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| カテコールオキシダーゼ | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 1.10.3.1 | ||||||||
| CAS番号 | 9002-10-2 | ||||||||
| データベース | |||||||||
| インテンズ | IntEnzビュー | ||||||||
| ブレンダ | BRENDAエントリー | ||||||||
| エクスパス | NiceZyme ビュー | ||||||||
| ケッグ | KEGGエントリー | ||||||||
| メタサイク | 代謝経路 | ||||||||
| プリアモス | プロフィール | ||||||||
| PDB構造 | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
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カテコール酸化酵素は、タイプ3二銅補因子を含む銅 酸化酵素であり、分子状酸素を水に還元するとともに、オルトジフェノールをオルトキノンに酸化する反応を触媒します。これは、 Ipomoea batatas（サツマイモ）[1] やCamellia sinensis（インドの茶葉）[2]など、さまざまな植物や菌類に存在します。タイプ3銅中心を持つ金属酵素は、常温で二酸素を可逆的に結合する能力が特徴です。[3]植物では、カテコール酸化酵素は、酸素の存在下でカテコールをo-キノンに酸化する反応を触媒することで、酵素による褐変に重要な役割を果たします。o-キノンは急速に重合してメラニンを形成し、損傷した果実に暗褐色を与えます。
生物学的機能
ポリフェノール酸化酵素は、チロシナーゼとカテコール酸化酵素を含む二銅金属酵素のファミリーです。[4]植物では、両方の酵素がオルトジフェノール基質を対応するオルトキノンに酸化する触媒作用をします。2つの関連酵素の主な違いは、チロシナーゼはモノフェノールをジフェノールに水酸化する（モノフェノラーゼ活性）だけでなく、o-ジフェノールをo-キノンに酸化する（ジフェノラーゼ活性）ことも触媒できるのに対し、カテコール酸化酵素はジフェノラーゼ活性しか持たないことです。[5]
植物組織が損傷すると、葉緑体が破裂してカテコールオキシダーゼが植物細胞質に放出され、液胞も破裂して貯蔵されていたカテコールが細胞質に放出される。組織損傷により酸素が細胞内に浸透することもある。したがって、組織損傷によりカテコールオキシダーゼとその基質との相互作用が促進され、o-ベンゾキノンが生成され、これが非酵素的に重合してメラニンを生成し、創傷保護のための不溶性バリアを形成する。[6]
タンパク質分解処理
カテコールオキシダーゼは核にコードされており、そのN末端にはタンパク質を葉緑体チラコイド腔に導くシグナルペプチドが含まれており、そこでタンパク質は可溶性になるか、チラコイド膜と緩く結合します。[7] 最初はプロ酵素として転写されたカテコールオキシダーゼの前駆体は、チラコイド腔に入る前に2回のタンパク質分解処理と輸送を受けます。
Sommer らは、[ 35 S] メチオニン標識前駆体タンパク質を利用して、エンドウ ( Pisum sativum )、トマト ( Lycopersicon esculentum )、トウモロコシ ( Zea mays ) などさまざまな植物に共通するタンパク質分解処理経路を解明しました。[8] 67 kD の前駆体はATP依存的に間質に取り込まれ、間質ペプチダーゼによって前駆体が 62 kD の中間体に処理されます。この中間体のチラコイド腔への移行は光依存的であり、成熟した 59 kD 酵素が生成されます。[9] Ipomoea batatasから精製された前駆体と成熟したカテコールオキシダーゼの分析に基づくと、タンパク質分解処理によって N 末端トランジットペプチドと酵素活性部位を覆う C 末端ドメインの両方が除去されます。[10]
酵素の構造
Ipomoea batatasから精製されたカテコールオキシダーゼの結晶構造は、活性型では酸化 Cu(II)-Cu(II) 状態と還元 Cu(I)-Cu(I) 状態の両方で解明されています。[11]これは球状の単一ドメインモノマー酵素で、大きさは約 55 x 45 x 45 Å、形状は楕円形です。4 つのα ヘリックス束が酵素コアを構成し、二銅中心を含む活性部位を囲んでいます。[12] His 88、His109、および His118のイミダゾール側鎖の窒素は最初の触媒銅イオンと配位し、His240、His244、および His274 のイミダゾール側鎖の窒素は 2 番目の触媒銅イオンと配位します。酸化された Cu(II)-Cu(II) 状態では、各銅イオンは 4 配位の三角錐形状を持ち、3 つのヒスチジン残基と架橋水酸化物分子が各銅イオンの 4 つのリガンドを形成します。酵素の還元状態 (Cu(I)-Cu(I)) と天然状態 (Cu(II)-Cu(II)) を比較すると、重要な違いは 2 つの銅中心間の距離です。酸化された Cu(II)-Cu(II) 状態では Cu-Cu 距離は 3.3 Å ですが、還元された Cu(I)-Cu(I) 状態では距離が 4.4 Å に増加します。[1]
チロシナーゼとカテコールオキシダーゼの活性部位にはどちらも二銅中心が含まれていますが、それぞれの酵素の構造の違いにより活性が異なります。カテコールオキシダーゼでは、フェニルアラニン側鎖 (Phe261) が銅中心の 1 つの上にあり、基質が活性部位の両方の銅イオンと配位するのを妨げています。これにより、チロシナーゼに特徴的な二フェノレート水酸化に必要な二座配位錯体が形成されませんが、カテコールオキシダーゼには存在しません。[13]さらに、銅中心の 1 つに結合した His109 も、チオエーテル橋を介して Cys192 と共有結合しています。 [14]このシステイン-ヒスチジン架橋により、酵素活性部位がチロシナーゼで容易に形成される二座配位錯体を形成するのがさらに抑制される可能性があります。
触媒サイクルとメカニズム
カテコール酸化酵素の結晶構造は解明されているが、反応の正確なメカニズムについては疑問が残る。Eickenらが提唱するメカニズムの1つは、イポメア バタタスから精製されたカテコール酸化酵素の結晶構造に基づいている。[11]触媒サイクルは、配位水酸化物イオンが2つの銅中心を橋渡しした天然の酸化Cu(II)-Cu(II)状態のカテコール酸化酵素から始まる。カテコールが活性部位に入ると、アルコールの1つからプロトンが引き抜かれる。カテコールは単座配位でCu(II)中心に配位し、配位ヒスチジン残基の1つを置換する。配位水酸化物イオンはカテコールから別のプロトンを引き抜いて水を形成し、カテコールはo-キノンに酸化される。結果として生じた2つの電子は、両方の銅中心をCu(I)-Cu(I)状態に還元する。次に、二酸素が銅中心の 1 つに結合して配位した水分子を置き換え、別のカテコール分子が別の銅中心に結合して別のヒスチジン残基を置き換えます。これにより、1 つの銅中心が His240、His244、および二酸素分子と四方平面配位した複合体が形成されます。もう 1 つの銅中心は、二酸素、His88、His118 が赤道位、His109 が軸位にある状態で、最初の四方ピラミッド形状を維持します。[3]この状態では、酵素活性部位は三元カテコール酸化酵素–O 2 2− –カテコール複合体です。2 つの電子が基質から二酸素に移動し、続いて O–O 結合が切断されます。水が放出され、2 番目の o-キノン生成物が形成され、初期の Cu(II)-Cu(II) 状態が回復して触媒サイクルが完了します。[15]
この触媒サイクルの提案は、酵素にカテコールを加えると、二酸素が存在しない場合でも、化学量論量のo-キノンが形成されるという実験的観察によって裏付けられています。[15]さらに、酸化Cu(II)-Cu(II)状態と還元Cu(I)-Cu(I)状態の2つの状態は、Ipomoea batatasの結晶構造によって特定されました。カテコールが銅中心に単座結合することは、結合基質類似体阻害剤 フェニルチオ尿素と結合したカテコール酸化酵素の結晶構造によって裏付けられており、フェニルチオ尿素も銅中心に単座結合します。[11]しかし、この触媒サイクルの問題の1つは、活性部位の電荷が触媒サイクル中に+1から+3に変化することです。しかし、X線結晶構造ではヒスチジン残基が銅中心と配位結合しているため、そのような塩基の存在は示されていません。[16] DFT計算と結晶構造によって解明された他の触媒サイクルは、サイクル全体を通じて活性部位に同じ電荷を維持し、したがって近くに塩基を必要としないという提案されています。[15] [16]しかし、提案されたサイクルの特定の中間体は、酸素の不在下でカテコールを添加した後に化学量論量のo-キノンが形成される可能性があるなどの実験結果と一致していません。[16]
経済と産業の関連性
フェノール基質が対応するキノンに酸化されることが、熟成、取り扱い、加工中の果物や野菜の褐変の主な原因です。[17]酵素による褐変は、果物や農産物の栄養価と外観に影響を及ぼします。果物の損失の半分以上は酵素による褐変が原因であると考えられており、熱帯産の農産物は特にこの反応の影響を受けやすいです。[6]栄養素の損失は、ジフェノールの酸化によって生成されたキノンと、植物タンパク質由来の必須アミノ酸の側鎖との相互作用により発生する可能性があります。特に、アミノ酸の側鎖にあるチオール基とアミン官能基は、キノンの結合とアルキル化を非常に受けやすいです。 [18]酵素による褐変におけるカテコールオキシダーゼの重要な役割から、カテコールオキシダーゼは阻害の一般的なターゲットとなっています。カテコールオキシダーゼの触媒活性を除去するための高温処理（70〜90℃）などの阻害戦略は多数存在しますが、[6]一般的な戦略はクエン酸でpHを下げることです。カテコールオキシダーゼは、ヒスチジン残基が触媒銅中心に配位するため、pH 4-8の範囲でより触媒活性になります。クエン酸などの酸を使用してpHをこの最適範囲以下に下げると、ヒスチジン残基のプロトン化により銅中心との配位能力が妨げられるため、酵素の活性部位銅への結合が減少します。[19]
人工酵素
アミノ酸やペプチドを特徴的な分子部分として人工酵素を設計する新しいアプローチにより、人工酵素や酵素模倣体の分野は大幅に拡大しました。Rob Liskamp のグループによる最近の結果では、足場ヒスチジン残基が特定の金属タンパク質や酵素の模倣体として使用できることが示されています 。タイプ3銅結合部位を含む特定の銅タンパク質(ヘモシアニン、チロシナーゼ、カテコールオキシダーゼなど)の構造模倣が示されています。足場ヒスチジン残基の使用は、生物学的に関連する種による酵素の模倣に一歩近づくため、これは大きな進歩です。[20]
参考文献
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外部リンク
- 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)のカテコール+オキシダーゼ
