Genomische Analysen zeigten in verschiedenen Basidiomyceten mehrere Gene für blaue Multikupferoxidase(n) (MCO). Inzwischen liegen vollständige Genomsequenzen von saprophytischen Arten, Weiß- und Braunfäulepilzen, tierischen und pflanzlichen Pathogenen sowie Mykorrhizapilzen vor. Die Gesamtzahl der mco-Gene (1 bis 17) und deren Typen variierten zwischen den untersuchten Spezies; ein Zusammenhang zwischen Genverteilung und pilzlichem Lebensstil ließ sich nur schwer herstellen. Ein bestimmter mco-Gentyp kann in einem Pilz vorhanden sein und in einem anderen fehlen. In unterschiedlichen Organismen werden während der Artbildung unterschiedliche Gentypen dupliziert. Phylogenetische Analysen definieren verschiedene Laccase-Subfamilien (u. a. spezifisch für Agaricus blazei), die klassische, Fe²⁺-oxidierende, Fet3-ähnliche Eisenoxidase, eine potenzielle Eisenoxidase/Laccase mit einer oder beiden Enzymfunktionen sowie unterschiedliche Subfamilien pigmentassoziierter MCO-Cluster-Enzyme und eine putative Ascorbatoxidase. Laccasen im engeren Sinne stehen aufgrund ihrer vermuteten Rolle beim Abbau von Holz, Stroh und pflanzlicher Streu sowie des großen biotechnologischen Interesses an diesen Enzymen im Fokus. Die biologischen Funktionen von Laccasen und anderen MCOs werden jedoch selten detailliert diskutiert. Vorgeschlagen werden Funktionen in Substratabbau, Symbiose- und Pathogeninteraktionen, Entwicklung, Pigmentierung und Kupferhomöostase. In den meisten Fällen ist die Evidenz für biologische Funktionen aufgrund der Relevanz von Expressionsdaten eher indirekt. Mehrere Faktoren erschweren die Untersuchung biologischer Funktionen, darunter die Schwierigkeit, ein geeignetes biologisches System für molekulare Untersuchungen zu definieren, das meist breite und stark überlappende Substratspektrum der Multikupferoxidasen, unzureichendes Verständnis natürlicher Substrate, geringe oder multiple Expression schwer zugänglicher Enzyme sowie die Herausforderungen der heterologen Expression.

Abbildung 1. Kristallstrukturen der E.-coli-Laccase CueO unter unterschiedlichen Kupferbindungsbedingungen.

1. Ceruloplasmin

Ceruloplasmin ist ein kupferhaltiges α₂-Glykoprotein mit einem Molekulargewicht von etwa 120.000 bis 160.000, das sich nur schwer reinigen lässt. Es handelt sich um ein einkettiges Polypeptid, das pro Molekül 6–7 Kupferatome enthält. Aufgrund des Kupfers ist es blau und enthält etwa 10 % Kohlenhydrate. Die terminale Sialinsäure ist an die Polypeptidkette gebunden; zudem besteht ein genetischer Polymorphismus. Ceruloplasmin reguliert die Verteilung von Kupfer in verschiedenen Körperkompartimenten, ist an der Synthese kupferhaltiger Enzymproteine beteiligt, wirkt antioxidativ, besitzt Oxidaseaktivität und kann die Oxidation von Polyphenolen und Polyamin-Substraten katalysieren. Allgemein wird angenommen, dass Ceruloplasmin in der Leber synthetisiert wird; ein Teil wird über die Gallenwege ausgeschieden, während der Urinanteil sehr gering ist. Die Bestimmung von Ceruloplasmin hat eine gewisse Bedeutung für die Diagnostik bestimmter Erkrankungen der Leber, Gallenblase, Niere und anderer Organe.

2. Laccase

Laccase ist eine Polyphenoloxidase, die vier Kupferionen enthält. Sie gehört zu den blauen Kupferoxidasen und liegt als monomeres Glykoprotein vor. Laccasen kommen in Pilzen, Bakterien und Pflanzen vor und können auch in der Luft stabil sein. Das einzige Reaktionsprodukt ist Wasser, weshalb es sich im Wesentlichen um ein umweltfreundliches Enzym handelt. Die besonderen katalytischen Eigenschaften der Laccase führen zu einem breiten Einsatz in der biologischen Analytik; als effizienter Biosensor stellt sie ein wirksames Werkzeug zur Analyse von Substraten, Coenzymen und Inhibitoren dar. Mit der in den letzten Jahren zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes ist Laccase zu einem wichtigen Forschungsgegenstand geworden. Laccase ist ein blaues Kupferprotein mit einem Molekulargewicht von etwa 120.000 und enthält vier Kupferatome; sie kann durch CN⁻ inhibiert werden. Laccase kann Polyphenole oxidieren, die Methoxy-Substitution von Phenolen und Diaminen fördern und nahezu alle Substrate mit einer p-Polyphenol-ähnlichen Struktur oxidieren. Darüber hinaus können einige pilzliche Laccasen auch Monophenole wie Cresol sowie Ascorbinsäure oxidieren.

Abbildung 2. L-Ascorbatoxidase.

3. Ascorbatoxidase

Ascorbatoxidase ist ein kupferhaltiges Enzym, das im Zytoplasma lokalisiert oder an die Zellwand gebunden ist und in Kopplung mit anderen Redoxreaktionen als terminale Oxidase wirkt. Es kann die Oxidation von Ascorbinsäure katalysieren und besitzt Anti-Aging-Effekte. Es spielt eine wichtige Rolle im Stoffwechsel. Unter der Katalyse dieses Enzyms kann molekularer Sauerstoff Ascorbinsäure zu Dehydroascorbinsäure oxidieren; das Enzym ist im Zytosol und in der Zellwand vorhanden und enthält Kupfer.

4. Nitritreduktase

Nitritreduktasen (NiRs) sind eine Enzymklasse, die die Reduktion von Nitrit katalysiert. Die meisten Nitritreduktasen sind intrazelluläre Enzyme und können Nitrit in der Zelle effektiv abbauen. Dieses Enzym ist eine Oxidoreduktase. Der katalytische Reaktionsablauf erfordert die Beteiligung von Elektronendonoren und -überträgern, und die Reaktion erfolgt unter Sauerstoffbedingungen. Nitritreduktasen sind in Mikroorganismen und Pflanzen weit verbreitet und ein Schlüsselenzym im natürlichen Stickstoffkreislauf. Sie können Nitrit zu NO oder NH₃ reduzieren und dadurch die Anreicherung von Nitritstickstoff in der Umwelt sowie die daraus resultierenden toxischen Effekte auf Organismen verringern.

Abbildung 3. Proteinstruktur von Nitritreduktasen.

Referenz

1. Bento I.; et al. Dioxygen reduction by multi-copper oxidases; a structural perspective. Dalton Transactions. 2005, (21): 3507-13.