แคทิโคลออกซิเดสเป็นเอนไซม์ออกซิ เดสที่มี ทองแดงเป็น องค์ประกอบ ซึ่งมี โคแฟคเตอร์ไดคอปเปอร์ชนิดที่ 3 และเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของออร์โธไดฟีนอลให้กลายเป็นออร์โธควิโนนควบคู่กับการรีดักชันของออกซิเจนโมเลกุลให้กลายเป็นน้ำ เอนไซม์ชนิดนี้มีอยู่ในพืชและเชื้อราหลายชนิด รวมถึงIpomoea batatas ( มันเทศ ) ^{[ 1 ]} และCamellia sinensis (ใบชาอินเดีย) ^{[ 2 ]}เอนไซม์โลหะที่มีศูนย์กลางทองแดงชนิดที่ 3 มีลักษณะเฉพาะคือความสามารถในการจับกับไดออกซิเจนแบบย้อนกลับได้ในสภาวะแวดล้อม^{[ 3 ]}ในพืช แคทิโคลออกซิเดสมีบทบาทสำคัญในการเกิดสีน้ำตาลจากเอนไซม์โดยเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของแคทิโคล ให้กลาย เป็นออร์โธควิโนนในสภาวะที่มีออกซิเจน ซึ่งสามารถเกิดพอลิเมอไรเซชันอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างเมลานินที่ทำให้ผลไม้ที่เสียหายมีสีน้ำตาลเข้ม

โพลีฟีนอลออกซิเดสเป็นกลุ่มของเมทัลโลเอนไซม์ไดคอปเปอร์ ซึ่งรวมถึงไทโรซิเนสและคาเทคอลออกซิเดส^{[ 4 ]}ในพืช เอนไซม์ทั้งสองชนิดสามารถเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารตั้งต้นออร์โธ-ไดฟีนอลให้กลายเป็นออร์โธ-ควิโนนที่สอดคล้องกัน ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องทั้งสองชนิดนี้คือ ไทโรซิเนสสามารถเร่งปฏิกิริยาไฮดรอกซิเลชันของโมโนฟีนอลให้เป็นไดฟีนอล (กิจกรรมโมโนฟีนอลเลส) เช่นเดียวกับการออกซิเดชันของโอ-ไดฟีนอลให้เป็นโอ-ควิโนน (กิจกรรมไดฟีนอลเลส) ในขณะที่คาเทคอลออกซิเดสมีเพียงกิจกรรมไดฟีนอลเลสเท่านั้น^{[ 5 ]}

เมื่อเนื้อเยื่อพืชได้รับความเสียหายคลอโรพลาสต์อาจแตกออกและปล่อยคาเทโคลออกซิเดสเข้าสู่ไซโตพลาสซึมของพืช และแวคิวโอลอาจแตกออกเช่นกัน ทำให้คาเทโคลที่เก็บไว้ถูกปล่อยเข้าสู่ไซโตพลาสซึม ความเสียหายของเนื้อเยื่อยังช่วยให้ออกซิเจนแทรกซึมเข้าไปในเซลล์ได้ ดังนั้น ความเสียหายของเนื้อเยื่อจึงอำนวยความสะดวกในการโต้ตอบของคาเทโคลออกซิเดสกับสารตั้งต้นเพื่อผลิตโอ-เบนโซควิโนน ซึ่งสามารถเกิดพอลิเมอไรเซชันโดยไม่ใช้เอนไซม์เพื่อให้ได้เมลานินที่สร้างเกราะป้องกันบาดแผลที่ไม่ละลายน้ำ^{[ 6 ]}

เอนไซม์คาเทโคลออกซิเดสถูกเข้ารหัสโดยนิวเคลียส และปลาย N-terminal ของมันมีเปปไทด์สัญญาณที่นำทางโปรตีนไปยัง ลูเมน ไทลาคอย ด์ของคลอโรพลาสต์ ซึ่งอาจละลายได้หรือเชื่อมโยงกับเยื่อไทลาคอยด์อย่างหลวมๆ^{[ 7 ]} ในตอนแรกถูกถอดรหัสเป็นโปรเอนไซม์สารตั้งต้นของคาเทโคลออกซิเดสจะผ่านกระบวนการย่อยสลายโปรตีนและการขนส่งสองรอบก่อนที่จะเข้าสู่ลูเมนไทลาคอยด์

โดยใช้โปรตีนต้นแบบที่ติดฉลากด้วย [ ^35S ] เมไทโอนีน Sommer และคณะได้อธิบายเส้นทางการประมวลผลแบบโปรตีโอไลติกที่พบได้ทั่วไปในพืชหลายชนิด รวมถึงถั่วลันเตา ( Pisum sativum ) มะเขือเทศ ( Lycopersicon esculentum ) และข้าวโพด ( Zea mays ) ^{[ 8 ]}โปรตีนต้นแบบขนาด 67 kD ถูกนำเข้าสู่สโตรมาในลักษณะที่ขึ้นอยู่ กับ ATP โดยที่ เปปติเด สในสโตรมา จะประมวลผลโปรตีนต้นแบบให้เป็นสารตัวกลางขนาด 62 kD การเคลื่อนย้ายสารตัวกลางนี้เข้าไปในลูเมนของไทลาคอยด์ขึ้นอยู่กับแสงและส่งผลให้เกิดเอนไซม์ที่สมบูรณ์ขนาด 59 kD ^{[ 9 ]}จากการวิเคราะห์โปรตีนต้นแบบและเอนไซม์คาเทโคลออกซิเดสที่สมบูรณ์ซึ่งบริสุทธิ์จากIpomoea batatasการประมวลผลแบบโปรตีโอไลติกจะกำจัดทั้งเปปไทด์นำส่งที่ปลาย N และโดเมนที่ปลาย C ซึ่งปกคลุมบริเวณออกฤทธิ์ของเอนไซม์^{[ 10 ]}

โครงสร้างผลึกของคาเทโคลออกซิเดสที่บริสุทธิ์จากIpomoea batatasได้รับการแก้ไขในรูปแบบที่ใช้งานได้ทั้งในสถานะออกซิไดซ์ Cu(II)-Cu(II) และสถานะรีดิวซ์ Cu(I)-Cu(I) ^{[ 11 ]}เป็นเอนไซม์โมโนเมอร์แบบโดเมนเดี่ยวทรงกลมที่มีขนาดประมาณ 55 x 45 x 45 Å และมีรูปร่างเป็นทรงรี แกนกลางของเอนไซม์ประกอบด้วยมัดเกลียวอัลฟา 4 อัน ซึ่งล้อมรอบบริเวณที่ใช้งานซึ่งมีศูนย์กลางไดคอปเปอร์ ^{[ 12 ]}ไนโตรเจนบนโซ่ข้างอิมิดาโซลของHis 88, His109 และ His118 ประสานกับทองแดงเร่งปฏิกิริยาตัวแรก ในขณะที่ไนโตรเจนบนโซ่ข้างอิมิดาโซลของ His240, His244 และ His274 ประสานกับไอออนทองแดงเร่งปฏิกิริยาตัวที่สอง ในสถานะออกซิไดซ์ Cu(II)-Cu(II) ไอออนทองแดงแต่ละตัวจะมีรูปทรงเรขาคณิตแบบพีระมิดสามเหลี่ยมสี่พิกัด โดยมีหมู่ฮิสติดีนสามหมู่และโมเลกุลไฮดรอกไซด์ที่เชื่อมต่อกันเป็นลิแกนด์สี่ตัวบนไอออนทองแดงแต่ละตัว เมื่อเปรียบเทียบสถานะรีดิวซ์ (Cu(I)-Cu(I)) กับสถานะดั้งเดิม (Cu(II)-Cu(II)) ของเอนไซม์ ความแตกต่างที่สำคัญคือระยะห่างระหว่างศูนย์กลางทองแดงทั้งสอง ในสถานะออกซิไดซ์ Cu(II)-Cu(II) ระยะห่าง Cu-Cu คือ 3.3 Å ในขณะที่ในสถานะรีดิวซ์ Cu(I)-Cu(I) ระยะห่างจะเพิ่มขึ้นเป็น 4.4 Å ^{[ 1 ]}

แม้ว่าบริเวณออกฤทธิ์ของทั้งไทโรซิเนสและคาเทโคลออกซิเดสจะมีศูนย์กลางทองแดงคู่ แต่การเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของเอนไซม์แต่ละชนิดส่งผลให้กิจกรรมแตกต่างกัน ในคาเทโคลออกซิเดส โซ่ข้างฟีนิล อะลานีน (Phe261) อยู่เหนือศูนย์กลางทองแดงหนึ่งตัวและป้องกันไม่ให้สารตั้งต้นประสานงานกับไอออนทองแดงทั้งสองในบริเวณออกฤทธิ์ ซึ่งขัดขวางการสร้างสารเชิงซ้อนแบบไบเดนเตตที่จำเป็นสำหรับการไฮดรอกซิเลชันของไดฟีนอลเลตซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของไทโรซิเนสแต่ไม่มีในคาเทโคลออกซิเดส^{[ 13 ]}นอกจากนี้ His109 ที่จับกับศูนย์กลางทองแดงตัวหนึ่งยังเชื่อมต่อกับ Cys192 ด้วยพันธะโควาเลนต์ผ่านสะพาน ไทโอ อีเทอร์^{[ 14 ]}การเชื่อมโยงข้ามระหว่างซิสเทอีนและฮิสติดีนนี้อาจจำกัดไม่ให้บริเวณออกฤทธิ์ของเอนไซม์สร้างสารเชิงซ้อนแบบไบเดนเตตที่เกิดขึ้นได้ง่ายในไทโรซิเนส

แม้ว่าโครงสร้างผลึกของคาเทคอลออกซิเดสจะได้รับการไขปริศนาแล้ว แต่คำถามเกี่ยวกับกลไกที่แน่นอนของปฏิกิริยายังคงอยู่ กลไกหนึ่งที่เสนอโดย Eicken et al. นั้นอิงตามโครงสร้างผลึกของคาเทคอลออกซิเดสที่บริสุทธิ์จากIpomoea batatas [ ^{11 ] วัฏจักร}เร่งปฏิกิริยาเริ่มต้นด้วยคาเทคอลออกซิเดสในสถานะ Cu(II)-Cu(II) ที่ถูกออกซิไดซ์ตามธรรมชาติ โดยมีไอออนไฮดรอกไซด์ที่ประสานเชื่อมระหว่างศูนย์กลางทองแดงทั้งสอง เมื่อคาเทคอลเข้าสู่บริเวณออกฤทธิ์โปรตอนจะถูกดึงออกจากแอลกอฮอล์ตัวหนึ่ง คาเทคอลประสานกับศูนย์กลาง Cu(II) ในลักษณะโมโนเดนเทต โดยแทนที่สารตกค้างฮิสติดีนที่ประสานตัวหนึ่ง ไอออนไฮดรอกไซด์ที่ประสานจะดึงโปรตอนอีกตัวจากคาเทคอลเพื่อสร้างน้ำ และคาเทคอลจะถูกออกซิไดซ์เป็น o-quinone อิเล็กตรอนสองตัวที่เกิดขึ้นจะลดศูนย์กลางทองแดงทั้งสองให้กลับไปเป็นสถานะ Cu(I)-Cu(I) จากนั้นไดออกซิเจนจะจับกับศูนย์กลางทองแดงหนึ่งตัว แทนที่โมเลกุลน้ำที่ประสานอยู่ และโมเลกุลของแคทิคอลอีกตัวจะจับกับศูนย์กลางทองแดงอีกตัว แทนที่หมู่ฮิสติดีนอีกตัวหนึ่ง ทำให้เกิดสารประกอบเชิงซ้อนซึ่งศูนย์กลางทองแดงตัวหนึ่งมีการประสานแบบระนาบสี่เหลี่ยมจัตุรัสกับ His240, His244 และโมเลกุลไดออกซิเจน ศูนย์กลางทองแดงอีกตัวยังคงรักษารูปทรงพีระมิดสี่เหลี่ยมจัตุรัสเริ่มต้นไว้ โดยมีไดออกซิเจน His88 และ His118 อยู่ในตำแหน่งเส้นศูนย์สูตร และ His109 อยู่ในตำแหน่งแกน^{[ 3 ]}ในสถานะนี้ บริเวณออกฤทธิ์ของเอนไซม์อยู่ในสารประกอบเชิงซ้อนแคทิคอลออกซิเดส-O ^{2− –}แคทิคอลแบบสามองค์ประกอบ อิเล็กตรอนสองตัวถูกถ่ายโอนจากสารตั้งต้นไปยังไดออกซิเจน ตามด้วยการแตกตัวของพันธะ O–O น้ำถูกปล่อยออกมา และผลิตภัณฑ์ o-quinone ตัวที่สองจะเกิดขึ้นพร้อมกับการคืนสถานะ Cu(II)-Cu(II) เริ่มต้นเพื่อทำให้วัฏจักรเร่งปฏิกิริยาสมบูรณ์^{[ 15 ]}

วงจรเร่งปฏิกิริยาที่เสนอนี้ได้รับการสนับสนุนจากการสังเกตเชิงทดลองว่าปริมาณสโตอิคิโอเมตริกของ o-quinone เกิดขึ้นหลังจากเติม catechol ลงในเอนไซม์ แม้ว่าจะไม่มีออกซิเจนก็ตาม^{[ 15 ]}นอกจากนี้ ทั้งสถานะ Cu(II)-Cu(II) ที่ถูกออกซิไดซ์และสถานะ Cu(I)-Cu(I) ที่ถูกรีดิวซ์เป็นสองสถานะที่ระบุโดยโครงสร้างผลึกของIpomoea batatasการจับแบบโมโนเดนเทตของ catechol กับศูนย์กลางทองแดงได้รับการสนับสนุนโดยโครงสร้างผลึกของ catechol oxidase ที่จับกับสารยับยั้ง อะนาล็อกของซับสเตรตที่จับกับ phenylthioureaซึ่งจับกับศูนย์กลางทองแดงในลักษณะโมโนเดนเทตเช่นกัน^{[ 11 ]}อย่างไรก็ตาม ปัญหาหนึ่งของวงจรเร่งปฏิกิริยานี้คือประจุของไซต์ที่ใช้งานอยู่จะเปลี่ยนไปในระหว่างวงจรเร่งปฏิกิริยาจาก +1 เป็น +3 ซึ่งจำเป็นต้องมีเบสที่อยู่ใกล้เคียงที่สามารถเก็บโปรตอนได้ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างผลึกเอกซ์เรย์ไม่ได้บ่งชี้ถึงการมีอยู่ของเบสใดๆ เนื่องจากสารตกค้างฮิสติดีนมีการประสานงานกับศูนย์กลางทองแดง^{[ 16 ]} วงจรเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ ที่อธิบายด้วยการคำนวณ DFT และโครงสร้างผลึกได้รับการเสนอขึ้น ซึ่งรักษาประจุเดียวกันในบริเวณที่ใช้งานตลอดวงจร และดังนั้นจึงไม่ต้องการเบสที่อยู่ใกล้เคียง^{[ 15 ] [ 16 ]}อย่างไรก็ตาม สารตัวกลางบางอย่างในวงจรที่เสนอไม่สอดคล้องกับผลการทดลอง เช่น ปริมาณสโตอิคิโอเมตริกของโอ-ควิโนนสามารถเกิดขึ้นได้หลังจากการเติมคาเทคอลในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน^{[ 16 ]}

การออกซิเดชันของสารตั้งต้นฟีนอลไปเป็นควิโนนที่สอดคล้องกันเป็นสาเหตุหลักของการเกิดสีน้ำตาลในผลไม้และผักระหว่างการสุก การจัดการ และการแปรรูป^{[ 17 ]}การเกิดสีน้ำตาลจากเอนไซม์ส่งผลต่อคุณภาพทางโภชนาการและลักษณะของผลไม้และผลผลิต คาดว่าการสูญเสียผลไม้มากกว่าครึ่งหนึ่งเกิดจากการเกิดสีน้ำตาลจากเอนไซม์ และผลผลิตเขตร้อนมีความเสี่ยงต่อปฏิกิริยานี้เป็นพิเศษ^{[ 6 ]}การสูญเสียสารอาหารอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการโต้ตอบของควิโนน ซึ่งเกิดจากการออกซิเดชันของไดฟีนอล กับโซ่ข้างของกรดอะมิโนจำเป็นที่ได้มาจากโปรตีนพืช โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หมู่ฟังก์ชัน ไทออลและอะมีนบนโซ่ข้างของกรดอะมิโนมีความไวต่อการจับกับควิโนนและการอัลคิเลชันสูง^{[ 18 ]}บทบาทสำคัญของคาเทโคลออกซิเดสในการเกิดสีน้ำตาลจากเอนไซม์ทำให้เป็นเป้าหมายทั่วไปสำหรับการยับยั้ง แม้ว่าจะมีกลยุทธ์การยับยั้งอยู่หลายวิธี เช่น การบำบัดด้วยอุณหภูมิสูง (70-90  °C) เพื่อกำจัดกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาของคาเทโคลออกซิเดส^{[ 6 ]}แต่กลยุทธ์ที่นิยมคือการลดค่า pH ด้วยกรดซิตริกคาเทโคลออกซิเดสมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยามากขึ้นในช่วง pH 4-8 เนื่องจากการประสานงานของหมู่ฮิสติดีนกับศูนย์กลางทองแดงเร่งปฏิกิริยา การใช้กรดเช่นกรดซิตริกเพื่อลดค่า pH ให้ต่ำกว่าช่วงที่เหมาะสมนี้จะลดการจับกันของเอนไซม์กับทองแดงในบริเวณเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากโปรตอนของหมู่ฮิสติดีนจะขัดขวางความสามารถในการประสานงานกับศูนย์กลางทองแดง^{[ 19 ]}

ผลไม้ที่มีกิจกรรมของเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดสสูงอาจส่งผลต่อปริมาณโพลีฟีนอลในผลไม้ชนิดอื่นที่รับประทานในมื้อเดียวกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งน้ำผลไม้รวมและสมูทตี้มีความเสี่ยง เนื่องจากผลไม้ต่าง ๆ (และส่วนประกอบของเซลล์) ถูกผสมกันเป็นเวลานานก่อนที่เอนไซม์ย่อยอาหารจะสามารถยับยั้งการทำงานของเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดสได้ ดังนั้น เครื่องดื่มเหล่านี้จึงมีโพลีฟีนอลที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพน้อยกว่าน้ำผลไม้ที่ทำจากผลไม้ที่มี PPO ต่ำทั้งหมดหรือผลไม้สด^{[ 20 ]}

แนวทางใหม่ในการออกแบบเอนไซม์เทียม โดยใช้กรดอะมิโนหรือเปปไทด์เป็นส่วนประกอบโมเลกุลเฉพาะ ได้นำไปสู่การขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญของสาขาเอนไซม์เทียมหรือเอนไซม์เลียนแบบ ผลลัพธ์ล่าสุดจากกลุ่มของ Rob Liskamp แสดงให้เห็นว่าสารตกค้างฮิสติดีนที่มีโครงสร้างสามารถใช้เป็นตัวเลียนแบบของเมทัลโลโปรตีนและเอนไซม์บางชนิดได้ มีการแสดงให้เห็นถึงการเลียนแบบโครงสร้างของโปรตีนทองแดง บางชนิด (เช่นเฮโม ไซยานิน ไทโรซิเนสและคาเทโคลออกซิเดส) ซึ่งมีไซต์การจับทองแดงประเภท 3 นี่เป็นการพัฒนาที่สำคัญ เนื่องจากการใช้สารตกค้างฮิสติดีนที่มีโครงสร้างนั้นใกล้เคียงกับการเลียนแบบเอนไซม์โดยสายพันธุ์ที่เกี่ยวข้องทางชีววิทยามากขึ้นอีกขั้น^{[ 21 ]}

• Catechol+Oxidase ในฐานข้อมูล Medical Subject Headings (MeSH) ของหอสมุดแห่งชาติสหรัฐอเมริกา