多酚氧化酶的研究应用综述.doc

多酚氧化酶的研究应用综述马烨 09营养 20090804159（徐州工程学院食品(生物)工程学院 江苏 徐州 221000）摘要：多酚氧化酶(Polyphenol Oxidase简称PPO)是一类广泛分布于植物体中的一种铜结合酶。它是由核基因编码、多基因控制，在细胞质中合成，通过一定的方式转运至质体内而成为具酶活性的形式，对农产品品质形成有重要影响。本文系作者在结合了多篇文章和研究报道后简单的论述了其在生物中的存在和定位、分子结构、生理功能及应用进展等方面近年来的研究成果，最后展望了发展前景。关键词：多酚氧化酶，分子结构，生理功能，应用进展多酚氧化酶(polyphenol oxidase)是一类广泛存在于植物体内的能催化多酚类氧化成醌类的含铜质体金属酶2。由于多酚氧化酶的酶促褐变与果蔬加工、茶叶品质、组培成功等密切相关，人们很早就开始对它进行深入细致的研究。随着研究的不断深入，对多酚氧化酶各方面都有了更深一步的认识。本文就多酚氧化酶的生理作用、功能、定位分布做简要介绍。1 多酚氧化酶的分布和定位PPO普遍存在于植物、真菌、昆虫中。PPO相当稳定，甚至在土壤中已腐烂的植物残渣上都可检测到PPO的活性。研究表明，有活性的PPO定位于正常细胞的质体中。叶绿体的PPO存在于类囊体上，其它类型质体的PPO存在于各种囊泡上。定位于类囊体的PPO究竟是结合于类囊体膜上，还是溶解在膜腔中，目前尚无定论。虽然几乎所有的质体中都包含PPO，但在某些组织中很难检测到PPO活性:例如C4植物的维管束鞘细胞和保卫细胞的质体。有些报道认为PPO位于腔中，如马铃薯毛状体的Mr为59000的PPO，番茄PPOE基因产物，蚕豆PPO。与此相反，Soderhall和Soderhall认为，萝卜的PPO最初合成时无活性，是可溶性(不与膜相连)的PPO前体，在进行分级分离时才与膜结合，从而造成与膜结合的假象1。2 多酚氧化酶的分子结构2.1 PPO的基因特性PPO是由核基因编码，多个基因控制，表现出多基因的家族性。在番茄中有7个编码PPO的核基因(PPO A、A、B、C、D、E、F)；在马铃薯中，编码PPO的核基因至少有6个，分别为POT32、POT33、POT41、PT72、NOR333、P1、P2；蚕豆、苹果中至少有四个基因编码PPO；对小麦的PPO进行QTLs定位分析表明，小麦的PPO至少由3个不同的基因编码，控制PPO活性的主效基因位于2D染色体上，2A、2B、3B、3D和6B染色体上有一些微效基因等等。有一例外是，从葡萄中提取纯化多酚氧化酶得到分子量为40KD的单一蛋白，且southern analysis表明葡萄PPO是由一个基因编码的。2.2 PPO的分子结构特性PPO基因在细胞质中合成含有转运肽的前体肽，分子质量一般为6075 ku，随后前体肽被转运肽转运至质体的内囊体膜上，并被分解成分子质量约为4569 ku的成熟肽.PPO前体肽由N端延伸区、催化单元和C端延伸区组成，其中N端的转运肽负责前体肽向叶绿体中的运输，而催化单元则包括两个含铜的高度保守区CuA和CuB.对多种植物PPO的序列分析后可以看到，各种植物PPO序列的两个铜保守区有着高度的同源性，这是维持PPO活性中心所必需的.Gerdemann等在成熟的儿茶酚氧化酶和章鱼血蓝蛋白3D结构的基础上，建立了红芋中潜伏儿茶酚氧化酶前体肽的立体结构模型。在红芋PPO cDNA克隆的C末端延伸肽上存在3个组氨酸残基和起阻断作用的亮氨酸(Leu439)，它们可能导致对活性中心的屏蔽作用，使前体肽不具酶活性而以潜伏形式存在.但是，在成熟的儿茶酚氧化酶中，由于延伸肽被切断，解除了其对活性中心的屏蔽作用，使得成熟肽具有酶活性.在该晶体结构模型中，成熟肽的晶体结构和延伸肽之间存在大约35个氨基酸残基的区域(342374)，它们的功能尚不清楚，但是这个区域增加了儿茶酚氧化酶立体结构的可塑性，可能在没有断裂的情况下解除延伸肽对活性中心的屏蔽，起到活化前体肽的作用。3 多酚氧化酶的生理功能3. 1 多酚氧化酶在酚类代谢中的作用多酚氧化酶在有氧的条件下催化酚形成醌，从而引起褐化。但是，植物体内大多数多酚氧化酶的活性都是潜在的。这是因为正常组织内细胞中的酚类物质和多酚氧化酶呈区域性分布。鞠志国11等用酶法分离分别测定了莱阳梨原生质体和液泡中的酚类物质含量以及多酚氧化酶的活性，发现液泡是贮存酚类物质的场所且其中不含多酚氧化酶，这为Mayer和Harel关于酚类和多酚氧化酶区域性分布的论点提供了证据。因此，它在酚类物质代谢中的作用主要体现在含有质体和液泡混合液的环境中，具体来说就是衰老和受伤的情况。多酚氧化酶在解释由于受伤而出现醌类物质的快速产生，从而进一步引起褐变死亡具有很明显的生理意义。这种现象在组织培养上很常见4。3. 2 在光合过程中的作用在研究光合作用的过程中，Vaughn等人提出多酚氧化酶中的铜离子可在不同价态间氧化还原传递电子，对于光合和呼吸作用的电子传递有一定的协同作用。但要确认其参与了分子氧光还原过程中的默勒反应尚需进一步深入研究。3. 3 与植物抗病性的关系路兴波等在小麦抗感纹枯病品种酶活性比较研究中指出，多酚氧化酶参与了木质素前体的聚合作用，与植物抗病性密切相关。病原菌侵染能诱导植物体内多酚氧化酶活性升高，促进酚类化合物的大量积累并形成醌，醌的次生反应所产生黑色素的痂可阻止感染的扩散；而酚类化合物是细胞形成木质素的前提，可促进细胞壁和组织的木质化，以抵抗病原菌侵染；还有实验证明O2醌类物质具有抑制细菌繁殖的作用。3. 4 其他生理功能多酚氧化酶能进行去甲基化反应，这对于木质素降解是相当重要的。在层孔属的真菌中，PPO不仅能够降解木质，而且能够聚合木质的氧化产物，在马齿苋属植物和红色甜菜植物中，酪氨酸酶参与-花青素的生物合成；黄色金鱼草中的查尔酮专一性PPO则参与橙酮的合成；PPO还与植物的生长发育过程(如根的形成)以及乙烯的形成有一定联系；PPO还可促进伤口的愈合。4 应用进展及展望由于PPO在植物抗病性上的作用，现在PPO的应用多用于提高植物对病原菌的抗性。目前已比较成功的有:黄瓜对黑星病的抗性，苹果对轮纹病的抗性，香蕉对束顶病的抗性，柠檬对流胶病的抗性，甘薯对蔓割病的抗性，水稻对白叶枯病的抗性等等。PPO与一些水果和作物的褐化有关。PPO是决定红茶品质的关键酶类。工业上通过低温诱导等方式提高PPO的活性以缩短生产时间，提高红茶品质。在啤酒生产过程中，PPO与啤酒风味陈化紧密相关。反之，为了防止荔枝、菠萝等水果的褐化，保持水果新鲜，生产上也运用多种方法来降低水果中PPO活性和含量，例如，涂以抗坏血酸、柠檬酸为主剂的复合护色剂，用沸水烫，套袋等7。多酚氧化酶是生物质体的自源代谢酶类，不仅在生物体的生长期维持自体次生代谢的平衡，也与果蔬采后生理和再加工产品品质有着紧密的联系。控制果蔬汁在加工、储藏过程中的酶促褐变，保留、改善农副产品的营养成分和感官品质符合消费者对健康产品的食用价值需求。当前，人们已经从物料自身酶的活性和酶促反应的辅助因子、外界环境等的控制等多方面入手，找到了多种控制果蔬汁中酶促褐变的有效方法。但是因为不同果蔬物料中的PPO具有特异性，根据果蔬品种的不同，单一的方法存在一定的局限性。随着非热加工技术的发展，超高压、辐照、脉冲场、冰温贮藏等在酶作用机制方面的广泛研究和协同化应用，为果蔬加工过程控制褐变提供了相对广阔的工业化技术和理想方法9。同样，PPO作为茶叶产品加工过程中的重要品质决定因素，随着市场差异化产品的需求，应用新型加工技术及酶工程技术，针对性地创设PPO活性调控的理化条件，充分发挥PPO的生理催化优点，进而专一性改善茶叶产品中某一类成分的含量，提高茶制品的风味和质量，将会是未来新型茶制品开发的一大研究亮点，有着广阔的应用前景。我相信，随着我们对于多酚氧化酶的认识的不断深入，其会被越来越广泛和更好的应用于食品行业，是我们的食品工业大放异彩。参考文献:1 代丽, 宫长荣, 史霖等. 植物多酚氧化酶研究综述J. 植物生理科学, 2007, 23(6): 312-315.2 黄明, 彭世清. 植物多酚氧化酶研究进展M. 广西师范大学学报, 1998, 16(6): 66-70.3 赵淑娟, 王冲波, 傅冬和等. 微生物多酚氧化酶研究进展J. 中国茶叶,2008(3): 18-20.4 赵伶俐, 范崇辉, 葛红等. 植物多酚氧化酶及其活性特征的研究进展M. 西北林学院学报, 2005, 20(3): 156-159.5 雷东锋, 冯怡, 蒋大宗. 植物中多酚氧化酶的特征J. 自然科学进展, 2004, 14(6): 606-611.6 吴红梅, 萧慧, 刘刚等. 多酚氧化酶的研究进展M. 茶业通报, 2004, 24(6): 62-64.7 谢春艳, 宾金华, 陈兆平. 多酚氧化酶及其生理功能M. 生物学通报, 1999, 34(6): 11-13.8 张莉, 陈乃富. 多酚氧化酶的酶学性质及其应用研究M. 安徽农学通报, 2006, 12(12): 29 - 30.9 孔俊豪, 孙庆磊, 涂云飞等. 多酚氧化酶酶学特性研究及其应用进展J. 中国野生植物资源, 2011, 30(4): 13-14.10 贺立红, 宾金华. 高等植物中的多酚氧化酶J. 植物生理学通讯, 2001, 37( 4): 340-345.11 鞠志国. PPO及其底物对梨组织褐变的影响M. 莱阳农学院学报, 1987, 4(2): 42-47.12 武德传, 徐晓燕, 董召荣. 烟草多酚氧化酶及其与烟草品质关系的研究进展J. 安