Laccase ist eine Polyphenoloxidase, die vier Kupferionen enthält. Sie gehört zu den blauen Kupferoxidase(n) und liegt als monomeres Glykoprotein vor. Laccase kommt in Pilzen, Bakterien und Pflanzen vor und kann auch in der Luft überdauern. Das einzige Reaktionsprodukt ist Wasser, sodass es sich im Wesentlichen um ein umweltfreundliches Enzym handelt. Die einzigartigen katalytischen Eigenschaften der Laccase führen zu einer breiten Anwendung in der biologischen Detektion; als effizienter Biodetektor stellt sie ein wirksames Instrument und Verfahren zur Analyse von Komponenten wie Substraten, Coenzymen und Inhibitoren dar. Da dem Umweltschutz in den letzten Jahren zunehmend Bedeutung beigemessen wird, ist Laccase in jüngerer Zeit zum Forschungsgegenstand vieler Wissenschaftler geworden.

Abbildung 1. Struktur der Laccase.

Herkunft

Laccase wurde erstmals im Sekret des Lackbaums nachgewiesen und ist in den Zellwänden vieler höherer Pflanzen vorhanden, beispielsweise in den Knospen von Teeblättern. Über Laccasen aus höheren Pflanzen wird seltener berichtet als über pilzliche Laccasen. Die in der Produktion eingesetzte Laccase stammt überwiegend aus Bakterien und Pilzen; die meisten Pilze sezernieren Laccase. Die wichtigsten Produktionsstämme im In- und Ausland sind Weißfäulepilze. Die inländische Forschung zur Anwendung von Laccase konzentriert sich hauptsächlich auf den Abbau von Lignin, die Zellstoffbleiche, die Entfärbung von Farbstoffabwasser sowie den Abbau toxischer Umweltkontaminanten.

Physikalisch-chemische Eigenschaften

Laccase ist ein Kupferprotein, blau gefärbt, mit einer Molekülmasse 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 ähnlichen Struktur wie p-Polyphenole oxidieren. Darüber hinaus können einige pilzliche Laccasen auch Monophenole wie Cresol sowie Ascorbinsäure oxidieren.

Aktives Zentrum

Das aktive Zentrum besteht aus vier Kupferzentren, die eine in Typ I, Typ II und Typ III unterteilte Struktur aufweisen. Das Trikupfer-Ensemble umfasst Kupfer der Typen II und III (siehe Abbildung). Dieses Zentrum bindet O₂ und reduziert es zu Wasser. Jedes Cu(I/II)-Paar überträgt dabei ein für diese Umwandlung erforderliches Elektron. Typ-I-Kupfer bindet nicht an O₂, sondern dient ausschließlich als Elektronentransferstelle. Typ-I-Kupferzentren bestehen aus einem einzelnen Kupferatom, das mit mindestens zwei Histidinresten und einem Cysteinrest koordiniert ist; bei einigen von bestimmten Pflanzen und Bakterien produzierten Laccasen enthält das Typ-I-Kupferzentrum zusätzlich einen Methionin-Liganden. Typ-III-Kupferzentren bestehen aus zwei Kupferatomen, von denen jedes drei Histidin-Liganden besitzt; beide sind über einen Hydroxid-überbrückten Liganden miteinander verbunden. Das letzte Kupferzentrum ist ein Typ-II-Kupferzentrum mit zwei Histidin-Liganden und einem Hydroxid-Liganden. Typ-II- und Typ-III-Kupferzentren bilden zusammen einen Drei-Kupfer-Komplex, an dem die Reduktion von Dioxygen stattfindet. Typ-III-Kupfer kann durch Hg(II) ersetzt werden, was zu einer verminderten Laccase-Aktivität führt. Cyanid entfernt sämtliches Kupfer aus dem Enzym; es hat sich als unmöglich erwiesen, Typ-I- und Typ-II-Kupfer vollständig wieder einzubauen. Typ-III-Kupfer kann jedoch wieder in das Enzym eingebaut werden. Eine Vielzahl weiterer Anionen kann Laccase inhibieren. Laccase beeinflusst die Sauerstoffreduktionsreaktion bei geringer Überspannung. Das Enzym wurde als Kathode in enzymatischen Biobrennstoffzellen untersucht. Es kann mit einem Elektronenmediator kombiniert werden, um den Elektronentransfer zur festen Elektrodenleitung zu erleichtern. Laccasen gehören zu den wenigen Redoxenzymen, die als industrielle Katalysatoren kommerzialisiert wurden.

Anwendungen

Produktion von Speisepilzen

Im Herstellungsprozess von Speisepilzbrut kann die Zugabe eines Laccase-Präparats den Abbau aromatischer Polymerverbindungen wie Lignin beschleunigen, dem Myzel Nährstoffe bereitstellen und als Oxidase am Elektronentransfer des Atmungsprozesses teilnehmen, wodurch mehr Energie bereitgestellt und die Myzelbildung gefördert wird. Der Organismus synthetisiert, verstoffwechselt und akkumuliert dadurch Substanzen, was das Myzelwachstum beschleunigt und die Zeit für die Brutproduktion verkürzt. Bei der Beutelkultivierung kann das Myzel zur Bildung von mehr Fruchtkörperprimordien angeregt und der Ertrag an Pilzen erhöht werden. Während des gesamten Produktionsprozesses können Laccase-Präparate Phenole zu Chinonen oxidieren, die als toxische Substanzen gegen Keime wirken und eine mikrobielle Kontamination hemmen.

Indikator für eine Botrytis-cinerea-Infektion

Von Botrytis cinerea produzierte Laccase kann verschiedene Formen der Traubenfäule verursachen. Wenn in Traubensaft oder Wein eine Laccase-Aktivität nachweisbar ist, deutet dies darauf hin, dass die zur Herstellung verwendeten Rohtrauben mit Botrytis cinerea infiziert sind. Es ist jedoch nicht zuverlässig, den exakten Kontaminationsanteil anhand der Enzymaktivität im entsprechenden Traubensaft zu bestimmen, da der Anstieg der Enzymaktivität und die Anzahl kontaminierter Trauben nicht proportional zueinander sind.

Referenz

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