Катехолоксидаза
| Катехолоксидаза | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 1.10.3.1 | ||
| Номер CAS. | 9002-10-2 | ||
| Базы данных | |||
| ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
| БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
| Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
| КЕГГ | КЕГГ запись | ||
| МетаЦик | метаболический путь | ||
| ПРЯМОЙ | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
| |||
Катехолоксидаза представляет собой меди оксидазу , которая содержит димедный кофактор и катализирует окисление ортодифенолов 3 типа в ортохиноны в сочетании с восстановлением молекулярного кислорода до воды. Он присутствует во многих видах растений и грибов, включая Ipomoea batatas ( сладкий картофель ). [ 1 ] и Camellia sinensis (лист индийского чая). [ 2 ] Металлоферменты с медными центрами 3 типа характеризуются способностью обратимо связывать дикислород в условиях окружающей среды. [ 3 ] У растений катехолоксидаза играет ключевую роль в ферментативном потемнении , катализируя окисление катехола в о-хинон в присутствии кислорода, который может быстро полимеризоваться с образованием меланина , который придает поврежденным плодам темно-коричневую окраску.
Биологическая функция
[ редактировать ]
Полифенолоксидазы представляют собой семейство димедных металлоферментов, которые включают тирозиназу и катехолоксидазу. [ 4 ] В растениях оба фермента могут катализировать окисление субстратов орто-дифенолов в соответствующие орто-хиноны. Ключевое различие между двумя родственными ферментами заключается в том, что тирозиназа может катализировать гидроксилирование монофенолов в дифенолы (активность монофенолазы), а также окисление о-дифенола в о-хинон (активность дифенолазы), тогда как катехолоксидаза обладает только дифенолазной активностью. [ 5 ]
При повреждении растительной ткани хлоропласт может разорваться и высвободить катехолоксидазу в цитоплазму растения, а вакуоли также могут разорваться, высвободив накопленный катехол в цитоплазму. Повреждение тканей также позволяет кислороду проникать в клетку. Таким образом, повреждение тканей облегчает взаимодействие катехолоксидазы с ее субстратом с образованием о-бензохинона, который может полимеризоваться неферментативно с образованием меланинов, образующих нерастворимый барьер для защиты ран. [ 6 ]
Протеолитическая обработка
[ редактировать ]Катехолоксидаза кодируется в ядре, и ее N-концевой конец содержит сигнальный пептид , который направляет белок в просвет тилакоида хлоропласта , где он может быть либо растворимым, либо слабо связанным с мембраной тилакоида. [ 7 ] Первоначально транскрибируемый как профермент , предшественник катехолоксидазы подвергается двум раундам протеолитического процессинга и транспорта, прежде чем он попадет в просвет тилакоида.
Используя [ 35 S] меченный метионином белок-предшественник, Sommer et al. выяснили путь протеолитического процессинга, общий для множества растений, включая горох ( Pisum sativum ), томат ( Lycopersicon esculentum ) и кукурузу ( Zea mays ). [ 8 ] Предшественник массой 67 кДа был импортирован в строму АТФ - зависимым способом, при котором стромальная пептидаза превращает предшественник в промежуточное соединение массой 62 кДа. Транслокация этого интермедиата в просвет тилакоида была светозависимой и приводила к образованию зрелого фермента массой 59 кДа. [ 9 ] На основании анализа предшественника и зрелой катехолоксидазы, очищенной из Ipomoea batatas , протеолитический процессинг удаляет как N-концевой транзитный пептид, так и C-концевой домен, который покрывает активный сайт фермента. [ 10 ]
Структура фермента
[ редактировать ]
Кристаллическая структура катехолоксидазы, очищенной из Ipomoea batatas, решена в ее активной форме как в окисленном состоянии Cu(II)-Cu(II), так и в восстановленном состоянии Cu(I)-Cu(I). [ 11 ] Это глобулярный однодоменный мономерный фермент размером примерно 55 на 45 на 45 Å и эллипсоидной формы. Пучок из четырех α-спиралей включает ядро фермента, которое окружает активный центр, содержащий димедный центр. [ 12 ] Азоты на боковых цепях имидазола His 88, His109 и His118 координируются с первым каталитическим ионом меди, тогда как атомы азота на боковых цепях имидазола на His240, His244 и His274 координируются со вторым каталитическим ионом меди. В окисленном состоянии Cu(II)-Cu(II) каждый ион меди имеет четырехкоординатную тригональную пирамидальную геометрию, при этом три остатка гистидина и мостиковая молекула гидроксида образуют четыре лиганда на каждом ионе меди. При сравнении восстановленного состояния (Cu(I)-Cu(I)) с нативным состоянием (Cu(II)-Cu(II)) фермента ключевым различием является расстояние между двумя центрами меди. В окисленном состоянии Cu(II)-Cu(II) расстояние Cu-Cu составляет 3,3 Å, тогда как в восстановленном состоянии Cu(I)-Cu(I) расстояние увеличивается до 4,4 Å. [ 1 ]
Хотя активный центр как тирозиназы, так и катехолоксидазы содержит димедный центр, изменения в соответствующей структуре каждого фермента приводят к различной активности. В катехолоксидазе боковая цепь фенилаланина (Phe261) находится над одним из медных центров и препятствует координации субстрата с обоими ионами меди в активном центре. Это исключает образование бидентатного координационного комплекса, необходимого для дифенолят-гидроксилирования, характерного для тирозиназы, но отсутствующего в катехолоксидазе. [ 13 ] Кроме того, His109, связанный с одним из медных центров, также ковалентно связан с Cys192 через тиоэфирный мостик. [ 14 ] Это перекрестное связывание цистеина и гистидина может дополнительно удерживать активный центр фермента от предположения, что бидентатный координационный комплекс легко образуется в тирозиназе.
Каталитический цикл и механизм
[ редактировать ]
Хотя кристаллическая структура катехолоксидазы выяснена, остаются вопросы относительно точного механизма реакции. Один механизм, предложенный Eicken et al. основан на кристаллической структуре катехолоксидазы, очищенной из Ipomoea batatas . [ 11 ] Каталитический цикл начинается с катехолоксидазы в ее естественном окисленном состоянии Cu(II)-Cu(II) с координированным гидроксид-ионом, соединяющим два медных центра. Когда катехол попадает в активный центр , от одного из спиртов отрывается протон. Катехол координируется с центром Cu(II) монодентатно, замещая один из координирующих остатков гистидина. Координированный ион гидроксида отрывает другой протон от катехола с образованием воды, и катехол окисляется до о-хинона. Два образующихся электрона восстанавливают оба медных центра до состояния Cu(I)-Cu(I). Затем дикислород связывает один медный центр, вытесняя координированную молекулу воды, а другая молекула катехина связывается с другим медным центром, вытесняя другой остаток гистидина. При этом образуется комплекс, в котором один медный центр имеет тетрагональную плоскую координацию с His240, His244 и молекулой дикислорода. Другой медный центр сохраняет свою первоначальную тетрагональную пирамидальную геометрию с дикислородом, His88 и His118 в экваториальных положениях и His109 в аксиальном положении. [ 3 ] В этом состоянии активный центр фермента находится в тройной катехолоксидазе – O 2 2− –катехиновый комплекс. Два электрона передаются от подложки к дикислороду с последующим разрывом связи О–О. Высвобождается вода, и вместе с восстановлением исходного состояния Cu(II)-Cu(II) образуется второй о-хиноновый продукт для завершения каталитического цикла. [ 15 ]
Этот предложенный каталитический цикл подтверждается экспериментальным наблюдением, что стехиометрические количества о-хинона образуются после добавления катехина к ферменту, даже когда дикислород отсутствует. [ 15 ] Кроме того, как окисленное состояние Cu(II)-Cu(II), так и восстановленное состояние Cu(I)-Cu(I) были двумя состояниями, идентифицированными по кристаллической структуре Ipomoea batatas . Монодентатное связывание катехола с медным центром подтверждается кристаллической структурой катехолоксидазы, связанной с ингибитором связанного субстрата-аналога фенилтиомочевиной , которая также связывается с медным центром монодентатным образом. [ 11 ] Однако одна из проблем этого каталитического цикла заключается в том, что заряд активного центра изменяется во время каталитического цикла с +1 на +3. Это требует наличия близлежащих баз, способных хранить протоны; однако рентгеновская кристаллическая структура не указывает на присутствие каких-либо таких оснований, поскольку остатки гистидина координированы с медными центрами. [ 16 ] Были предложены другие каталитические циклы, объясненные с помощью расчетов DFT и кристаллических структур, которые поддерживают один и тот же заряд в активном центре на протяжении всего цикла и, следовательно, не требуют близлежащих оснований. [ 15 ] [ 16 ] Однако некоторые промежуточные соединения в предлагаемом цикле не согласуются с экспериментальными данными, например, о том, что стехиометрические количества о-хинона могут образовываться после добавления катехола в отсутствие кислорода. [ 16 ]
Экономическая и промышленная значимость
[ редактировать ]Окисление фенольных субстратов до соответствующих хинонов является основной причиной потемнения фруктов и овощей во время созревания, обращения и обработки. [ 17 ] Ферментативное потемнение влияет на питательные качества и внешний вид фруктов и продуктов. По оценкам, более половины потерь фруктов происходит в результате ферментативного потемнения, и тропические продукты особенно уязвимы к этой реакции. [ 6 ] Потеря питательных веществ может происходить из-за взаимодействия хинонов, образующихся при окислении дифенолов, с боковыми цепями незаменимых аминокислот, полученных из растительных белков. В частности, тиоловые и аминные функциональные группы на боковых цепях аминокислот очень чувствительны к хиноновому связыванию и алкилированию. [ 18 ] Ключевая роль катехолоксидазы в ферментативном потемнении делает ее частой мишенью для ингибирования. Хотя существует ряд стратегий ингибирования, таких как высокотемпературная обработка (70–90 ° C) для устранения каталитической активности катехолоксидазы, [ 6 ] Популярная стратегия – снижение pH с помощью лимонной кислоты . Катехолоксидаза более каталитически активна в диапазоне рН 4-8 за счет координации остатков гистидина с каталитическими медными центрами. Использование кислот, таких как лимонная кислота, для снижения pH ниже этого оптимального диапазона уменьшает связывание фермента с медью в его активном центре, поскольку протонирование остатков гистидина препятствует их способности координировать свои действия с медными центрами. [ 19 ]
Искусственные ферменты
[ редактировать ]Новые подходы к созданию искусственных ферментов на основе аминокислот или пептидов в качестве характерных молекулярных фрагментов привели к значительному расширению области искусственных ферментов или имитаторов ферментов. Недавние результаты группы Роба Лискэмпа показали, что каркасные остатки гистидина могут использоваться в качестве имитаторов некоторых металлопротеинов и -ферментов. Была показана структурная мимикрия некоторых медных белков (например, гемоцианина , тирозиназы и катехолоксидазы), содержащих сайты связывания меди типа 3. Это значительное улучшение, поскольку использование каркасных остатков гистидина является еще одним шагом ближе к имитации ферментов биологически значимыми видами. [ 20 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Гердеманн С., Эйкен С., Кребс Б. (март 2002 г.). «Кристаллическая структура катехолоксидазы: новый взгляд на функцию медных белков типа 3». Отчеты о химических исследованиях . 35 (3): 183–91. дои : 10.1021/ar990019a . ПМИД 11900522 .
- ^ Хальдер Дж., Тамули П., Бхадури А. (1998). «Выделение и характеристика полифенолоксидазы из листа индийского чая (Camellia sinensis)». Журнал пищевой биохимии . 9 (2): 75–80. дои : 10.1016/s0955-2863(97)00170-8 .
- ^ Jump up to: а б Коваль И.А., Гамес П., Белль С., Сельмечи К., Ридейк Дж. (сентябрь 2006 г.). «Синтетические модели активного центра катехолоксидазы: механистические исследования». Обзоры химического общества . 35 (9): 814–40. дои : 10.1039/b516250p . ПМИД 16936929 .
- ^ Дей СК, Мукерджи А (2016). «Катехиноксидаза и феноксазинонсинтаза: биомиметические функциональные модели и механистические исследования». Обзоры координационной химии . 310 : 80–115. дои : 10.1016/j.ccr.2015.11.002 .
- ^ Гердеманн С., Эйкен С., Магрини А., Мейер Х.Э., Ромпель А., Спенер Ф., Кребс Б. (июль 2001 г.). «Изозимы катехолоксидазы Ipomoea batatas отличаются каталазоподобной активностью». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология . 1548 (1): 94–105. дои : 10.1016/s0167-4838(01)00219-9 . ПМИД 11451442 .
- ^ Jump up to: а б с Кейруш С., Лопес М.Л., Фиальо Э., Валенте-Мескита В.Л. (2008). «Полифенолоксидаза: характеристики и механизмы контроля потемнения». Food Reviews International . 24 (4): 361–375. дои : 10.1080/87559120802089332 .
- ^ Марусек К.М., Тробо Н.М., Флерки В.Х., Инлоу Дж.К. (январь 2006 г.). «Сравнительный анализ полифенолоксидазы растений и грибов». Журнал неорганической биохимии . 100 (1): 108–23. дои : 10.1016/j.jinorgbio.2005.10.008 . ПМИД 16332393 .
- ^ Соммер А., Нееман Э., Стеффенс Дж.К., Майер А.М., Харел Э. (август 1994 г.). «Импорт, нацеливание и переработка растительной полифенолоксидазы» . Физиология растений . 105 (4): 1301–11. дои : 10.1104/стр.105.4.1301 . ПМК 159463 . ПМИД 7972497 .
- ^ Майер А.М. (ноябрь 2006 г.). «Полифенолоксидазы в растениях и грибах: куда пойти? Обзор». Фитохимия . 67 (21): 2318–31. doi : 10.1016/j.phytochem.2006.08.006 . ПМИД 16973188 .
- ^ Фларки В.Х., Инлоу Дж.К. (декабрь 2008 г.). «Протеолитическая обработка полифенолоксидазы растений и грибов». Журнал неорганической биохимии . 102 (12): 2160–70. дои : 10.1016/j.jinorgbio.2008.08.007 . ПМИД 18829115 .
- ^ Jump up to: а б с Эйкен С., Кребс Б., Саккеттини Дж. К. (декабрь 1999 г.). «Катехиноксидаза – строение и активность» . Современное мнение в области структурной биологии . 9 (6): 677–83. дои : 10.1016/s0959-440x(99)00029-9 . ПМИД 10607672 .
- ^ Клабунде Т., Эйкен С., Саккеттини Дж. К., Кребс Б. (декабрь 1998 г.). «Кристаллическая структура растительной катехолоксидазы, содержащей димедный центр». Структурная биология природы . 5 (12): 1084–90. дои : 10.1038/4193 . ПМИД 9846879 .
- ^ Лукас Х.Р., Карлин К.Д. (2009). «Глава 9: Медно-углеродные связи при механистическом и структурном исследовании белков, а также в ситуациях, когда медь является каталитическим или рецепторным участком». В Sigel A, Sigel H, Sigel RK (ред.). Металл-углеродные связи в ферментах и кофакторах . Кембридж, Великобритания: Издательство RSC. п. 304. ИСБН 978-1-84755-915-9 .
- ^ Вирадор В.М., Рейес Грахеда Дж.П., Бланко-Лабра А., Мендиола-Олайя Е., Смит Г.М., Морено А., Уитакер-младший (январь 2010 г.). «Клонирование, секвенирование, очистка и кристаллическая структура полифенолоксидазы Гренаша (Vitis vinifera)». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 58 (2): 1189–201. дои : 10.1021/jf902939q . ПМИД 20039636 .
- ^ Jump up to: а б с Siegbahn PE (июль 2004 г.). «Каталитический цикл катехолоксидазы». Журнал биологической неорганической химии . 9 (5): 577–90. дои : 10.1007/s00775-004-0551-2 . ПМИД 15185133 .
- ^ Jump up to: а б с Гуэль М., Siegbahn PE (ноябрь 2007 г.). «Теоретическое исследование каталитического механизма катехолоксидазы». Журнал биологической неорганической химии . 12 (8): 1251–64. дои : 10.1007/s00775-007-0293-z . ПМИД 17891425 .
- ^ Мартинес М., Уитакер-младший (июнь 1995 г.). «Биохимия и контроль ферментативного потемнения». Тенденции в пищевой науке и технологиях . 6 (6): 195–200. дои : 10.1016/S0924-2244(00)89054-8 .
- ^ Матезис Дж., Уитакер-младший (сентябрь 1984 г.). «Модификация белков полифенолоксидазой и пероксидазой и их продуктами». Журнал пищевой биохимии . 8 (3): 137–162. дои : 10.1111/j.1745-4514.1984.tb00322.x .
- ^ Йорук Р., Маршалл М.Р. (ноябрь 2003 г.). «Физико-химические свойства и функции растительной полифенолоксидазы: обзор». Журнал пищевой биохимии . 27 (5): 361–422. дои : 10.1111/j.1745-4514.2003.tb00289.x .
- ^ Альбада Х.Б., Сулимани Ф., Векхейсен Б.М. , Лискамп Р.М. (декабрь 2007 г.). «Каркасные аминокислоты как близкий структурный имитатор мест связывания меди типа 3». Химические коммуникации (46): 4895–7. дои : 10.1039/B709400K . ПМИД 18361361 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Катехол + Оксидаза в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
