Введение

Катехолоксидаза – это медный оксидазный фермент, содержащий димедный кофактор типа 3 и катализирующий окисление ортодифенолов в ортохиноны, сопряженное с восстановлением молекулярного кислорода до воды. Он встречается в различных видах растений и грибов, включая Ipomoea batatas (сладкий картофель) и Camellia sinensis (индийский чайный лист). Металлоферменты с медными центрами типа 3 характеризуются способностью обратимо связывать диоксиген при комнатных условиях. 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, придающего поврежденным плодам темно-коричневую окраску.

Биологическая функция

Полифенолоксидазы – это семейство димедных металлоэнзимов, включающее тирозиназу и катехолоксидазу. У растений оба фермента способны катализировать окисление ортодифенольных субстратов в соответствующие ортохиноны. Основное различие между этими родственными ферментами заключается в том, что тирозиназа может катализировать гидроксилирование монофенолов до дифенолов (монофенолазная активность), а также окисление ортодифенола до ортохинона (дифенолазная активность), в то время как катехолоксидаза обладает только дифенолазной активностью. При повреждении растительной ткани хлоропласт может разрушаться, высвобождая катехолоксидазу в цитоплазму, и вакуоли также могут разрушаться, высвобождая накопленный катехол в цитоплазму. Повреждение ткани также обеспечивает проникновение кислорода в клетку. Таким образом, повреждение ткани облегчает взаимодействие катехолоксидазы с ее субстратом с образованием о-бензохинона, который может неферментативно полимеризоваться с образованием меланинов, формирующих нерастворимый барьер для защиты раны.

Процесс протеолитической обработки

Катехолоксидаза кодируется в ядре, а ее N-концевая часть содержит сигнальный пептид, который направляет белок в просвет тилакоидов хлоропласта, где он может быть как растворимым, так и слабо связанным с тилакоидной мембраной. Изначально транскрибируемый в виде профермента, прекурсор катехолоксидазы подвергается двум раундам протеолитической обработки и транспорту, прежде чем попасть в просвет тилакоидов. Используя [35S]-метионин-меченый прекурсорный белок, Sommer et al. выяснили протеолитический путь обработки, общий для ряда растений, включая горох (Pisum sativum), томат (Lycopersicon esculentum) и кукурузу (Zea mays). Прекурсор весом 67 кДа импортировался в строму в АТФ-зависимом процессе, где стромальная пептидаза обрабатывает прекурсор до промежуточного продукта весом 62 кДа. Транслокация этого промежуточного продукта в просвет тилакоидов зависела от света и приводит к образованию зрелого фермента весом 59 кДа. На основе анализа прекурсора и зрелой катехолоксидазы, выделенной из Ipomoea batatas, было установлено, что протеолитическая обработка удаляет как N-концевой транзитный пептид, так и C-концевой домен, закрывающий активный центр фермента.

Структура фермента

Кристаллическая структура катехолоксидазы, очищенной из Ipomoea batatas, была определена в активной форме как в окисленном состоянии Cu(II) Cu(II), так и в восстановленном состоянии Cu(I) Cu(I). Это шарообразный мономерный фермент с одним доменом, размером приблизительно 55 x 45 x 45 Å и эллипсоидной формы. Ядро фермента состоит из четырех α-спиральных пучков, окружающих активный центр, содержащий дикопперный центр. Атомы азота в имидазольных боковых цепях His88, His109 и His118 координируются с первым каталитическим ионом меди, а атомы азота в имидазольных боковых цепях His240, His244 и His274 координируются со вторым каталитическим ионом меди. В окисленном состоянии Cu(II) Cu(II) каждый ион меди имеет четырехкоординатную тригонально-пирамидальную геометрию, где три остатка гистидина и мостиковая гидроксильная группа формируют четыре лиганда для каждого иона меди. При сравнении восстановленного (Cu(I) Cu(I)) состояния с нативным (Cu(II) Cu(II)) состоянием фермента, ключевое различие заключается в расстоянии между двумя медными центрами. В окисленном состоянии Cu(II) Cu(II) расстояние между ионами меди составляет 3,3 Å, а в восстановленном состоянии Cu(I) Cu(I) оно увеличивается до 4,4 Å. Кроме того, His109, связанный с одним из медных центров, также ковалентно связан с Cys192 посредством тиоэфирного мостика. Эта цистеин-гистидиновая сшивка может дополнительно ограничивать активный центр фермента от принятия бидентатного координационного комплекса, который легко образуется в тирозиназе.

Каталитический цикл и механизм

Хотя кристаллическая структура катехолоксидазы была определена, вопросы, касающиеся точного механизма реакции, остаются открытыми. Один из механизмов, предложенный Эйкеном и соавторами, основан на кристаллической структуре катехолоксидазы, выделенной из Ipomoea batatas. Этот предлагаемый каталитический цикл подтверждается экспериментальным наблюдением образования стехиометрических количеств орто-хинона после добавления катехола к ферменту, даже в отсутствие диоксигена. Были предложены и другие каталитические циклы, установленные с помощью расчетов DFT и кристаллических структур, которые поддерживают одинаковый заряд в активном центре на протяжении всего цикла и, следовательно, не требуют наличия близлежащих оснований. Ферментативное потемнение (или побурение) влияет на пищевую ценность и внешний вид фруктов и сельскохозяйственной продукции. По оценкам, более половины потерь фруктов происходит из-за ферментативного побурения, особенно уязвимы к этой реакции тропические фрукты. Ключевая роль катехолоксидазы в ферментативном побурении делает ее распространенной мишенью для ингибирования. Существуют различные стратегии ингибирования, такие как высокотемпературная обработка (70-90 °C) для устранения каталитической активности катехолоксидазы,

Искусственные ферменты

Новые подходы к созданию искусственных ферментов на основе аминокислот или пептидов как характерных молекулярных фрагментов привели к значительному расширению области искусственных ферментов или имитаторов ферментов. Недавние результаты, полученные группой Роба Лискампа, показали, что остатки гистидина, закрепленные на каркасе, могут использоваться в качестве имитаторов определенных металлопротеинов и ферментов. Было продемонстрировано структурное подобие с некоторыми медьсодержащими белками (например, гемоцианином, тирозиназой и катехолоксидазой), содержащими центры связывания меди типа 3. Это существенный прогресс, поскольку использование остатков гистидина, закрепленных на каркасе, является шагом ближе к имитации ферментов биологически релевантными соединениями.