Laccase ist eine Polyphenoloxidase, die vier Kupferionen enthält. Sie gehört zur Gruppe der kupferblauen Oxidasen und existiert als Monomer-Glykoprotein. Laccase kommt in Pilzen, Bakterien und Pflanzen vor und kann auch in der Luft überleben. Das einzige Produkt nach der Reaktion ist Wasser, sodass es sich im Wesentlichen um ein umweltfreundliches Enzym handelt. Die einzigartigen katalytischen Eigenschaften von Laccase machen sie weit verbreitet in der biologischen Detektion, und als effizienter Biodetektor wird sie zu einem effektiven Werkzeug und Mittel für die Analyse von Komponenten wie Substraten, Coenzymen und Inhibitoren. Da das Bewusstsein für Umweltschutz in den letzten Jahren allmählich an Bedeutung gewonnen hat, ist Laccase in den letzten Jahren zum Forschungsobjekt vieler Wissenschaftler geworden.

Abbildung 1. Struktur von Laccase.

Ursprung

Laccase wurde erstmals in der Sekretion des Lackbaums gefunden und kommt in den Zellwänden vieler höherer Pflanzen vor, wie zum Beispiel in den Knospen von Teeblättern. Laccasen, die aus höheren Pflanzen stammen, werden seltener berichtet als Pilz-Laccasen. Die in der Produktion verwendete Laccase stammt hauptsächlich aus Bakterien und Pilzen, wobei die meisten Pilze Laccase sekretieren. Die Hauptproduktionsstämme im In- und Ausland sind Weißfäule-Pilze. Die nationale Forschung zur Anwendung von Laccase konzentriert sich hauptsächlich auf den Abbau von Lignin, die Bleichung von Zellstoff, die Entfärbung von Farbabwasser und den Abbau von giftigen Substanzen in der Umwelt.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Laccase ist ein Kupferprotein, blau, mit einem Molekulargewicht von etwa 120.000 und enthält 4 atomare Kupfer, die durch CN- gehemmt werden können. Laccase kann Polyphenole oxidieren, die Methoxyersetzung von Phenol und Diamin fördern und fast alle Substrate mit ähnlicher Struktur wie p-Polyphenol oxidieren. Darüber hinaus können einige Pilz-Laccasen auch Monophenole wie Kresol und Ascorbinsäure oxidieren.

Aktives Zentrum

Das aktive Zentrum besteht aus vier Kupferzentren, die eine Struktur aufweisen, die in Typ I, Typ II und Typ III unterteilt ist. Das Trikupfer-Ensemble enthält Typ II und Typ III Kupfer (siehe Bild). Es ist dieses Zentrum, das O₂ bindet und es zu Wasser reduziert. Jedes Cu (I, II) Paar überträgt ein Elektron, das für diese Umwandlung erforderlich ist. Typ 1 Kupfer bindet nicht an O₂, sondern dient nur als Elektronentransferstelle. Typ I Kupferzentren bestehen aus einem einzelnen Kupferatom, das mit mindestens zwei Histidin-Resten und einem Cystein-Rest verbunden ist, aber in einigen Laccasen, die von bestimmten Pflanzen und Bakterien produziert werden, enthalten Typ I Kupferzentren ein zusätzliches Methionin-Ligand. Typ III Kupferzentren bestehen aus zwei Kupferatomen, von denen jedes drei Histidin-Liganden hat und durch einen hydroxid-bridged Liganden miteinander verbunden ist. Das letzte Kupferzentrum ist ein Typ II Kupferzentrum, das zwei Histidin-Liganden und einen Hydroxid-Liganden hat. Typ II und Typ III Kupferzentren bilden zusammen einen Drei-Kupfer-Komplex, in dem die Reduktion von Dioxygen erfolgt. Typ III Kupfer kann durch Hg (II) ersetzt werden, was zu einer verringerten Laccase-Aktivität führt. Cyanid entfernt sämtliches Kupfer aus dem Enzym, und es hat sich als unmöglich erwiesen, Typ I und Typ II Kupfer vollständig einzubetten. Typ III Kupfer kann jedoch wieder in das Enzym eingebettet werden. Eine Vielzahl anderer Anionen kann Laccase hemmen. Laccase beeinflusst die Sauerstoffreduktionsreaktion bei niedrigem Überspannung. Das Enzym wurde als Kathode in enzymatischen Brennstoffzellen untersucht. Sie können mit einem Elektronentransfervermittler gekoppelt werden, um den Elektronentransfer zum festen Elektrodenleiter zu erleichtern. Laccasen sind einige der wenigen Redoxenzyme, die als industrielle Katalysatoren kommerzialisiert wurden.

Anwendungen

Produktion von essbaren Pilzen

Im Produktionsprozess der Saatgutproduktion von essbaren Pilzen kann die Zugabe von Laccase-Präparaten den Abbau von aromatischen Polymerverbindungen wie Lignin beschleunigen, Nährstoffe für das Myzel bereitstellen und am Elektronentransfer des Atmungsprozesses als Oxidase teilnehmen, wodurch mehr Energie bereitgestellt und das Myzel gefördert wird. Der Körper synthetisiert, betreibt und akkumuliert Substanzen, wodurch das Wachstum des Myzels beschleunigt und die Zeit der Saatgutproduktion verkürzt wird. Im Prozess der Beutelzucht kann das Myzel geknickt werden, um mehr Fruchtkörperprimordien zu bilden und den Ertrag von Pilzen zu erhöhen. Während des gesamten Produktionsprozesses können Laccase-Präparate Phenol in Chinone oxidieren, die als Toxin wirken, das Keime abwehrt und die Keimkontamination hemmt.

Indikator für Botrytis cinerea-Infektion

Die von Botrytis cinerea produzierte Laccase kann verschiedene Formen von Trauben zum Faulen bringen. Wenn die Laccase-Aktivität im Traubensaft oder Wein nachgewiesen werden kann, deutet dies darauf hin, dass die zur Produktion verwendete Rohtraube von Botrytis cinerea infiziert ist. Es ist jedoch nicht zuverlässig, den genauen Anteil der Kontamination zu bestimmen, indem die Menge der Enzymaktivität im entsprechenden Traubensaft gemessen wird, da der Anstieg der Enzymaktivität und die Anzahl der kontaminierten Trauben unverhältnismäßig sind.

Referenz

1. Solomon EI.; et al. Multicopper Oxidases and Oxygenases. Chemical Reviews. 1996, 96 (7): 2563-2606.