카테콜 산화효소

Catechol oxidase
카테콜 산화효소
식별자
EC 번호1.10.3.1
CAS 번호.9002-10-2
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카테콜 산화효소는 구리 산화효소로 타입 3 다이코퍼 코팩터를 함유하고 있으며, 정형외과-디페놀의 정형-퀴논 산화와 더불어 물로 분자 산소가 감소하는 촉매제가 된다.이포모에아 바타타스(고구마),[1] 동백시넨시스(인도 차잎) 등 다양한 식물과 곰팡이류에 존재한다.[2]제3형 구리 중심을 가진 메탈로엔자임은 주변 조건에서 역방향으로 다이옥시겐을 결합하는 능력이 특징이다.[3]식물에서 카테콜 산화효소는 산소가 존재하는 곳에서 카테콜의 산화를 오퀴논에 촉매하여 효소 갈색으로 만드는데 핵심적인 역할을 하는데, 이것은 빠르게 중합하여 손상된 과일의 진한 갈색을 부여하는 멜라닌을 형성할 수 있다.

생물학적 함수

카테콜 산화효소에 의해 촉매된 전반적인 반응: 카테콜의 두 분자와 디옥시겐의 한 분자로부터 두 개의 오퀴논과 두 개의 물 분자의 생산.

폴리페놀 산화제는 티로시나아제와 카테콜 산화효소를 포함하는 디코퍼 야금효소 계열이다.[4]식물에서, 두 효소는 정형-디페놀 기질들의 산화를 해당 정형-퀴논으로 촉진시킬 수 있다.두 관련 효소의 주요 차이점은 티로시나제가 오-퀴논에 대한 오-디페놀의 산화(디페놀라제 활성)뿐만 아니라, 오-디페놀로의 단극화(모노페놀라제 활성)[5]를 촉매화시킬 수 있는 반면, 반면 카테콜 산화효소는 디페놀라제 활성만 가지고 있다.

식물 조직이 손상되면 엽록체가 파열되어 카테콜 산화제를 식물 세포질에 방출할 수 있으며, 바쿠올도 파열하여 저장된 카테콜을 세포질 속으로 방출할 수 있다.조직 손상은 또한 산소가 세포 안으로 침투하도록 한다.따라서 조직 손상은 카테콜 산화효소의 기질과의 상호작용을 촉진하여 오벤조퀴논을 생성하는데, 이 오벤조퀴논은 비정질적으로 중합하여 상처보호를 위한 불용성 장벽을 형성하는 멜라닌을 산출할 수 있다.[6]

프로톨리틱 처리

카테콜 산화효소는 핵으로 인코딩되며, 그 N단자 끝에는 단백질을 클로로플라스틱 태일라코이드 루멘으로 유도하는 신호 펩타이드 성분이 들어 있는데, 여기서 태일라코이드 막과 용해되거나 느슨하게 연관될 수 있다.[7]처음에 프로-엔자임으로 표기된 카테콜 산화효소 전구체는 태일라코이드 루멘에 들어가기 전에 두 번의 단백질 처리와 이송을 거친다.

[35S]메티오닌 라벨 전구단백질 활용, Sommer 등.완두콩(피섬 새티붐), 토마토(리코페르시콘 에칸탈룸), 옥수수(Zea mays) 등 다양한 식물에 공통적인 단백질 처리 경로를 설명했다.[8]67 kD 전구체를 ATP 의존적인 방식으로 스트로마로 수입했는데, 스트로말 펩티다아제는 전구체를 62 kD 중간으로 가공한다.이 중간의 태일라코이드 루멘으로의 변환은 빛에 의존하여 성숙한 59 kD 효소가 생성되는 결과를 낳았다.[9]이포모에아 바타타스에서 정제된 전구체 및 숙성 카테콜 산화효소 분석을 기반으로 프로테롤리틱 처리로 N-단자 전달 펩타이드와 효소 활성 부위를 커버하는 C-단자 영역을 모두 제거한다.[10]

효소 구조

이포모에아 바타타 결정 구조(PDB: 1BT1, 1BT2)에서 감소된 (I)-Cu(I) 및 네이티브(Cu(II)-Cu(II)-Catechol oxidase di-coper 활성 부위.

이포모에아 바타타스에서 정제된 카테콜 산화효소의 결정구조는 산화 Cu(II)-Cu(II) 상태와 감소된 Cu(I)-Cu(I) 상태 모두에서 활성 형태로 분해되었다.[11]입상 단일영역 모노메릭 효소로 크기는 약 55 X 45 X 45 å이고 모양은 타원형이다.4 α-헬릭스 번들은 효소 코어를 구성하는데, 효소 코어는 디코퍼 중심부를 포함하는 활성 부위를 묶는다.[12]히스88, 히스109, 히스118의 이미다졸 사이드 체인에 있는 니트로겐은 첫 번째 촉매 구리와 조화를 이루며, 히스240, 히스244 및 히스274의 이미다졸 사이드 체인에 있는 니트로겐은 두 번째 촉매 구리 이온과 조화를 이룬다.산화 Cu(II)-Cu(II) 상태에서 각 구리 이온은 4좌표 삼각 피라미드 형상을 가지며, 3개의 히스티딘 잔류물과 각 구리 이온에 4개의 리간드를 형성하는 브리징 수산화 분자가 있다.감소된 (Cu(I)-Cu(I) 상태를 효소의 고유(Cu(II)-Cu(II) 상태와 비교했을 때, 중요한 차이는 두 구리 중심 사이의 거리다.산화 Cu(II)-Cu(II) 상태에서 Cu-Cu 거리는 3.3 å인 반면 감소된 Cu(I)-Cu(I) 상태에서는 거리가 4.4 å까지 증가한다.[1]

티로시나아제와 카테콜 산화효소의 활성 부위는 모두 디코퍼 중심부를 포함하고 있는 반면, 각 효소의 각각의 구조가 변화하면 활성도가 달라진다.카테콜 산화효소에서는 페닐알라닌 사이드체인(Phe261)이 구리 중심 중 하나 위에 있고 기질이 활성 부위의 두 구리 이온과 조정되는 것을 방지한다.이것은 티로시나제의 디페놀레이트 히드록시화 특성에 필요한 bidentate 조정 콤플렉스는 배제하지만 카테콜 산화효소에 없다.[13]게다가, 구리 중심들 중 하나에 묶인 His109는 또한 티오에더 다리를 통해 Cys192와 공히 연결되어 있다.[14]이 시스테인과 히스티딘 교차연결을 통해 효소 활성 부위가 티로시나아제에 쉽게 형성되는 bidentate 조정 콤플렉스를 가정하는 것을 더욱 억제할 수 있다.

촉매 사이클 및 메커니즘

Ipomoea batata에서 정제된 카테콜 산화효소의 제안 촉매 사이클.

카테콜 산화효소의 결정 구조는 해결되었지만, 정확한 반응 메커니즘에 관한 의문점은 남아 있다.아이킨 등이 제안한 하나의 메커니즘은 이포모에아 바타타스에서 정제된 카테콜 산화효소의 결정 구조에 기초한다.[11]촉매 주기는 두 구리 중심을 연결하는 조정된 수산화 이온으로 고유 산화 Cu(II)-Cu(II) 상태에서 카테콜 산화효소로 시작한다.카테콜이 활성 부위로 들어가면서 양성자가 알코올 중 하나에서 추출된다.카테콜은 단조로운 방식으로 Cu(II) 중심과 좌표를 이루며, 조정 히스티딘 잔류물 중 하나를 대체한다.조정된 수산화이온은 카테콜에서 또 다른 양성자를 추상화하여 물을 형성하고 카테콜은 오퀴논으로 산화된다.두 개의 결과 전자는 양쪽 구리 중심을 Cu(I)-Cu(I) 상태로 감소시킨다.그런 다음 다이옥시겐은 하나의 구리 중심을 결합하여 조정된 물 분자를 대체하고, 또 다른 카테콜 분자는 다른 구리 중심에 결합하여 다른 히스티딘 잔류물을 대체한다.이것은 하나의 구리 중심이 히스240, 히스244, 다이옥시겐 분자와 4각형의 평면 조율을 갖는 콤플렉스를 형성한다.다른 구리 중심은 다이옥시겐, 히스88과 히스118, 그리고 히스109를 축 위치로 하여 초기 사방형 피라미드 기하학을 유지하고 있다.[3]이 상태에서 효소 활성 부위는 3차 카테콜 산화효소에 있다.오-카테콜22− 콤플렉스.두 개의 전자가 기질에서 다이옥시겐으로 전달되고 그 다음에 O-O 결합의 갈라짐이 일어난다.물이 방출되고, 초기 Cu(II)-Cu(II) 상태의 복원과 함께 두 번째 o-퀴논 제품이 형성되어 촉매 사이클을 완료한다.[15]

이 제안된 촉매 주기는 다이옥시겐이 없을 때에도 효소에 카테콜을 첨가한 후 오퀴논 형태의 스토오치메트릭 양이 존재한다는 실험적 관찰에 의해 뒷받침된다.[15]더욱이 산화 Cu(II)-Cu(II) 상태와 감소된 Cu(I)-Cu(I) 상태는 모두 Ipomoea batatas의 결정 구조로 식별된 두 상태였다.구리 중심에 대한 카테콜의 단수 결합은 바운드-하향 아날로그 억제제 페닐티우레아와 결합한 카테콜 산화효소의 결정 구조로 지지되었고, 이 결정 구조는 또한 단수화 방식으로 구리 중심부에 결합된다.[11]그러나 이 촉매 주기의 한 가지 문제는 촉매 주기가 +1에서 +3으로 진행되는 동안 활성 부위의 전하가 변화한다는 것이다.이를 위해서는 양성자를 저장할 수 있는 근접한 베이스가 있어야 하지만, X선 결정 구조는 히스티딘 잔여물이 구리 중심과 조화된 것과 같은 베이스의 존재를 나타내지 않는다.[16]DFT 계산과 결정 구조로 입증된 다른 촉매 사이클이 제안되었으며, 이는 사이클 전체에 걸쳐 활성 현장에서 동일한 전하를 유지하므로 인근 기초가 필요하지 않다.[15][16]그러나 제안된 주기의 특정 중간자는 산소가 없을 때 카테콜을 첨가한 후 오퀴논의 이론적 양이 형성될 수 있다는 것과 같은 실험 결과와 일치하지 않는다.[16]

경제 및 산업 관련성

페놀 기판을 해당 키노네로 산화시키는 것은 숙성, 취급, 가공 중 과일과 야채 갈변증의 일차적인 원인이다.[17]효소 갈변은 과일과 생산물의 영양 질과 외모에 영향을 미친다.과일 손실의 절반 이상이 효소 갈색으로 인해 발생하는 것으로 추정되며, 열대 농산물은 특히 이러한 반응에 취약하다.[6]영양소 손실은 디페놀의 산화에 의해 생성된 퀴노네와 식물 단백질에서 유래된 필수 아미노산의 사이드 체인이 상호 작용하여 발생할 수 있다.특히 아미노산의 측면 사슬에 있는 티올과 아민 기능군은 퀴논 결합과 알킬화에 매우 취약하다.[18]효소 브라우닝에서 카테콜 산화효소의 주요 역할은 그것을 억제하는 공통의 대상이 되게 한다.카테콜 산화효소 촉매 활성 제거를 위한 고온 처리(70-90°C) 등 여러 억제 전략이 존재하지만 구연산으로 pH를 줄이는 것이 인기 전략이다.[6]카테콜 산화효소는 촉매 구리 중심에 대한 히스티딘 잔류물의 조정으로 인해 pH 4-8 범위에서 촉매적으로 더 활성화된다.이 최적 범위 이하로 pH를 감소시키기 위해 구연산과 같은 산을 사용하면 히스티딘 잔류물의 양성화가 구리 중심과의 조정 능력을 방해하기 때문에 활성 사이트 구리에 대한 효소의 결합을 감소시킨다.[19]

인공 효소

아미노산이나 펩타이드에 기반한 인공효소를 특징적인 분자모이티로 설계하는 새로운 접근방식이 인공효소나 효소모방식의 장을 크게 확장시켰다.Rob Liskamp 그룹의 최근 결과는 비계 히스티딘 잔류물이 특정 야금단백질 및 -enzymes의 모형으로 사용될 수 있다는 것을 보여주었다.제3형 구리 결합 부위가 포함된 특정 구리 단백질(예: 헤모시아닌, 티로시나아제, 카테콜 산화효소)의 구조적 모방성이 나타났다.이는 비계 히스티딘 잔류물의 사용이 생물학적으로 관련된 종에 의한 효소의 모방에 한 걸음 더 가까워졌기 때문에 상당한 개선이다.[20]

참조

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외부 링크