catalasa

Catalasa

1. Identidad y clasificación química

Nomenclatura

La catalasa se clasifica bajo el número de la Comisión de Enzimas EC 1.11.1.6 y pertenece a la superfamilia de las oxidorreductasas. Su nombre sistemático es hydrogen-peroxide:hydrogen-peroxide oxidoreductase. El gen que codifica la catalasa humana se denomina CAT, ubicado en el cromosoma 11p13. Dentro del etiquetado de suplementos dietéticos, la base de datos NIH Dietary Supplement Label Database la registra bajo los términos Catalase, Catalase active base y Catalase complex, y la clasifica en la categoría "Enzyme". La base de datos NIH Office of Dietary Supplements Dietary Supplement Label Database clasifica a la catalasa como una enzima, con términos de etiqueta relacionados que incluyen "Catalase," "Catalase, active base," y "Catalase complex."

Estructura molecular

La enzima catalasa funcional exhibe una estructura cuaternaria compleja, existiendo como un homotetrámero compuesto de cuatro subunidades polipeptídicas idénticas dispuestas en una forma tridimensional compacta; el peso molecular de la enzima típicamente oscila entre 220,000 y 350,000 kilodaltones, lo que refleja esta composición multi-subunidad. La catalasa es un tetrámero de cuatro cadenas polipeptídicas, cada una de más de 500 aminoácidos de longitud. Las catalasas típicas son enzimas homotetraméricas estructuralmente complejas con un grupo prostético hemo enterrado en cada subunidad.

Incrustado en las profundidades del núcleo de cada subunidad se encuentra el grupo prostético hemo, que es una molécula que contiene hierro. Este grupo hemo funciona como el centro catalítico de la enzima, donde tiene lugar la reacción química. El átomo de hierro dentro del hemo está coordinado por varios aminoácidos circundantes, creando el entorno químico específico necesario para su función. El centro activo consiste en un hemo con un ligando de tirosina en el lado proximal y una histidina conservada y un aspartato en el lado distal. El sitio activo, donde se une el sustrato, se accede a través de un canal estrecho en forma de embudo de aproximadamente 30 angstroms de longitud; residuos de aminoácidos específicos, como histidina y asparagina, revisten el canal y el sitio activo, dirigiendo al sustrato e iniciando la reacción.

Se reconocen tres clases distintas de catalasa. La primera y más extendida clase abarca las hemo-catalasas monofuncionales (catalasas típicas), el grupo al que pertenecen las catalasas de mamíferos y la mayoría de las comercialmente relevantes. La segunda clase es la catalasa-peroxidasa bifuncional, que es relativamente menos abundante en la naturaleza y también contiene un grupo hemo; está estrechamente relacionada con las peroxidasas vegetales, con similitudes estructurales y de secuencia. La tercera clase pertenece al grupo de catalasas que contienen manganeso, las cuales carecen del grupo hemo. Las catalasas de manganeso contienen un complejo binuclear de manganeso como su sitio activo catalítico en lugar de un hemo, y ciclan entre los estados Mn₂(II,II) y Mn₂(III,III) durante el recambio catalítico.

Fuentes naturales

La catalasa es una enzima común que se encuentra en casi todos los organismos vivos expuestos al oxígeno —como bacterias, plantas y animales— y cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. Se encuentra en casi todos los organismos que utilizan oxígeno y es especialmente abundante en el hígado; dentro de las células, se ubica en los peroxisomas, donde ayuda a gestionar las especies reactivas de oxígeno, protegiendo al ADN, las proteínas y las membranas celulares del daño oxidativo.

Entre las especies vegetales, la catalasa se encuentra en diversas especies de plantas como el tabaco, Arabidopsis thaliana, pimiento, mostaza, azafrán, maíz, ricino, girasol, algodón, trigo y espinaca. Comercialmente, la catalasa se produce principalmente por extracción del hígado bovino y, en años más recientes, a partir del hongo Aspergillus niger y la bacteria Micrococcus luteus; el camote también es una buena fuente de catalasa.

Formas y preparaciones comunes de suplementos

Los productos de suplementos de catalasa sola vienen en diversas formas, incluyendo cápsulas, líquidos y polvo; más comúnmente, la enzima se combina con otras enzimas, nutrientes o hierbas según el beneficio de salud previsto. Muchos suplementos publicitados para revertir las canas combinan catalasa con cola de caballo, palma enana americana, biotina o ácido fólico; en otros casos, la catalasa se combina con enzimas digestivas y/o probióticos, con el objetivo declarado de apoyar la salud intestinal; los productos que afirman ofrecer protección contra los radicales libres combinan catalasa con vitaminas, minerales o antioxidantes de origen vegetal.

La actividad enzimática en las preparaciones comerciales de catalasa se expresa comúnmente en unidades internacionales (UI) o Unidades Baker (BU). Una Unidad Baker se define como la cantidad de enzima que descompone 264 mg de H₂O₂ en una hora a 25 °C y pH 7.0. La catalasa de grado industrial y alimentario derivada de Aspergillus niger ha estado disponible durante mucho tiempo bajo preparaciones estandarizadas, con la actividad medida en Unidades Baker y una estabilidad máxima que típicamente se mantiene a temperaturas de refrigeración.

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2. Descubrimiento histórico y científico

La historia del descubrimiento de la catalasa comienza con la identificación de su sustrato. Thénard (1811), descubridor del peróxido de hidrógeno, esperaba que su degradación en el tejido vivo fuera realizada por una sustancia especial, la cual Schönbein (1863) identificó como un cierto tipo de "fermento". El término "catalasa" fue acuñado formalmente en 1900 por Oscar Loew, un químico agrícola germano-estadounidense, durante sus investigaciones sobre extractos vegetales; Loew identificó la actividad como una enzima distinta capaz de descomponer rápidamente el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno, presente en una amplia gama de organismos, desde bacterias hasta plantas superiores y animales, y su artículo seminal estableció a la catalasa como una entidad enzimática específica, separada de las peroxidasas.

Pasaron otros 22 años hasta que Warburg (1923) demostró que el centro activo de la catalasa contiene hierro, según se concluyó a partir de la característica inhibición con cianuro. Stern (1936) demostró que en todas las catalasas conocidas hasta entonces, la protoporfirina IX era el grupo activo, y los primeros cristales de catalasa de hígado bovino fueron obtenidos un año después, en 1937, por Sumner y Dounce. La secuencia de aminoácidos de la catalasa bovina se determinó en 1969, y su estructura tridimensional se resolvió en 1981.

En 1984, Kirkman y Gaetani reportaron NADPH firmemente unido en la catalasa de hígado bovino, el cual fue detectado posteriormente también en la estructura de rayos X de la enzima. El trabajo de cristalización de la catalasa contribuyó directamente al reconocimiento con el Premio Nobel: el trabajo de Sumner en la cristalización de la catalasa, junto con su éxito previo con la ureasa, contribuyó a que compartiera el Premio Nobel de Química de 1946 por establecer la naturaleza proteica de las enzimas a través de la cristalización.

Uso tradicional

La catalasa, como ingrediente purificado discreto, no tiene una historia documentada de uso tradicional en la herbolaria o la medicina popular. A diferencia de los fitoquímicos de origen vegetal, la catalasa es una enzima endógena; no fue identificada como una entidad molecular específica hasta 1900, y no fue aislable en forma pura hasta 1937. Los alimentos naturalmente ricos en actividad de catalasa —como el hígado, ciertas verduras de raíz y las verduras de hoja verde— han formado parte durante mucho tiempo de las tradiciones nutricionales en diversas culturas, pero se consumían para la nutrición general y no con conocimiento del contenido de catalasa específicamente. La historia moderna de la catalasa como suplemento administrado deliberadamente data de finales del siglo XX y principios del siglo XXI, impulsada por los avances en la bioquímica de proteínas y la industria enzimática comercial.

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3. Componentes bioquímicos clave y mecanismos de acción

La reacción catalítica primaria

La catalasa es una enzima muy importante en la protección de la célula contra el daño oxidativo por especies reactivas de oxígeno (ROS); tiene uno de los números de recambio más altos de todas las enzimas —una molécula de catalasa puede convertir millones de moléculas de peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno cada segundo. La estequiometría global de la reacción catalítica es: 2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂. Esta reacción catalítica ocurre en dos etapas distintas. La primera etapa implica la oxidación del hemo usando la primera molécula de peróxido de hidrógeno para formar una especie oxiferrilo en la que un equivalente de oxidación se toma del hierro y otro del anillo de porfirina para formar un catión radical de porfirina. En la segunda etapa, una segunda molécula de peróxido de hidrógeno actúa como reductor, restaurando la enzima a su estado férrico de reposo y liberando agua y oxígeno molecular.

En contraste con la tasa de recambio casi controlada por difusión que es característica de las catalasas que contienen hemo (k_cat = 4×10⁷ s⁻¹), las catalasas de manganeso no hemínicas exhiben una cinética mucho más lenta.

La reacción peroxidática

Además de la reacción catalítica, la catalasa puede promover la interacción del peróxido de hidrógeno con compuestos que pueden servir como donantes de hidrógeno, de modo que el peróxido de hidrógeno se convierte en una molécula de agua mientras el donante reducido se oxida —un proceso llamado actividad peroxidática de la catalasa; los compuestos que pueden proporcionar estos átomos de hidrógeno incluyen el alcohol de las bebidas (etanol) y el metanol. Cuando las concentraciones de H₂O₂ son más altas, la catalasa realiza preferentemente la reacción "catalítica" para descomponer el H₂O₂; solo a concentraciones más bajas de H₂O₂ se inicia la reacción "peroxidática" —la oxidación del etanol.

Junto con sus propiedades protectoras, la catalasa también moviliza el peróxido de hidrógeno para neutralizar toxinas dañinas que ingresan al organismo, como el metanol, el etanol y el formaldehído.

Localización subcelular

Las catalasas son enzimas tetraméricas que contienen hemo, presentes en organelos subcelulares (peroxisomas), la fuente primaria de producción de H₂O₂ durante las condiciones de estrés oxidativo mediante la oxidación fotorrespiratoria, la beta-oxidación de ácidos grasos y el catabolismo de purinas.

Unión al NADPH

Las catalasas de mamíferos contienen NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato) firmemente unido. Este cofactor no es necesario para la actividad catalítica o peroxidática primaria, pero se cree que desempeña un papel protector al ayudar a prevenir la inactivación de la enzima por el peróxido de hidrógeno a altas concentraciones. Kirkman y Gaetani (1984) reportaron NADPH firmemente unido en la catalasa de hígado bovino, el cual fue detectado posteriormente también en la estructura de rayos X.

Relación con el sistema de defensa antioxidante más amplio

La catalasa no funciona de forma aislada. La superóxido dismutasa (SOD) dismuta el superóxido en peróxido de hidrógeno, el cual a su vez es degradado por la catalasa o por la glutatión peroxidasa. Los organismos vivos poseen sistemas de defensa antioxidante sofisticados y eficientes contra las ROS, especialmente enzimas antioxidantes que incluyen a la catalasa (CAT), la superóxido dismutasa (SOD) y la glutatión peroxidasa (GPX). Esta cascada enzimática significa que la función de la catalasa está profundamente integrada con otras proteínas antioxidantes, y las perturbaciones en un componente afectan la actividad de los demás.

Sensibilidad a las condiciones ambientales

Los cambios en la forma de la enzima —causados por factores como la temperatura, el pH o mutaciones— pueden alterar o reducir su actividad al alterar el sitio activo. La catalasa es altamente sensible a la temperatura y sufre desnaturalización por encima de los 60 °C. La tasa de reacción también depende de las concentraciones tanto de la enzima como de su sustrato, el peróxido de hidrógeno, aumentando la tasa de reacción hasta que la enzima se satura; adicionalmente, ciertos químicos pueden inhibir la actividad de la catalasa.

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4. Evidencia científica por área de uso

4.1 Estrés oxidativo y protección celular

El papel fundamental de la catalasa en la biología del estrés oxidativo está sólidamente establecido a nivel bioquímico y celular. Las especies reactivas producidas en la célula durante el metabolismo celular normal pueden reaccionar químicamente con biomoléculas celulares como ácidos nucleicos, proteínas y lípidos, causando modificaciones oxidativas; las células han desarrollado varios mecanismos de defensa antioxidante para neutralizar estos efectos dañinos; cualquier perturbación en el equilibrio entre antioxidantes y especies reactivas resulta en la condición fisiológica llamada "estrés oxidativo", y la catalasa es una de las enzimas antioxidantes cruciales que mitiga esta condición en una medida considerable al destruir el peróxido de hidrógeno celular.

Fuerza de la evidencia: El papel bioquímico está extremadamente bien establecido a lo largo de décadas de investigación. Sin embargo, la evidencia clínica de que la catalasa suplementaria administrada por vía oral aumenta la actividad de catalasa en los tejidos humanos permanece ausente de la literatura revisada por pares.

4.2 Envejecimiento y enfermedad degenerativa asociada a la edad

Se postula que la deficiencia o el mal funcionamiento de la catalasa está relacionado con la patogénesis de muchas enfermedades degenerativas asociadas a la edad, incluyendo diabetes mellitus, hipertensión, anemia, vitíligo, enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Parkinson, trastorno bipolar, cáncer y esquizofrenia. Las enfermedades degenerativas en las que la función y estructura del tejido u órganos se deterioran con el tiempo —como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, la diabetes, las cataratas, el cáncer y las enfermedades cardiovasculares— se han atribuido a las condiciones de estrés oxidativo y al proceso de envejecimiento natural; por lo tanto, el estrés oxidativo, el envejecimiento y las enfermedades degenerativas están interconectados.

La investigación ha explorado estrategias para aprovechar el potencial antienvejecimiento de la catalasa. Al mitigar el daño oxidativo a las macromoléculas celulares y preservar la función mitocondrial, la catalasa preserva la homeostasis celular y retrasa la aparición del deterioro relacionado con la edad; además, la participación de la catalasa en las vías de señalización que regulan la senescencia celular y la apoptosis influye en el proceso de envejecimiento a nivel molecular.

Fuerza de la evidencia: La asociación entre la baja actividad de catalasa y las enfermedades relacionadas con el envejecimiento está respaldada por extensos datos observacionales, genéticos e in vitro. Los ensayos de intervención en humanos que utilizan la suplementación oral con catalasa para desenlaces de envejecimiento son, según la literatura actual, inexistentes. La mayor parte de la evidencia mecanística proviene de modelos animales y experimentos de cultivo celular.

4.3 Acatalasemia y deficiencia hereditaria de catalasa

La acatalasemia es una condición hereditaria rara causada por mutaciones de pérdida de función en el gen CAT. Si el peróxido de hidrógeno no es descompuesto por la catalasa, reacciones adicionales lo convierten en compuestos llamados especies reactivas de oxígeno que pueden dañar el ADN, las proteínas y las membranas celulares; las mutaciones en el gen CAT reducen enormemente la actividad de la catalasa; una escasez de esta enzima puede permitir que el peróxido de hidrógeno se acumule hasta niveles tóxicos en ciertas células; por ejemplo, el peróxido de hidrógeno producido por bacterias en la boca puede acumularse y dañar los tejidos blandos, provocando úlceras bucales y gangrena.

Se han detectado mutaciones del gen de la catalasa en asociación con la diabetes mellitus, la hipertensión y el vitíligo; la acatalasemia —la deficiencia hereditaria de catalasa— se ha detectado en 11 países; sus características clínicas pueden incluir gangrena oral, alteraciones en el metabolismo de lípidos, carbohidratos y homocisteína, y un mayor riesgo de diabetes mellitus. Se estima que la condición ocurre en aproximadamente 1 de cada 12,500 personas en Japón, 1 de cada 20,000 personas en Hungría y 1 de cada 25,000 personas en Suiza. Muchas personas con esta condición no muestran síntomas y nunca son diagnosticadas, excepto a través de familiares afectados.

La deficiencia de catalasa hereditaria o adquirida en humanos puede predisponer a la metahemoglobinemia y a la hemólisis en pacientes que reciben terapia con oxidasa de ácido úrico (rasburicasa), y la mayoría (85.1%) presenta uno de los trastornos crónicos más comunes relacionados con la edad, como el encanecimiento senil del cabello, la diabetes mellitus, la gangrena oral, la esquizofrenia, el vitíligo, la enfermedad de Parkinson, la arteriosclerosis y la hipertensión.

Fuerza de la evidencia: El fenotipo clínico de la acatalasemia está bien descrito en series de casos y datos epidemiológicos; la base genética está establecida. No existen ensayos controlados de suplementación con catalasa como tratamiento para la acatalasemia en humanos.

4.4 Vitíligo

El vitíligo se encuentra entre las condiciones clínicas más estudiadas en relación con la catalasa. Los pacientes con vitíligo tienen niveles bajos de catalasa en su epidermis afectada y no afectada, en asociación con niveles elevados de peróxido de hidrógeno (H₂O₂); el H₂O₂ se confirmó por primera vez in vivo mediante espectroscopía Raman de transformada de Fourier; una sustitución tópica con una pseudocatalasa activada por UVB puede eliminar con éxito el H₂O₂ epidérmico en el vitíligo; este enfoque conduce a la recuperación del daño oxidativo en la epidermis y a una repigmentación notable en este trastorno.

Los niveles elevados de H₂O₂ en la epidermis son tóxicos para los melanocitos, inhiben la tirosinasa y también desactivan la catalasa, que es una enzima peroxisomal que cataliza la reducción del H₂O₂ a agua y oxígeno; este desequilibrio entre el daño oxidativo y los sistemas enzimáticos antioxidantes desempeña un papel importante en la destrucción de los melanocitos.

La pseudocatalasa (PC-KUS), un complejo sintético de manganeso que imita la función de la catalasa y es activado por la radiación ultravioleta B, ha sido el principal enfoque de investigación. La pseudocatalasa es un complejo de bis-manganeso III-EDTA-(HCO₃⁻)₂ activado por UVB o por el sol natural; este complejo se utilizó en un estudio piloto con 33 pacientes, mostrando una repigmentación notable incluso en enfermedad de larga duración. La cohorte de pacientes más extensa tratada con este enfoque fue documentada por Schallreuter et al., cuyo estudio incluyó a 71 pacientes con vitíligo generalizado, categorizados en un grupo control de 10 pacientes que recibieron radiación NB-UVB y 61 individuos que también recibieron aplicación tópica diaria de pseudocatalasa.

Sin embargo, los resultados han sido mixtos. Se han realizado muchos estudios para demostrar la utilidad de este régimen, aunque algunos no han logrado demostrar tales resultados. En un estudio de Khemis et al., 30 pacientes con lesiones bilaterales usaron pseudocatalasa más UVB en una lesión y placebo más UVB en la otra; el resultado mostró que no hubo diferencia significativa entre las lesiones de control y las tratadas.

Fuerza de la evidencia: Preliminar y mixta. La base mecanística —la acumulación epidérmica de H₂O₂ y la reducción de catalasa— está bien documentada. La pseudocatalasa no es la proteína catalasa nativa, sino un mimético sintético de manganeso. Los resultados de los ensayos clínicos son inconsistentes, y no existen grandes ensayos controlados aleatorizados (ECA) que confirmen la eficacia de la pseudocatalasa o de la suplementación con catalasa nativa en el vitíligo.

4.5 Encanecimiento del cabello

Una de las aplicaciones comercialmente más destacadas de los suplementos de catalasa se relaciona con el encanecimiento del cabello. Se cree que una disminución en la actividad de la catalasa permite que el peróxido de hidrógeno se acumule en los folículos pilosos, provocando el efecto blanqueador que resulta en canas. Los niveles bajos de esta enzima se han asociado con el encanecimiento del cabello, lo que indica su importancia en la salud celular.

Si bien la idea de revertir las canas con suplementos de catalasa es tentadora, la evidencia científica actual no la respalda. Ningún ensayo clínico humano publicado y revisado por pares ha demostrado que los suplementos de catalasa administrados por vía oral reviertan o prevengan el encanecimiento del cabello en humanos.

Fuerza de la evidencia: La hipótesis bioquímica es plausible y mecánicamente coherente. Sin embargo, no está validada por ensayos clínicos en humanos. La asociación se encuentra actualmente solo a nivel de datos observacionales e in vitro.

4.6 Enfermedad cardiovascular

La catalasa, abundante dentro del tejido cardíaco, se presenta como una defensora de primera línea contra el ataque oxidativo, protegiendo a los cardiomiocitos del daño inducido por ROS; en condiciones como la lesión por isquemia-reperfusión —caracterizada por una privación transitoria de oxígeno seguida de reoxigenación— la actividad enzimática de la catalasa es fundamental para atenuar la lesión miocárdica mediada por el estrés oxidativo; al neutralizar el peróxido de hidrógeno, la catalasa preserva la contractilidad miocárdica y mitiga la inflamación, reduciendo así el alcance del daño isquémico.

Actualmente se están llevando a cabo ensayos clínicos para evaluar la seguridad y eficacia de las terapias basadas en catalasa en enfermedades relacionadas con el estrés oxidativo, incluidos los trastornos cardiovasculares, las enfermedades neurodegenerativas y la diabetes mellitus.

Fuerza de la evidencia: Mayormente preclínica (modelos animales e in vitro). El fundamento mecanístico es sólido, pero los datos de ensayos en humanos sobre la catalasa suplementaria para desenlaces cardiovasculares aún no están disponibles en la literatura publicada.

4.7 Diabetes mellitus

El peróxido de hidrógeno a altas concentraciones es un agente tóxico, mientras que a bajas concentraciones parece modular algunos procesos fisiológicos como la señalización en la proliferación celular, la apoptosis, el metabolismo de carbohidratos y la activación plaquetaria. La catalasa está directamente implicada en la protección de las células beta pancreáticas: la acumulación de peróxido de hidrógeno causa daño a las células beta del páncreas, las cuales liberan insulina para controlar los niveles de azúcar en sangre; es por esto que los individuos con acatalasemia están en riesgo de diabetes tipo 2. Se han descrito ciertos polimorfismos en el gen de la catalasa en asociación con la diabetes, la hipertensión, el vitíligo, la enfermedad de Alzheimer y la acatalasemia, lo que conduce a una disminución de las actividades de catalasa.

Fuerza de la evidencia: La epidemiología genética y los datos in vitro respaldan un vínculo mecanístico entre la baja catalasa y la función deteriorada de las células beta. No se encuentran disponibles ensayos de intervención clínica que utilicen la suplementación con catalasa en la diabetes en la literatura revisada por pares.

4.8 Biología del cáncer

La catalasa frecuentemente presenta una regulación a la baja en tejidos tumorales humanos y de roedores en comparación con tejidos normales del mismo origen. La catalasa es una enzima clave en el metabolismo del H₂O₂ y de las especies reactivas de nitrógeno, y su expresión y localización se alteran marcadamente en los tumores. La CAT desempeña un papel crucial debido a eventos patológicos vinculados a su disfunción, como una mayor vulnerabilidad a la apoptosis, la estimulación tumoral, el envejecimiento regulado y la inflamación.

La investigación también ha explorado el enfoque opuesto —la inhibición de la catalasa como estrategia anticáncer. La catalasa es una enzima antioxidante importante que descompone el H₂O₂ en agua y oxígeno; la modulación de la actividad de CAT mediante inhibidores en las células cancerosas está surgiendo como una potencial estrategia anticáncer. Se demostró que un inhibidor del sitio de unión al NADPH de la catalasa induce ferroptosis en células de cáncer de próstata resistente a la castración (CRPC, por sus siglas en inglés) y reduce eficazmente los tumores de CRPC in vivo.

Fuerza de la evidencia: Solo preclínica. La relación entre la catalasa y el cáncer es compleja y bidireccional —la regulación al alza de la catalasa puede proteger a las células normales, mientras que la inhibición de la catalasa en las células tumorales puede sensibilizar a las células cancerosas a la muerte oxidativa. No hay ensayos en humanos de la catalasa como suplemento terapéutico contra el cáncer disponibles en la literatura revisada por pares.

4.9 Condiciones inflamatorias gastrointestinales

La investigación en la administración oral dirigida ha estudiado la catalasa para la enfermedad inflamatoria intestinal (EII). Varios estudios han confirmado una correlación entre los niveles elevados de peróxido de hidrógeno en pacientes con EII y los efectos negativos causados por su presencia; el objetivo de la investigación sobre la administración oral de catalasa es disminuir los niveles de H₂O₂ y su acción deletérea sobre la mucosa intestinal. Se encontró que el H₂O₂ contribuye a la disfunción motora y a la reducción de la señal intracelular de Ca²⁺ en la colitis ulcerosa (CU); los niveles de Ca²⁺ citosólico se investigaron antes y después de la adición de catalasa a células musculares circulares aisladas, con mediciones que mostraron una restauración de los niveles de Ca²⁺ inducida por la catalasa.

El H₂O₂ también se produce en la mucosa intestinal; las especies reactivas de oxígeno, incluido el H₂O₂, modulan el transporte de iones en el epitelio intestinal, contribuyendo a la diarrea asociada a la EII.

Fuerza de la evidencia: Preclínica y mecanística. No hay ensayos clínicos humanos publicados sobre la catalasa oral para desenlaces de la EII. El principal enfoque de investigación se centra en los desafíos de formulación —cómo administrar catalasa activa al intestino de forma intacta.

4.10 Metabolismo del alcohol

El hígado metaboliza el etanol a través de tres vías enzimáticas: alcohol deshidrogenasa (ADH), citocromo P450 (MEOS) y catalasa; la alcohol deshidrogenasa de clase I se considera la enzima más importante para el metabolismo del etanol, mientras que el MEOS y la catalasa se consideran vías alternativas menores. A diferencia de la ADH y el CYP2E1, la catalasa oxida el etanol sin la formación de grandes cantidades de NADH (que inhibe la oxidación de ácidos grasos) ni el agotamiento del NADPH (que induce el estrés oxidativo), lo que la convierte en una vía metabólica aparentemente inocua para la oxidación del alcohol.

Fuerza de la evidencia: El papel de la catalasa endógena en el metabolismo hepático del etanol está establecido bioquímicamente. Esta es una función fisiológica normal, no un caso de uso para la suplementación.

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5. Sistemas corporales y áreas de salud asociadas con la catalasa

• Biología celular/peroxisomal: La catalasa es una enzima tetramérica que contiene hemo, presente en organelos subcelulares (peroxisomas), la fuente primaria de producción de H₂O₂ durante las condiciones de estrés oxidativo.
• Sistema cardiovascular: La catalasa, abundante dentro del tejido cardíaco, se presenta como una defensora de primera línea contra el ataque oxidativo, protegiendo a los cardiomiocitos del daño inducido por ROS.
• Sistema endocrino/metabólico: La acumulación de peróxido de hidrógeno causa daño a las células beta del páncreas, lo que deteriora la regulación de la insulina y aumenta el riesgo de diabetes tipo 2.
• Sistema nervioso: Se postula que la deficiencia o el mal funcionamiento de la catalasa está relacionado con la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, el trastorno bipolar y la esquizofrenia.
• Sistema integumentario (piel y cabello): Los pacientes con vitíligo tienen niveles bajos de catalasa en su epidermis afectada y no afectada, en asociación con niveles elevados de H₂O₂. La disminución de la catalasa en el folículo piloso se asocia mecánicamente con el encanecimiento.
• Hepático/desintoxicación: El hígado metaboliza el etanol en parte a través de la catalasa, como una de las tres vías enzimáticas conocidas.
• Sistema gastrointestinal: Las especies reactivas de oxígeno, incluido el H₂O₂, modulan el transporte de iones en el epitelio intestinal, contribuyendo a la diarrea asociada a la EII.
• Sistema inmunológico: Los organismos vivos poseen sistemas de defensa antioxidante sofisticados contra las ROS, en los que la catalasa es uno de los componentes clave junto con la SOD y la glutatión peroxidasa.

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6. Formas de dosificación y dosis reportadas

Formas de suplemento

Los productos de suplementos de catalasa están disponibles en diversas formas, incluyendo cápsulas, líquidos y polvo. La actividad se expresa comúnmente en UI (unidades internacionales) por porción, con etiquetas de suplementos dietéticos comercialmente disponibles que referencian cantidades como 625 UI por porción, según los registros de NIH DSLD. Debido a que la catalasa no está aprobada por la FDA para ninguna condición, no existe una dosis oficial.

Dosis reportadas en investigaciones publicadas

En los estudios de suplementación en animales, las dosis generalmente se expresan en unidades de actividad por kilogramo de dieta en lugar de por peso corporal, y estas cifras no son directamente transferibles a la suplementación en humanos:

• Se ha reportado que la suplementación dietética con 2,000 mg/kg de CAT exógena (actividad de CAT en la dieta, 120 U/kg) mejora el desempeño de crecimiento y potencia las actividades enzimáticas antioxidantes en cerdos destetados.
• En un estudio con cerdas gestantes, los animales fueron alimentados con una dieta basal suplementada con 660 mg/kg de CAT con una actividad de catalasa de 280 U/g.
• En un estudio con pollos de engorde, 144 aves de un día de edad se dividieron en grupos; el grupo de tratamiento recibió una dieta con 200 U/kg de CAT añadida.

Para la pseudocatalasa tópica en el vitíligo, el tratamiento consistió en una aplicación tópica de pseudocatalasa y calcio en combinación con exposición a UVB de corto plazo, según se describe en un estudio de caso con 33 pacientes. Las cifras exactas de concentración para la formulación de crema de pseudocatalasa utilizada clínicamente (PC-KUS) no se reportan de manera estándar en los resúmenes disponibles.

No se ha establecido en ningún ensayo clínico humano revisado por pares una dosis oral eficaz validada de proteína catalasa para ningún desenlace de salud. Los fabricantes de suplementos listan dosis que van desde varios cientos hasta decenas de miles de UI por porción, pero estas no han sido validadas en ensayos controlados.

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7. Desafíos de biodisponibilidad y estabilidad

Un desafío fundamental que enfrenta el uso de la catalasa como suplemento oral es la estabilidad proteica en el tracto gastrointestinal. Durante la fabricación de productos biofarmacéuticos, las proteínas se someten a diferentes formas de estrés —como agitación, temperatura, exposición a la luz y oxidación— que pueden provocar desnaturalización proteica; adicionalmente, las condiciones fisiológicas del tracto gastrointestinal, específicamente el pH ácido y las hidrolasas digestivas del entorno gástrico, pueden afectar la estructura proteica, provocando frecuentemente desnaturalización y pérdida de actividad.

Los ensayos clínicos con enzimas antioxidantes (incluida la catalasa) han proporcionado poco beneficio terapéutico debido a la inestabilidad de estas enzimas en el tracto gastrointestinal y a la distribución no específica del fármaco y su eliminación rápida en los sitios enfermos.

No hay evidencia clara de que los suplementos orales aumenten significativamente los niveles de catalasa en los tejidos objetivo; sin embargo, se están investigando métodos de administración para proporcionar el beneficio terapéutico de una función de catalasa aumentada en ciertas enfermedades. Los desafíos en la aplicación terapéutica incluyen la estabilidad, la biodisponibilidad y la administración dirigida a los tejidos; se están explorando formulaciones y sistemas de administración avanzados para superar estos obstáculos; el uso terapéutico de la catalasa enfrenta obstáculos que incluyen una vida media corta, una mala absorción celular y problemas de administración; las innovaciones en nanotecnología, terapia génica e ingeniería de proteínas pueden ofrecer respuestas para mejorar su estabilidad, actividad y administración dirigida.

La investigación en estrategias de formulación ha mostrado cierta promesa. Cuando se comprime como una tableta libre de excipientes con una carga del 100% de catalasa, la catalasa presenta estabilidad gástrica con un 63% de actividad restante dentro de la tableta, debido a posibles asociaciones proteicas intra e intercadena que generan una capa de gel protectora externa; sin embargo, la catalasa libre en solución se degrada casi por completo bajo las mismas condiciones, lo que ilustra el papel esencial de la formulación. En una investigación que utilizó micropartículas lipídicas sólidas (SLM, por sus siglas en inglés) basadas en trimiristato de glicerilo mediante tecnología de congelación por aspersión, las espectroscopías de dicroísmo circular y de fluorescencia confirmaron que no ocurrió ningún cambio conformacional durante el proceso de producción, y que se conservaron tanto la estructura secundaria como la terciaria de la catalasa.

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8. Consideraciones de seguridad e interacciones

Perfil de seguridad general

La catalasa es una enzima endógena producida por prácticamente todos los organismos aerobios, y está presente en todo el suministro alimentario. La CAT es una enzima ampliamente extendida que se encuentra en casi todos los organismos vivos expuestos al oxígeno. Como constituyente normal de los alimentos y del propio cuerpo humano, la exposición dietética a la catalasa a través de los alimentos no presenta ninguna preocupación toxicológica conocida. La FDA permite el uso de la catalasa en el procesamiento de alimentos, particularmente por su función aprobada para eliminar el peróxido de hidrógeno residual de la leche, el queso y otros productos lácteos. La FDA permite el uso de H₂O₂ en productos como queso, leche, huevos y suero de leche, pero estipula que el H₂O₂ residual debe eliminarse del producto; aunque la FDA no define un método específico para su eliminación, muchas regulaciones que abordan productos específicos sugieren el uso de catalasa.

Inhibidores de la actividad de la catalasa

Varios agentes farmacológicos y químicos pueden inhibir la actividad de la catalasa, lo cual es relevante tanto para las interacciones farmacológicas como para la investigación:

• 3-amino-1,2,4-triazol (3-AT): Un inhibidor competitivo de la catalasa bien caracterizado, utilizado extensamente en investigación. El inhibidor de catalasa 3-AT inhibió por completo la estimulación de la oxidación del etanol mediada por la catalasa en entornos experimentales.
• Cianuro: En la década de 1920, Warburg y sus colegas demostraron, utilizando el cianuro como inhibidor enzimático, que el sitio activo de la catalasa contiene un átomo de hierro. El cianuro se une al hierro del hemo y bloquea la actividad catalítica.
• Azida: La inhibición de la oxidación microsomal del etanol por formiato, azida y sistemas que utilizan H₂O₂ es consistente con un proceso peroxidático que involucra a la catalasa. La azida es otro inhibidor de la catalasa dirigido al hemo.

Alteraciones relacionadas con enfermedades

La catalasa misma puede ser blanco del estrés oxidativo dañino, lo que provoca una disminución de la actividad enzimática y la acumulación de peróxido de hidrógeno. Esto crea un ciclo autorreforzante en condiciones de estrés oxidativo: el H₂O₂ elevado inactiva a la catalasa, elevando aún más los niveles de H₂O₂.

Nota de seguridad sobre la pseudocatalasa (PC-KUS)

La preparación de pseudocatalasa utilizada en la investigación sobre el vitíligo es un complejo que contiene manganeso, no la proteína nativa. Las consideraciones de seguridad relevantes para la enzima nativa no se trasladan automáticamente a este mimético sintético. El contenido de manganeso de la crema de pseudocatalasa conlleva consideraciones específicas —la acumulación de manganeso podría potencialmente conducir a complicaciones si se usa crónicamente o sin supervisión, y los pacientes que la utilicen deben ser evaluados y supervisados adecuadamente bajo directrices clínicas.

Ausencia de evidencia sobre los riesgos de los suplementos orales

Debido a que no se han realizado ensayos controlados en humanos con la suplementación oral de catalasa, no se encuentran disponibles en la literatura revisada por pares datos formales de farmacovigilancia sobre efectos adversos, contraindicaciones o interacciones farmacológicas específicas de la catalasa suplementaria. La base de datos NIH DSLD cataloga a la catalasa bajo las categorías estándar de suplementos dietéticos para enzimas, pero no se han caracterizado formalmente efectos adversos para la catalasa oral suplementaria en humanos.

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9. Aplicaciones industriales y no relacionadas con suplementos

Como contexto, la catalasa tiene aplicaciones bien documentadas y reguladas en la industria que respaldan aún más su identidad:

• La catalasa se utiliza en la industria alimentaria para eliminar el peróxido de hidrógeno de la leche antes de la producción de queso, y en envolturas de alimentos, donde evita que los alimentos se oxiden.
• La catalasa también se utiliza en la industria textil para eliminar el peróxido de hidrógeno de los tejidos; un uso menor es en la higiene de lentes de contacto, donde algunos productos de limpieza de lentes desinfectan las lentes usando una solución de peróxido de hidrógeno, y luego se utiliza una solución de catalasa para descomponer el peróxido de hidrógeno antes de la inserción de la lente.
• Las catalasas comerciales también se utilizan para descomponer el peróxido de hidrógeno en las aguas residuales.

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10. Resumen de la calidad de la evidencia

La catalasa se encuentra entre las enzimas más extensamente estudiadas en bioquímica. Sus funciones biológicas endógenas —particularmente la rápida descomposición del peróxido de hidrógeno citotóxico— están definitivamente establecidas en todos los dominios de la vida. Su asociación con enfermedades relacionadas con el estrés oxidativo está sólidamente respaldada por la epidemiología genética, los estudios observacionales y la investigación mecanística. Sin embargo, el uso de la catalasa administrada por vía oral como suplemento dietético sigue sin validación científica:

• Ningún ECA humano revisado por pares ha demostrado que la suplementación oral con catalasa aumente la actividad de catalasa en los tejidos humanos.
• Ningún ECA humano revisado por pares ha demostrado un beneficio clínico (para ninguna condición) atribuible a la suplementación oral con catalasa.
• Los principales obstáculos técnicos —la degradación gastrointestinal, la baja biodisponibilidad y la falta de administración dirigida a los tejidos— son reconocidos por los investigadores que desarrollan nuevas estrategias de formulación, y aún no se han superado en los productos disponibles para los consumidores.
• Al igual que con los suplementos de catalasa sola, la evidencia que respalda el uso de esta enzima en combinación con cualquier otra sustancia es completamente inexistente.

La investigación sobre nuevos sistemas de administración (nanopartículas, micropartículas lipídicas sólidas, matrices poliméricas sensibles al pH y terapia génica) representa la frontera más activa para el potencial traslacional de la catalasa.

Referencias

• NIH Office of Dietary Supplements – Dietary Supplement Label Database: Catalase
• Nandi A, et al. (2019). Role of Catalase in Oxidative Stress- and Age-Associated Degenerative Diseases. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. PMC6885225
• Therapeutic potentials of catalase: Mechanisms, applications, and future perspectives. PMC10915913
• Effect of Maternal Catalase Supplementation on Reproductive Performance, Antioxidant Activity and Mineral Transport in Sows and Piglets. PMC8996845
• Dietary Catalase Supplementation Alleviates Deoxynivalenol-Induced Oxidative Stress and Gut Microbiota Dysbiosis in Broiler Chickens. PMC9784562
• Design of Catalase Monolithic Tablets for Intestinal Targeted Delivery. PMC7825700
• Solid Lipid Microparticles for Oral Delivery of Catalase: Focus on the Protein Structural Integrity and Gastric Protection. PMC8009523
• The effect of pseudocatalase/superoxide dismutase in the treatment of vitiligo: A pilot study. PMC4076862
• In Vitro Assembly of Catalase. PMC4192493
• Monofunctional Heme-Catalases. PMC9687031
• Non-heme Manganese Catalase – the 'Other' Catalase. PMC3328634
• Evolution of Catalases from Bacteria to Humans. PMC2959186
• Plant Catalase in Silico Characterization and Phylogenetic Analysis with Structural Modeling. PMC9391562
• Ethanol Metabolism in the Liver, the Induction of Oxidant Stress, and the Antioxidant Defense System. PMC9312216
• Alcohol, Oxidative Stress, and Free Radical Damage. PMC6668865
• A Catalase Inhibitor: Targeting the NADPH-Binding Site for Castration-Resistant Prostate Cancer Therapy. PMC10213376
• Catalase enzyme mutations and their association with diseases. PubMed 15771551
• Successful treatment of oxidative stress in vitiligo (Schallreuter et al.). PubMed 10393521
• MedlinePlus Genetics: Acatalasemia
• ScienceDirect Topics: Catalase Deficiency
• ScienceDirect Topics: Catalase — Overview
• Typical Catalases: Function and Structure. IntechOpen
• Catalase, a remarkable enzyme: targeting the oldest antioxidant enzyme to find a new cancer treatment approach. De Gruyter
• Understanding the structure and function of catalases: clues from molecular evolution and in vitro mutagenesis. ScienceDirect
• EBSCO Research Starters: Catalase
• Wikipedia: Catalase
• StatPearls: Biochemistry, Heme Synthesis. NCBI Bookshelf NBK537329