Открыть сервис
Главная → Блог → Полифенолоксидаза

Полифенолоксидаза

Полифенолоксидаза (ПФО; КФ 1.14.18.1) — это фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий окисление полифенолов и других ароматических соединений кислородом воздуха. Полифенолоксидаза широко распространена в природе, встречается у растений, грибов, бактерий, а также у некоторых животных и человека. Наиболее известное проявление активности ПФО — ферментативное потемнение (браунинг) срезов фруктов и овощей (например, яблок, картофеля, грибов) при их повреждении или на воздухе. Фермент играет важную роль в защитных реакциях растений, в процессах меланизации у беспозвоночных, а также применяется в биотехнологии и пищевой промышленности.

История открытия и изучения

Ферментативное потемнение растительных тканей было описано ещё в XIX веке. В 1856 году немецкий химик Кристиан Фридрих Шёнбейн впервые предположил существование особого вещества, вызывающего потемнение срезов картофеля и яблок. В 1895 году французский ботаник Габриэль Бертран выделил из грибов и сока растений фермент, названный им «тирозиназой» (от аминокислоты тирозина). Позднее было установлено, что тирозиназа и полифенолоксидаза — близкородственные ферменты, часто объединяемые в одно семейство. В первой половине XX века были проведены систематические исследования субстратной специфичности ПФО, её роли в дыхании растений и защитных реакциях. В 1930-е годы советский биохимик Александр Иванович Опарин изучал полифенолоксидазу в контексте дыхания растений и образования пигментов. Современные исследования (с 1970-х годов) сосредоточены на молекулярной структуре, генетике, механизмах регуляции и практическом применении фермента.

Химическая природа и механизм действия

Полифенолоксидаза относится к медьсодержащим оксидазам. В её активном центре находятся два иона меди (Cu²⁺), которые координируются с тремя остатками гистидина каждый. Механизм реакции включает два этапа:

  1. Гидроксилирование монофенолов (например, тирозина) до орто-дифенолов (например, дигидроксифенилаланина, ДОФА). Эта реакция требует присутствия кислорода и восстановителя (например, аскорбата).
  2. Окисление орто-дифенолов до орто-хинонов. Эта стадия протекает с участием молекулярного кислорода, который восстанавливается до воды.

Образующиеся орто-хиноны — высокореакционноспособные соединения. Они могут полимеризоваться с образованием меланинов — тёмно-коричневых или чёрных пигментов, а также реагировать с аминокислотами, белками и другими компонентами клетки, вызывая необратимые изменения цвета и текстуры.

Классификация и разновидности

Полифенолоксидазы делятся на несколько типов в зависимости от субстратной специфичности и источника:

  • Тирозиназа (КФ 1.14.18.1) — наиболее изученная форма. Окисляет как монофенолы (тирозин, пара-крезол), так и орто-дифенолы (ДОФА, катехол). Характерна для грибов, растений, животных.
  • Катехолоксидаза (КФ 1.10.3.1) — окисляет только орто-дифенолы (катехол, хлорогеновую кислоту), но не монофенолы. Встречается у некоторых растений и насекомых.
  • Лакказа (КФ 1.10.3.2) — окисляет пара- и орто-дифенолы, а также аминофенолы, но не монофенолы. Содержит четыре иона меди. Широко распространена у грибов и бактерий, реже у растений.

В научной литературе термины «полифенолоксидаза» и «тирозиназа» часто используются как синонимы, хотя формально тирозиназа — частный случай ПФО.

Распространение в природе

Растения

Полифенолоксидаза присутствует в большинстве высших растений. Особенно высокая активность наблюдается в молодых тканях (листьях, плодах, клубнях), а также в местах повреждений. Основные субстраты ПФО в растениях — хлорогеновая кислота, катехин, кофейная кислота, тирозин. Фермент локализован в хлоропластах, а его субстраты — в вакуолях. При разрушении клеточной мембраны (например, при разрезании) происходит контакт фермента с субстратами, что запускает реакцию потемнения.

Грибы

У грибов (например, шампиньонов, подосиновиков, дрожжей) полифенолоксидаза участвует в синтезе меланинов, защищающих от ультрафиолета и патогенов. Активность ПФО в грибах может быть в десятки раз выше, чем в растениях.

Бактерии

У бактерий полифенолоксидаза (часто лакказа) участвует в деградации лигнина, образовании пигментов и устойчивости к стрессу. Примеры: Bacillus subtilis, Streptomyces spp.

Животные и человек

У животных ПФО (тирозиназа) играет ключевую роль в синтезе меланина — пигмента, определяющего цвет кожи, волос, глаз. У человека недостаток тирозиназы приводит к альбинизму. У насекомых и ракообразных фермент участвует в склеротизации кутикулы и иммунном ответе.

Биологическая роль

  • Защита от патогенов и вредителей. Образующиеся хиноны токсичны для микроорганизмов и насекомых. Полимеризация хинонов создаёт физический барьер на месте повреждения.
  • Участие в дыхании. ПФО может служить альтернативным терминальным оксидазой в дыхательной цепи растений, особенно при стрессе.
  • Меланизация. У животных и грибов меланины защищают от УФ-излучения, окислительного стресса и хищников.
  • Формирование вкуса и аромата. В чае, кофе, какао продукты окисления полифенолов (теафлавины, теарубигины) придают характерный цвет и вкус.

Применение

Пищевая промышленность

Полифенолоксидаза является причиной нежелательного потемнения свежих фруктов, овощей, грибов. Для предотвращения браунинга применяют:

  • Термическую обработку (бланширование) — инактивация фермента.
  • Аскорбиновую кислоту (витамин C) — восстанавливает хиноны обратно в дифенолы.
  • Сульфиты — ингибируют активность ПФО (использование ограничено из-за аллергенности).
  • Подкисление (лимонная, яблочная кислота) — снижает pH, оптимальный для фермента (pH 6–7).

В то же время ПФО используется в производстве чая (ферментация чайного листа), кофе, какао, изюма, где контролируемое окисление полифенолов формирует желаемый вкус и цвет.

Биотехнология

  • Детоксикация фенольных соединений в сточных водах (например, в целлюлозно-бумажной промышленности).
  • Биосенсоры для определения фенолов, тирозина, дофамина.
  • Синтез меланинов для косметических и фармацевтических целей.
  • Иммобилизованные формы ПФО используются в реакторах для очистки.

Медицина

  • Поиск ингибиторов тирозиназы — перспективное направление для создания отбеливающих косметических средств и лечения гиперпигментации (мелазмы, веснушек).
  • Изучение роли ПФО при нейродегенеративных заболеваниях (болезнь Паркинсона) связано с окислением дофамина.

Ингибиторы

Известны как природные, так и синтетические ингибиторы полифенолоксидазы:

Интересные факты

  • Активность полифенолоксидазы в картофеле может быть настолько высокой, что потемнение среза происходит в течение нескольких секунд. Для замедления процесса картофель замачивают в холодной воде.
  • В грибах (например, шампиньонах) ПФО особенно активна в ножке и пластинках. При термической обработке грибы темнеют из-за окисления полифенолов, а не из-за разрушения фермента.
  • У некоторых сортов яблок (например, «Голден Делишес») активность ПФО низкая, поэтому они меньше темнеют на срезе.
  • Полифенолоксидаза участвует в образовании «чёрной ножки» у картофеля — заболевания, вызываемого бактериями, но усиливающегося из-за ферментативного потемнения.
  • В 2018 году учёные из Института биохимии имени А. Н. Баха РАН (Москва) исследовали полифенолоксидазу из грибов вешенки для создания биосенсоров на фенолы.

Источники

  • Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. — М.: Медицина, 1998.
  • Кретович В. Л. Биохимия растений. — М.: Высшая школа, 1986.
  • Mayer A. M. Polyphenol oxidases in plants and fungi: going places? A review // Phytochemistry. — 2006. — Vol. 67, No. 21. — P. 2318–2331.
  • Yoruk R., Marshall M. R. Physicochemical properties and function of plant polyphenol oxidase: a review // Journal of Food Biochemistry. — 2003. — Vol. 27, No. 5. — P. 361–422.
  • Овчинникова Т. В., Шишова Е. А. Полифенолоксидаза растений: структура, свойства, функции // Успехи биологической химии. — 2014. — Т. 54. — С. 113–142.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы