaflt r lmadan sütten uzaklaflt r lmas gerekir ki bu da katalaz ilavesi ile mümkün olur (31). Katalaz ayn zamanda peynir 114

5 Çift Aktiviteli Katalaz-Fenol Oksidazının... yap m nda da kullan labilir (31, 32). Örne in, sviçre peyniri gibi aromas hofl olan peynirlerin yap m s ras nda peynire güzel tad veren laktik asit bakterilerinin geliflimini önlememek aç s ndan bu bakterilerin hassas olduklar hidrojen peroksitin sütten uzaklaflt r lmas gerekir (32). Katalaz ayr ca glukoz oksidaz ile birlikte glukoz içermeyen diyetetik içecekler, fruktoz içermeyen invert fleker ve glukoz içermeyen maltoz üretiminde de kullan l r (33). F r n ürünlerinin yap m s ras nda, bu enzim kombinasyonu az miktarda hidrojen peroksit ile birlikte kullan l r. Bunun sebebi, g dalarda kararmaya sebep olan glukozun okside olarak uzaklaflt r lmas için yeterli oksijeni sa lamakt r (34). Bu enzim kompleksinin baflka kullan m alanlar aras nda ise cam fliflelerdeki, konserve ve kutu içeceklerin a z k sm ndaki oksijenin uzaklaflt r lmas, flaraplarda ve mayonezde gözlenen biyolojik olmayan kararmay önlemek say labilir (34). Son olarak g da paketlerinde bu iki enzim kullan larak g dalar n n çabuk bozulmas engellenir. Genel olarak katalaz ve oksidaz enzimlerinin beraber kullan lmas, birçok g dadan oksijeni uzaklaflt rmak içindir ve dolayl olarak mikroorganizmalar n geliflimi de engellenir. Böylece g dalar n raf ömrü uzun olmaktad r. Günümüzdeki en büyük problemlerden biri olan g da israf n n önlenmesine bu flekilde katk sa lanabilir. Genel olarak g da sanayisinde kullan lan enzimler küçük kapsüller içine hapsedilmifl (35-37) ya da immobilize (tutuklanm fl) edilmifl halde haz rlan r (36, 37). Endüstride kullan lan katalazlar da yine kapsül içinde ya da immobilize halde üretilir (Calzyme Lab). mmobilizasyon ifllemi enzimlere tekrar kullanabilme, kontaminasyona dirençli olma gibi birçok önemli yararlar sa larlar (38, 39). Ancak bu avantajlar n n yan nda yüksek maliyetin yan s ra enzimlerin hücre içinde oldukça iyi çal fl rken hücreden ar nd r ld klar nda aktivitelerini kaybetme risklerinin olmas gibi dezavantajlar da mevcuttur. Katalazlar n farkl özelliklere sahip membranlar üzerine tutunmas birçok araflt rmac taraf ndan çal fl lm fl ve bunlardan kimyasal olarak aktiflefltirilmifl teflon (40), kitosan (41), polistrindivinilbenzen (42) gibi polimerler üzerine enzimin immobilizasyonu olumlu sonuçlar vermifltir. Ayr ca katalaz n, kollajen veya albumin gibi proteinler ile aktive edilmifl nanofibriller üzerine immobilizasyonu ile aktivitedeki kayb n önemli oranda azald gözlenmifltir (43). Yine bir di er denemede demir ile aktiflefltirilmifl kollajen fibrillere tutunan katalaz n aktivitesinin %57 sinin 26 denemeden sonra hala kald bulunmufltur (44). mmobilizasyon denemelerinde enzim yerine aktivite kayb n önlemek amac yla bütün hücre yap s da kullan labilmektedir. Örne in, katalaz üreten maya (Saccharomyces cerevisiae) hücreleri toksik özellik göstermeyen tavuk yumurta beyaz na glutaraldehit varl nda çapraz ba lanma yoluyla immobilize edilerek hem enzim aktivitesi korunmufl hem de düflük maliyetle üretim sa lanabilmifltir (45). Günümüzde katalazlar ticari olarak birçok firma taraf ndan üretilmektedir (Novodis, Innovadex, Sigma, vb). Bu tip katalazlar n eldesinde kullan lan bafll ca mikroorganizmalar A. niger ve Microccocus lysodeikticus dur. Ticari olarak üretilen bu katalazlar çizelgede de belirtildi i gibi g da sanayisi dâhil olmak üzere çok çeflitli alanlarda kullan lmaktad rlar. Bunlar n yan s ra katalaz içeren g da ürünleri de günümüzde yayg nd r. Örne in katalaz, sitokrom Çizelge 1. Katalaz n endüstrideki kullan m alanlar Kullan m alan Mikroorganizma Kaynakça G da Süt pastörizasyonu A. niger 33, 34, 35 Sanayisi Peynir üretimi A. niger 34, 35 Yumurta ifllenmesi A. niger, (Glukoz oksidaz ile birlikte) M. lysodeikticus 37 çeceklerden kal nt lar n ar nd r lmas A. niger (Glukoz oksidaz ile birlikte) 37 fiiflelerde ve konserve yiyecek ya da kutu içeceklerde A. niger a z k sm ndaki oksijenin uzaklaflt r lmas (Glukoz oksidaz ile birlikte) 37 Mayonez ve flaraplarda kararmay önlemek amac yla A. niger, (Glukoz oksidaz ile birlikte) M. lysodeikticus 37 Diyetetik içecek imalat (Glukoz oksidaz ile birlikte) A. niger 36 F r n ürünleri (Glukoz oksidaz ile birlikte) A. niger 37 Kozmetik Lens solüsyonlar nda temizleyici ajan olarak A. niger 50 Sanayisi Yüz maskesi imalat A. niger 50 Tekstil Pamuk liflerinden peroksit uzaklaflt rmada A. niger 51 Sanayisi 115

6 Y. Yüzügüllü, Z. B. Ögel oksidaz, hekzokinaz, lipaz, peroksidaz, süperoksit dismutaz gibi birçok enzimi içeren çimen suyu ticari olarak sat lmakta ve yayg n olarak kullan lmaktad r (46). Son y llarda katalaz n saç beyazlamas n geciktirici özelli i keflfedilmifl ve bu amaçla tablet halde üretilen katalazlar piyasadaki yerini alm flt r (47). SONUÇ VE ÖNERİLER Katalazlar H 2 O 2 nin su ve moleküler oksijene parçalanmas n katalizleyen enzimlerdir ve do ada yayg n olarak bulunurlar. Katalazlar, antioksidan metalloenzimler grubuna dahil olup ço unlukla tetramer halindedirler. Monomerleri birbirine benzemekle birlikte kda aras nda de iflen molekül a rl na sahiptirler. Her bir monomer ayr ca yap s nda ferriprotoporfirin içermektedir (1, 2). Son y llarda grubumuz taraf ndan S. thermophilum un fenol oksidaz enziminin çift aktivite gösterebilen bir katalaz-fenol oksidaz (CATPO) oldu u belirlenmifltir (10). Elde etti imiz bulgular S. thermophilum un da oksidaz aktivitesi gösteren bir katalaz üretti i ve bu enzimin baz fenolik maddelerin varl nda oluflumunun artt neticesindedir. S. thermophilum un hücre d fl fenol oksidaz enziminden elde edilen aminoasit dizilimi sonras bu enzimin Novo Nordisk taraf ndan dizilimi belirlenmifl Scytalidium katalaz enzimi ile birebir örtüflmekte oldu u görülmüfltür (48), ancak bu patent içinde enzimin bir fenol oksidaz aktivitesine sahip oldu una dair bir bilgi bulunamam flt r. Literatürde katalaz ve oksidaz enzimlerinin özelliklerini tek bir enzimin bünyesinde toplayabilen bir enzime tek bir yay nda rastlanm flt r (13). Memeli hücrede (chinese hamster) bulunan katalaz-oksidaz enzimi oksidaz aktivitesi için oksijene gereksinim duymaktad r ve ortamda H 2 O 2 ya da herhangi bir kofaktör bulunmad nda dahi elektron veren substratlar kullanabilmektedir. Di er yandan memeli katalaz-oksidaz olarak sözü edilen enzimin protein karakterizasyonu yap lmam flt r. Bu nedenle, ekibimizin yak n geçmiflte yay nlad CATPO nun karakterizasyonu (11, 12, 49), bu tür bir çift aktiviteli enzimin karakterize edildi i ilk çal flma niteli indedir. Katalaz enzimlerinin gerek oksidatif stres ile gerekse hücre ömrü ve yafllanma ile ilgili önemleri bilinmekle beraber, bu tür bir ikincil fenol oksidaz aktivitesinin biyolojik aç dan nas l bir öneme sahip olabilece i grubumuz taraf ndan halen araflt r lmakta ve öncü sonuçlar genel olarak antioksidan gibi davranan fenolik maddeler ile enzim üretimi aras nda karfl l kl ters bir iliflkinin oldu unu göstermektedir (49). Son y llarda hidrojen peroksitin endüstride kullan m n n artmas, H 2 O 2 nin su ve oksijene dönüfltürülmesini sa layan ekonomik ve oldukça kararl katalaz enziminin üretilmeye çal fl lmas n gerekli k lm flt r. Özellikle g da sanayisinde katalaz enzimi oksidazlarla birlikte yayg n olarak kullan lmaktad r. Katalaz enzimi ile uzun y llard r çal fl lm fl olmas na ra men daha önce keflfedilmemifl ikincil oksidaz aktivitesi enzimoloji aç s ndan yeni bir bulgudur ve bu çift aktivitenin daha ayr nt l çal fl lmas n n maliyeti düflük ve yüksek verimli katalaz üretimine genifl ufuklar kazand raca düflünülmektedir. KAYNAKLAR 1. Chelikani P, Fita I, Loewen PC Diversity of structures and properties among catalases. Cell Mol Life Sci, 61, Switala J, Loewen PC Diversity of properties among catalases. Arch Biochem Biophys, 401, Zamocky M, Furtmüller PG, Obinger C Evolution of catalases from bacteria to humans. Antioxid Redox Signal, 10, Bhaskar B, Lad L, Poulos TL Iron: Heme proteins, peroxidases, catalases and catalaseperoxidases. In: Encyclopedia of inorganic chemistry, King RB (chief ed), J. Wiley & Sons, New York, NY, pp Stich TA, Whittaker JW, Britt RD Multifrequency EPR studies of Manganese catalases provide a complete description of proteinaceous nitrogen coordination. J Phys Chem, 114, Rochat T, Bermúdez-Humarán L, Gratadoux JJ, Fourage C, Hoebler C, Corthier G, Langella P Antinflammatory effects of Lactobacillus casei BL23 producing or not a manganesedependant catalase on DSS-induced colitis in mice. Microb Cell Fact, 6, Mate M, Murshudov G, Bravo J, Melik-Adamyan W, Loewen PC, Fita I Heme-catalases. In: Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry, Scott RA (chief ed), J. Wiley & Sons Press, New York, NY, pp

7 Çift Aktiviteli Katalaz-Fenol Oksidazının Liu JZ, Wang M Improvement of activity and stability of chloroperoxidase by chemical modification. Biotechnol, 7, Anh DH, Ullrich R, Benndorf D, Svatos A, Muck A, Hofrichter M The coprophilus mushroom Coprinus radians secretes a haloperoxidase that catalyzes aromatic peroxygenation. Appl Environ Microbiol, 73, Ögel ZB, Yüzügüllü Y, Mete S, Bakir U, Kaptan Y, Sutay D, Demir AS Production, properties and application to biocatalysis of a novel extracellular alkaline phenol oxidase from the thermophilic fungus Scytalidium thermophilum. Appl Microbiol Biotechnol, 71, Sutay Kocabas D, Bakir U, Phillips SEV, McPherson MJ, Ogel ZB Purification, characterization, and identification of a novel bifunctional catalasephenol oxidase from Scytalidium thermophilum. Appl Microbiol Biotechnol, 79, Sutay Kocabas D, Pearson AR, Phillips SEV, Bakir U, Ogel ZB, McPherson MJ, Trinh C Crystallization and preliminary X-ray analysis of a bifunctional catalase-phenol oxidase from Scytalidium thermophilum. Acta Crystallogr Sect F: Struct Biol Cryst Commun, 65, Vetrano AM, Heck DE, Mariano TM, Mishin V, Laskin DL, Laskin JD Characterization of the oxidase activity in mammalian catalase. J Biol Chem, 280, Nita M, Raducan A, Puiu M, Oancea D Stabilization of catalase in the presence of additives /AUBCh2007XVI23944.pdf (Eriflim tarihi ) 15. Volkert MR, Loewen PC, Switala J, Crowley D, Conley M The _(argf-lacz)205(u169) deletion greatly enhances resistance to hydrogen peroxide in stationary-phase Escherichia coli. J Bacteriol, 176, Loewen PC Catalase. In: Encyclopedia of molecular biology, Creighton T (chief ed), J. Wiley & Sons, New York, NY, pp Das D, Bishayi B Contribution of catalase and superoxide dismutase to the intracellular survival of clinic isolates of Staphylacoccus aureus in murine macrophages. Ind J Microbiol, 50, Comporti M, Signorini C, Leoncini S, Gardi C, Ciccoli L, Giardini A, Vecchio D, Arezzini B Ethanol-induced oxidative stress: basic knowledge. Genes Nutr, 5, Gough DR, Cotter TG Hydrogen peroxide: a Jekyll and Hyde signaling molecule. Cell Death Dis, 2, e213; Doi: /cddis Onumah OE, Jules GE, Zhou L, Yang H, Guo Z Overexpression of catalase delays G0/G1- to S-phase transition during cell cycle progression in mouse aortic endothelial cells. Free Radic Biol Med, 46, Takebe F, Hara I, Matsuyama H, Yumoto I Effects of H 2 O 2 under low- and high-aeration -level conditions on growth and catalase activity in Exiguobacterium oxidotolerans T-2-2T. J Biosci Bioeng, 104, Imlay JA Cellular defenses against superoxide and hydrogen peroxide. Annu Rev Biochem, 77, Uhlich GA KatP contributes to OxyR-regulated hydrogen peroxide resistance in Escherichia coli serotype O157 : H7. Microbiol, 155, Pacello F, Rotillo G, Battistoni A Low-shear modeled microgravity enhances Salmonella enterica resistance to Hydrogen peroxide through a mechanism involving KatG and KatN. Open Microbiol J, 6, Mulvey MR, Switala J, Borys A, Loewen PC Regulation of transcription of kate and katf in Escherichia coli. J Bacteriol, 172, Chelikani P, Ramana T, Radhakrishnan TM Catalase: A repertoire of unusual features. Ind J Clinic Biochem, 20, Gouet P, Jouve HM, Dideberg O Crystal structure of Proteus mirabilis PR catalase with and without bound NADPH. J Mol Biol, 249, Bravo J, Mate MJ, Schneider T, Switala J, Wilson K, Loewen PC, Fita I Structure of catalase HPII from Escherichia coli at 1.9 Å resolution. Proteins, 34, Kirk O, Borchert TV, Fuglsang CC Industrial enzyme applications. Curr Opin Biotechnol, 13, Anon. ouyeleri/gmu809/enzim_ve_mikroorganizma.pdf (Eriflim tarihi ) 117

8 Y. Yüzügüllü, Z. B. Ögel 31. Lück H. The use of hydrogen peroxide in milk and dairy products. who.int/monograph/who_mono_48_(p423). pdf (Eriflim tarihi ) 32. Phillips T. Enzymes used in diary industry. tp/dairyenzymes.htm (Eriflim tarihi ) 33. Anonymous. bolm10.pdf (Eriflim tarihi ) 34. Chaplin M. Glucose oxidase and catalase in the food industry. enztech/god.html (Eriflim tarihi ) 35. Vidhyalakshmi R, Bhakyaraj R, Subhasree RS Encapsulation "The future of probiotics"- a review. Adv Biol Res, 3, Apinan S. Encapsulation technology. UserFiles/Encapsulation%20technology%20in %20Food%20Industry%20new.pdf (Eriflim tarihi ) 37. Anonymous. markets-industries/food-nutrition (Eriflim tarihi ) 38. Panesar PS, Kumari S, Panesar R Potential applications of immobilized -Galactosidase in food processing industries. Enzyme Res, Volume 2010, Article ID , 16 pages, Doi: / 2010/ Petkova GA, Zaruba K, Zvatora P, Kral V Gold and silver nanoparticles for biomolecule immobilization and enzymatic catalysis. Nanoscale Res Lett, 7, Alves Da Silva M, Helena Gil M, Piedade AP, Redinha JS, Oliveira Brett A, Caridade Costa JM. Immobilization of catalase on membranes of Poly(ethylene)-g-co-acrylic acid and Poly (tetrafluoroethylene)-g-co-acrylic acid and their application in hydrogen peroxide electrochemical sensors. pdfs/pdf /5-catalase-jpolsci.pdf (Eriflim tarihi ) 41. Çetinus fia, Öztop HN, Sarayd n D Immobilization of catalase onto chitosan and cibacron blue F3GA attached chitosan beads. Enzyme Microb Tech, 41, Bayramoglu G, Karagoz B, Yilmaz M, Bicak N, Arica MY Immobilization of catalase via adsorbtion on poly(styrene-d-glycidylmethacrylate) grafted and tetraethyldiethylenetriamine ligand attached microbeads. Bioresour Technol, 102, Wang ZG, Wan LS, Xu ZK Immobilization of catalase on electrospun nanofibrus membranes modified with bovine serum albumin or collagen: Coupling site-dependent activity and proteindependent stability. Soft Matter, 5, Chen S, Song N, Liao X, Shi B Immobilization of catalase on Fe(III) modified collagen fiber. Sheng Wu Gong Chenq Xue Bao, 7, [in Chinese]. 45. Kubal BS, D Souza SF. Immobilized-BARC pdf (Eriflim tarihi ) 46. Anonymous. wheatgrass-enzymes.html (Eriflim tarihi ) 47. Anonymous /29550/catalase-culprit-gray-hair.html (Eriflim tarihi ) 48. Christensen B, Lange NK, Daimon K. Catalase, its production and use. US Patent 5,571,719 (Eriflim tarihi ) 49. Yüzügüllü Y, Ögel ZB, Bölükbafl UB, Çoruh N, Karakafl G Production and biocatalytic activity of a novel bifunctional catalase-phenol oxidase of Scytalidium thermophilum in the presence of phenolic compounds. Turk J Biol, 35, Anonymous. eng/database/enzymes/89.catalase.html (Eriflim tarihi ) 51. Amorim AM, Gasques MDG, Andreus J, Scharf M The application of catalase for the elimination of hydrogen peroxide residues after bleaching of cotton fabrics. Ann Brazil Acad Sci, 74,