Die genomische Analyse zeigte mehrere Gene der blauen Polycopper-Oxidase (MCO) in verschiedenen Basidiomyceten. Das vollständige Genom ist nun von saprophytischen, Weiß- und Braunfäulearten, tierischen und pflanzlichen Pathogenen sowie Mykorrhizapilzen verfügbar. Die Gesamtzahl der mco-Gene (von 1 bis 17) und deren Typen unterschieden sich zwischen den analysierten Arten, und es war nicht einfach, den Zusammenhang zwischen der Genverteilung und dem Lebensstil der Pilze zu erkennen. Der Typ des mco-Gens kann in einem Pilz vorhanden sein und in einem anderen fehlen. In verschiedenen Organismen werden während der Artbildung unterschiedliche Genarten reproduziert. Die phylogenetische Analyse definiert verschiedene Laccase-Unterfamilien (spezifisch für Agaricus blazei), die klassische Fe2++-oxidierte Fet3-ähnliche Eisenoxidase, eine potenzielle Eisenoxidase/Laccase, die eine oder beide dieser Enzymfunktionen zeigt, sowie verschiedene Unterfamilien von MCO-aggregierten Enzymen und mutmaßliche Ascorbatoxidase. Laccasen im engeren Sinne sind Laccasen im engeren Sinne aufgrund ihrer vorgeschlagenen Rolle beim Abbau von Holz, Stroh und Pflanzenstreu sowie des großen Interesses an diesen Enzymen in der Biotechnologie. Die biologischen Funktionen von Laccase und anderen MCOs werden jedoch selten erwähnt. Vorgeschlagen werden Funktionen wie Substratabbau, Symbiose und Pathogeninteraktion, Entwicklung, Pigmentierung und Kupferhomöostase. In den meisten Fällen ist der Nachweis der biologischen Funktion aufgrund der Relevanz der Expression eher indirekt. Verschiedene Faktoren erschweren die Untersuchung biologischer Funktionen, wie die Schwierigkeit, ein geeignetes biologisches System für molekulare Forschung zu definieren, das Substratspektrum von Multicopper-Oxidasen weist meist eine große Überlappung auf, unzureichendes Verständnis natürlicher Substrate, schwer oder mehrfach exprimierbare Enzyme und die Schwierigkeit der heterologen Expression von Enzymen.

Abbildung 1. Kristallstrukturen der E. coli Laccase CueO unter verschiedenen Kupferbindungszuständen.

1. Ceruloplasmin

Ceruloplasmin ist ein kupferhaltiges α₂-Glykoprotein mit einem Molekulargewicht von etwa 120.000 bis 160.000, das schwer zu reinigen ist. Es handelt sich um ein Einzelketten-Polypeptid, das 6–7 Kupferatome pro Molekül enthält. Es ist aufgrund des Kupfers blau und enthält etwa 10 % Zucker. Die terminale Sialinsäure ist an die Polypeptidkette gebunden und weist genetischen Polymorphismus auf. Seine Rolle besteht darin, die Verteilung von Kupfer in verschiedenen Körperbereichen zu regulieren, kupferhaltige Enzymproteine zu synthetisieren, es wirkt als Antioxidans, besitzt Oxidaseaktivität und kann die Oxidation von Polyphenolen und Polyaminsubstraten katalysieren. Es wird allgemein angenommen, dass Ceruloplasmin in der Leber synthetisiert wird, ein Teil davon wird über die Gallenwege ausgeschieden, und der Uringehalt ist sehr gering. Die Bestimmung von Aeruginin hat eine gewisse Bedeutung für die Diagnose bestimmter Leber-, Gallenblasen-, Nieren- und anderer Erkrankungen.

2. Laccase

Laccase ist eine Polyphenoloxidase, die vier Kupferionen enthält. Sie gehört zu den blauen Kupferoxidase und liegt als Monomer-Glykoprotein vor. Laccase kommt in Pilzen, Bakterien und Pflanzen vor und kann auch in der Luft überleben. Das einzige Produkt nach der Reaktion ist Wasser, daher ist sie im Wesentlichen ein umweltfreundliches Enzym. Die einzigartigen katalytischen Eigenschaften der Laccase machen sie in der biologischen Detektion weit verbreitet, und als effizienter Biodetektor wird sie zu einem effektiven Werkzeug und Mittel für die Analyse von Komponenten wie Substraten, Coenzymen und Inhibitoren. Da das Umweltbewusstsein in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, ist Laccase in den letzten Jahren zum Forschungsobjekt vieler Wissenschaftler geworden. Laccase ist ein Kupferprotein, blau, mit einem Molekulargewicht von etwa 120.000 und enthält 4 Kupferatome, das durch CN- gehemmt werden kann. Laccase kann Polyphenole oxidieren, die Methoxy-Substitution von Phenol und Diamin fördern und fast alle Substrate mit ähnlicher Struktur wie p-Polyphenol oxidieren. Darüber hinaus können einige Pilzlaccasen auch Monophenole wie Kresol und Ascorbinsäure oxidieren.

Abbildung 2. L-Ascorbatoxidase.

3. Ascorbatoxidase

Ascorbatoxidase ist ein kupferhaltiges Enzym, das sich im Zytoplasma befindet oder mit der Zellwand verbunden ist und mit anderen Redoxreaktionen gekoppelt als terminale Oxidase wirkt. Sie kann die Oxidation von Ascorbinsäure katalysieren und hat eine Anti-Aging-Wirkung. Sie spielt eine wichtige Rolle im Stoffwechsel von Substanzen. Unter der Katalyse dieses Enzyms kann molekularer Sauerstoff Ascorbinsäure zu Dehydroascorbinsäure oxidieren, die im Zytosol und in der Zellwand vorkommt, und das Enzym enthält Kupfer.

4. Nitritreduktase

Nitritreduktasen (NiRs) sind eine Klasse von Enzymen, die die Reduktion von Nitrit katalysieren. Die meisten Nitritreduktasen sind intrazelluläre Enzyme, die Nitrit in der Zelle effektiv abbauen können. Dieses Enzym ist eine Oxidoreduktase. Der katalytische Reaktionsprozess erfordert die Beteiligung von Elektronendonoren und -überträgern, und die Reaktion benötigt Sauerstoffbedingungen. Nitritreduktase ist weit verbreitet in Mikroorganismen und Pflanzen und ist ein Schlüsselenzym im Stickstoffkreislauf der Natur. Sie kann Nitrit zu NO oder NH3 abbauen und so die Anreicherung von Nitritstickstoff in der Umwelt verringern und die daraus resultierenden toxischen Wirkungen auf Organismen reduzieren.

Abbildung 3. Proteinstruktur von Nitritreduktasen.

Referenz

1. Bento I.; et al. Dioxygen-Reduktion durch Multikupfer-Oxidasen; eine strukturelle Perspektive. Dalton Transactions. 2005, (21): 3507-13.