Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Катехолоксидаза
Идентификаторы
ЕС нет.1.10.3.1
№ CAS9002-10-2
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
BRENDABRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

Катехол оксидаза является медь - оксидазой , который содержит тип 3 ди-медный кофактор и катализирует окисление орто- дифенолов во орто- хиноны в сочетании с уменьшением молекулярного кислорода в воду. Он присутствует во множестве видов растений и грибов, включая Ipomoea batatas ( сладкий картофель ) [1] и Camellia sinensis (индийский чайный лист). [2] Металлоферменты с медными центрами типа 3 характеризуются своей способностью обратимо связывать дикислород в условиях окружающей среды. [3]У растений катехолоксидаза играет ключевую роль в ферментативном потемнении , катализируя окисление катехола до о-хинона в присутствии кислорода, который может быстро полимеризоваться с образованием меланина, который придает поврежденным фруктам темно-коричневый цвет.

Биологическая функция [ править ]

Общая реакция, катализируемая катехолоксидазой: образование двух о-хинонов и 2 молекул воды из двух молекул катехола и одной молекулы двуокиси кислорода.

Полифенолоксидазы представляют собой семейство диметаллоферментов меди, которые включают тирозиназу и катехолоксидазу. [4] В растениях оба фермента могут катализировать окисление субстратов орто-дифенолов до соответствующих им орто-хинонов. Ключевое различие между двумя родственными ферментами заключается в том, что тирозиназа может катализировать гидроксилирование монофенолов до дифенолов (активность монофенолазы), а также окисление о-дифенола до о-хинона (активность дифенолазы), тогда как катехолоксидаза обладает только дифенолазной активностью. [5]

Когда ткань растения повреждена, хлоропласт может разорваться и высвободить катехолоксидазу в цитоплазму растения, а вакуоли также могут разорваться, высвобождая накопленный катехол в цитоплазму. Повреждение ткани также позволяет кислороду проникать в клетку. Таким образом, повреждение ткани облегчает взаимодействие катехолоксидазы с ее субстратом с образованием о-бензохинона, который может неферментативно полимеризоваться с образованием меланинов, которые образуют нерастворимый барьер для защиты ран. [6]

Протеолитическая обработка [ править ]

Катехолоксидаза кодируется ядром, и ее N-конец содержит сигнальный пептид, который направляет белок в просвет тилакоида хлоропласта , где он может быть либо растворимым, либо слабо связанным с тилакоидной мембраной. [7] Первоначально транскрибируемый как профермент , предшественник катехолоксидазы проходит два цикла протеолитического процессинга и транспорта, прежде чем попадет в просвет тилакоида.

Используя [ 35 S] -метионин-меченный белок-предшественник, Sommer et al. выяснил путь протеолитического процессинга, общий для различных растений, включая горох ( Pisum sativum ), томат ( Lycopersicon esculentum ) и кукурузу ( Zea mays ). [8] 67 кД предшественник импортирован в строму в качестве АТФ -зависимого способа , где стромальные пептидазы обрабатывают предшественник в 62 кД - промежуточное соединение. Транслокация этого промежуточного продукта в просвет тилакоида зависела от света и приводила к образованию зрелого фермента 59 кДа. [9] На основании анализа предшественника и зрелой катехолоксидазы, очищенной отIpomoea batatas , протеолитический процессинг удаляет как N-концевой транзитный пептид, так и C-концевой домен, который покрывает активный сайт фермента. [10]

Структура фермента [ править ]

Восстановленный (Cu (I) -Cu (I)) и нативный (Cu (II) -Cu (II)) катехолоксидазный ди-медный активный центр из кристаллической структуры Ipomoea batata (PDB: 1BT1, 1BT2).

Кристаллическая структура катехола - оксидаза , очищенной от Ipomoea batatas была решена в его активной форме , как в окисленной меди (II) -Cu (II) состояние , и восстановленный Cu (I) -ч (I) состояние. [11] Это глобулярный однодоменный мономерный фермент размером примерно 55 на 45 на 45 Å и эллипсоидной формой. Пучок из четырех α-спиралей включает ядро ​​фермента, которое опоясывает активный сайт, содержащий центр дикоппера. [12] Азот в имидазольных боковых цепях His88, His109 и His118 координируются с первым каталитическим ионом меди, в то время как атомы азота в боковых цепях имидазола на His240, His244 и His274 координируются со вторым каталитическим ионом меди. В окисленном состоянии Cu (II) -Cu (II) каждый ион меди обладает четырехкоординатной тригональной пирамидальной геометрией, при этом три остатка гистидина и мостиковая молекула гидроксида образуют четыре лиганда на каждом ионе меди. Сравнивая восстановленное (Cu (I) -Cu (I)) состояние с нативным (Cu (II) -Cu (II)) состоянием фермента, ключевым различием является расстояние между двумя центрами меди. В окисленном состоянии Cu (II) -Cu (II) расстояние Cu-Cu составляет 3,3 Å, в то время как в восстановленном состоянии Cu (I) -Cu (I) расстояние увеличивается до 4,4 Å. [1]

В то время как активный центр как тирозиназы, так и катехолоксидазы содержит димедный центр, вариации в соответствующей структуре каждого фермента приводят к разной активности. В катехолоксидазе боковая цепь фенилаланина (Phe261) находится выше одного из медных центров и препятствует координации субстрата с обоими ионами меди в активном центре. Это исключает бидентатный координационный комплекс, необходимый для гидроксилирования дифенолятов, характерный для тирозиназы, но отсутствующий у катехолоксидазы. [13] Кроме того, His109, связанный с одним из центров меди, также ковалентно связан с Cys192 через тиоэфирный мостик. [14] Это сшивание цистеин-гистидин может дополнительно препятствовать активному центру фермента предполагать, что бидентатный координационный комплекс легко образуется в тирозиназе.

Каталитический цикл и механизм [ править ]

Предлагаемый каталитический цикл очистки катехолоксидазы от Ipomoea batata .

Хотя кристаллическая структура катехолоксидазы была решена, вопросы, касающиеся точного механизма реакции, остаются. Один механизм, предложенный Eicken et al. основан на кристаллической структуре катехолоксидазы, очищенной от Ipomoea batatas . [11] каталитический цикл начинается с катехол - оксидазы в своей нативной окисленной меди (II) -Cu (II) состояние с согласованной гидроксид - иона мостиковой двух медных центров. Когда катехол попадает в активный сайт, протон отрывается от одного из спиртов. Катехол координируется с центром Cu (II) монодентатным образом, замещая один из координирующих остатков гистидина. Координированный гидроксид-ион отрывает другой протон от катехола с образованием воды, и катехол окисляется до о-хинона. Два образовавшихся электрона восстанавливают оба медных центра до состояния Cu (I) -Cu (I). Затем дикислород связывает один медный центр, вытесняя координированную молекулу воды, а другая молекула катехола связывается с другим медным центром, вытесняя другой остаток гистидина. Это образует 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 кислородом, His88 и His118 в экваториальных положениях,и His109 в аксиальном положении.[3] В этом состоянии активный центр фермента находится втройном комплексекатехолоксидаза – O 2 2– –катехол. Два электрона передаются от подложки к кислороду с последующим разрывом связи O – O. Вода выделяется, и второй продукт о-хинона образуется вместе с восстановлением исходного состояния Cu (II) -Cu (II) для завершения каталитического цикла. [15]

Этот предложенный каталитический цикл подтверждается экспериментальным наблюдением, что стехиометрические количества о-хинона образуются после добавления катехола 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 кристаллической структурой Ipomoea batatas . Монодентатное связывание катехола с медным центром подтверждается кристаллической структурой катехолоксидазы, связанной с ингибитором связанного субстрата-аналогом фенилтиомочевиной , который также связывается с медным центром монодентатным образом. [11]Однако одна проблема с этим каталитическим циклом заключается в том, что заряд активного центра изменяется во время каталитического цикла с +1 до +3. Это требует наличия близлежащих оснований, которые могут накапливать протоны; однако рентгеновская кристаллическая структура не указывает на присутствие каких-либо таких оснований, поскольку остатки гистидина скоординированы с центрами меди. [16] Были предложены другие каталитические циклы, выясненные с помощью расчетов методом DFT, и кристаллические структуры, которые поддерживают одинаковый заряд в активном центре на протяжении всего цикла и, таким образом, не требуют соседних оснований. [15] [16]Однако некоторые промежуточные соединения в предложенном цикле не согласуются с экспериментальными данными, такими как то, что стехиометрические количества о-хинона могут образовываться после добавления катехола в отсутствие кислорода. [16]

Экономическая и промышленная значимость [ править ]

Окисление фенольных субстратов до соответствующих им хинонов является основной причиной потемнения фруктов и овощей во время созревания, обращения и обработки. [17] Ферментативное потемнение влияет на питательные свойства и внешний вид фруктов и продуктов. По оценкам, более половины потерь фруктов происходит в результате ферментативного потемнения, и тропические продукты особенно уязвимы для 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, тиол и аминфункциональные группы на боковых цепях аминокислот очень чувствительны к связыванию и алкилированию хинона. [18] Ключевая роль катехолоксидазы в ферментативном потемнении делает ее общей мишенью для ингибирования. Хотя существует ряд ингибирующих стратегий, таких как высокотемпературная обработка (70-90 ° C) для устранения каталитической активности катехолоксидазы [6], популярной стратегией является снижение pH с помощью лимонной кислоты.. Катехолоксидаза более каталитически активна в диапазоне pH 4-8 из-за координации остатков гистидина с каталитическими центрами меди. Использование кислот, таких как лимонная кислота, для снижения pH ниже этого оптимального диапазона снижает связывание фермента с медью в его активном центре, поскольку протонирование остатков гистидина мешает их способности координироваться с центрами меди. [19]

Искусственные ферменты [ править ]

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. Структурная мимикрия некоторых белков меди (например, гемоцианина , тирозиназы).и катехолоксидаза), содержащие сайты связывания меди 3-го типа. Это значительное улучшение, поскольку использование каркасных остатков гистидина на один шаг ближе к имитации ферментов биологически релевантными видами. [20]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Гердеманн C, Эйкен C, Кребс B (март 2002 г.). «Кристаллическая структура катехолоксидазы: новое понимание функции белков меди типа 3». Счета химических исследований . 35 (3): 183–91. DOI : 10.1021 / ar990019a . PMID  11900522 .
  2. ^ Гальдер Дж, Tamuli Р, Бхадури А (1998). «Выделение и характеристика полифенолоксидазы из индийского чайного листа (Camellia sinensis)». Журнал пищевой биохимии . 9 (2): 75–80. DOI : 10.1016 / s0955-2863 (97) 00170-8 .
  3. ^ a b Коваль И.А., Гамез П., Белль С., Селмеци К., Ридейк Дж. (сентябрь 2006 г.). «Синтетические модели активного центра катехолоксидазы: механистические исследования». Обзоры химического общества . 35 (9): 814–40. DOI : 10.1039 / b516250p . PMID 16936929 . 
  4. Перейти ↑ Dey SK, Mukherjee A (2016). «Катехолоксидаза и феноксазинон-синтаза: биомиметические функциональные модели и механистические исследования». Обзоры координационной химии . 310 : 80–115. DOI : 10.1016 / j.ccr.2015.11.002 .
  5. ^ Gerdemann С, Eicken С, Магрините А, Мейер ОН, Ромпель А, Шпенер Р, Кребс В (июль 2001 г.). «Изоферменты катехолоксидазы Ipomoea batatas различаются по активности, подобной каталазе». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология . 1548 (1): 94–105. DOI : 10.1016 / s0167-4838 (01) 00219-9 . PMID 11451442 . 
  6. ^ a b c Queiroz C, Lopes ML, Fialho E, Valente-Mesquita VL (2008). «Полифенолоксидаза: характеристики и механизмы борьбы с потемнением». Food Reviews International . 24 (4): 361–375. DOI : 10.1080 / 87559120802089332 .
  7. ^ Marusek CM, Trobaugh Н.М., Flurkey WH, Inlow JK (январь 2006). «Сравнительный анализ полифенолоксидазы из растений и грибов». Журнал неорганической биохимии . 100 (1): 108–23. DOI : 10.1016 / j.jinorgbio.2005.10.008 . PMID 16332393 . 
  8. ↑ Sommer A, Ne'eman E, Steffens JC, Mayer AM, Harel E (август 1994). «Импорт, нацеливание и переработка растительной полифенолоксидазы» . Физиология растений . 105 (4): 1301–11. DOI : 10.1104 / pp.105.4.1301 . PMC 159463 . PMID 7972497 .  
  9. ↑ Mayer AM (ноябрь 2006 г.). «Полифенолоксидазы в растениях и грибах: куда пойти? Обзор». Фитохимия . 67 (21): 2318–31. DOI : 10.1016 / j.phytochem.2006.08.006 . PMID 16973188 . 
  10. ^ Flurkey WH, Inlow JK (декабрь 2008). «Протеолитический процессинг полифенолоксидазы растений и грибов». Журнал неорганической биохимии . 102 (12): 2160–70. DOI : 10.1016 / j.jinorgbio.2008.08.007 . PMID 18829115 . 
  11. ^ a b c Eicken C, Krebs B, Sacchettini JC (декабрь 1999 г.). «Катехолоксидаза - структура и активность» . Текущее мнение в структурной биологии . 9 (6): 677–83. DOI : 10.1016 / s0959-440x (99) 00029-9 . PMID 10607672 . 
  12. ^ Klabunde Т, Eicken С, Sacchettini JC, Кребс В (декабрь 1998 г.). «Кристаллическая структура растительной катехолоксидазы, содержащей центр дикоппера». Структурная биология природы . 5 (12): 1084–90. DOI : 10,1038 / 4193 . PMID 9846879 . 
  13. Перейти ↑ Lucas HR, Karlin KD (2009). «Глава 9: Медно-углеродные связи в механистических и структурных исследованиях белков, а также в ситуациях, когда медь является каталитическим или рецепторным центром». В Sigel A, Sigel H, Sigel RK (ред.). Связи металл-углерод в ферментах и ​​кофакторах . Кембридж, Великобритания: RSC Publishing. п. 304. ISBN 978-1-84755-915-9.
  14. ^ Virador В.М., Reyes Grajeda JP, Бланко-Лабра A, Mendiola-Олайа E, Smith GM, Moreno A, Whitaker JR (январь 2010). «Клонирование, секвенирование, очистка и кристаллическая структура полифенолоксидазы Grenache (Vitis vinifera)». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 58 (2): 1189–201. DOI : 10.1021 / jf902939q . PMID 20039636 . 
  15. ^ a b c Siegbahn PE (июль 2004 г.). «Каталитический цикл катехолоксидазы». Журнал биологической неорганической химии . 9 (5): 577–90. DOI : 10.1007 / s00775-004-0551-2 . PMID 15185133 . 
  16. ^ a b c Güell M, Siegbahn PE (ноябрь 2007 г.). «Теоретическое изучение каталитического механизма катехолоксидазы». Журнал биологической неорганической химии . 12 (8): 1251–64. DOI : 10.1007 / s00775-007-0293-Z . PMID 17891425 . 
  17. Перейти ↑ Martinez M, Whitaker JR (июнь 1995 г.). «Биохимия и контроль ферментативного потемнения». Тенденции в пищевой науке и технологиях . 6 (6): 195–200. DOI : 10.1016 / S0924-2244 (00) 89054-8 .
  18. ^ Матезис G, Whitaker JR (сентябрь 1984). «Модификация белков полифенолоксидазой и пероксидазой и их продуктами». Журнал пищевой биохимии . 8 (3): 137–162. DOI : 10.1111 / j.1745-4514.1984.tb00322.x .
  19. ^ Yoruk R, Маршалл MR (ноябрь 2003). «Физико-химические свойства и функции полифенолоксидазы растений: обзор». Журнал пищевой биохимии . 27 (5): 361–422. DOI : 10.1111 / j.1745-4514.2003.tb00289.x .
  20. ^ Альбада HB, Soulimani F, Weckhuysen BM , Liskamp RM (декабрь 2007). «Каркасные аминокислоты как близкий структурный имитатор сайтов связывания меди типа 3». Chemical Communications (Кембридж, Англия) (46): 4895–7. DOI : 10.1039 / B709400K . PMID 18361361 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Катехол + оксидаза в Национальных медицинских предметных рубриках США (MeSH)