Laccase ist eine Polyphenoloxidase, die vier Kupferionen enthält. Sie gehört zur Familie der kupferhaltigen Blauen Oxidasen und liegt als monomeres Glykoprotein vor. Laccase kommt in Pilzen, Bakterien und Pflanzen vor und kann auch in der Luft überleben. Das einzige Reaktionsprodukt ist Wasser, weshalb sie im Wesentlichen ein umweltfreundliches Enzym ist. 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.

Abbildung 1. Struktur der Laccase.

Herkunft

Laccase wurde erstmals im Sekret des Lackbaums gefunden und kommt in den Zellwänden vieler höherer Pflanzen vor, wie zum Beispiel in den Knospen von Teeblättern. Laccasen aus höheren Pflanzen werden seltener berichtet als pilzliche Laccasen. Die in der Produktion verwendete Laccase stammt hauptsächlich von Bakterien und Pilzen, wobei die meisten Pilze Laccase absondern. 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 und den Abbau von Schadstoffen in der Umwelt.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Laccase ist ein Kupferprotein, blau, mit einem Molekulargewicht von etwa 120.000 und enthält 4 Kupferatome, die durch CN- gehemmt werden können. 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 pilzliche Laccasen auch Monophenole wie Kresol und Ascorbinsäure oxidieren.

Aktives Zentrum

Das aktive Zentrum besteht aus vier Kupferzentren, die in Typ I, Typ II und Typ III unterteilt sind. Das Tricopper-Ensemble enthält Kupfer vom Typ II und Typ III (siehe Abbildung). Dieses Zentrum bindet O₂ und reduziert es zu Wasser. Jedes Cu(I, II)-Paar überträgt ein Elektron, das für diese Umwandlung benötigt wird. Kupfer vom Typ I bindet nicht an O₂, sondern dient nur als Elektronentransferstelle. Die Kupferzentren vom Typ I bestehen aus einem einzelnen Kupferatom, das mit mindestens zwei Histidinresten und einem Cysteinrest verbunden ist, aber in einigen von bestimmten Pflanzen und Bakterien produzierten Laccasen enthalten die Typ-I-Kupferzentren ein zusätzliches Methionin-Ligand. Die Kupferzentren vom Typ III bestehen aus zwei Kupferatomen, von denen jedes drei Histidin-Liganden besitzt und die durch ein Hydroxid-überbrücktes Ligand miteinander verbunden sind. Das letzte Kupferzentrum ist ein Kupferzentrum vom Typ II, das zwei Histidin-Liganden und ein Hydroxid-Ligand besitzt. Die Kupferzentren vom Typ II und Typ III bilden zusammen einen Drei-Kupfer-Komplex, in dem die Dioxygen-Reduktion stattfindet. Kupfer vom Typ III kann durch Hg(II) ersetzt werden, was zu einer verringerten Laccase-Aktivität führt. Cyanid entfernt alles Kupfer aus dem Enzym, und es hat sich als unmöglich erwiesen, Kupfer vom Typ I und Typ II vollständig einzubetten. Kupfer vom Typ III kann jedoch wieder in das Enzym eingebettet werden. Eine Vielzahl anderer Anionen kann Laccase hemmen. Laccase beeinflusst die Sauerstoffreduktionsreaktion bei niedrigen Überspannungen. Das Enzym wurde als Kathode in Enzym-Brennstoffzellen untersucht. Sie können mit einem Elektronenvermittler gekoppelt werden, um den Elektronentransfer zum festen Elektrodenleiter zu erleichtern. Laccasen gehören zu den wenigen Redoxenzymen, die als industrielle Katalysatoren kommerzialisiert wurden.

Anwendungen

Speisepilzproduktion

Im Produktionsprozess der Speisepilzbrutherstellung kann die Zugabe von Laccase-Präparaten den Abbau von aromatischen Polymerverbindungen wie Lignin beschleunigen, Nährstoffe für das Myzel bereitstellen und als Oxidase am Elektronentransfer des Atmungsprozesses teilnehmen, wodurch mehr Energie bereitgestellt und das Myzelwachstum gefördert wird. Der Organismus synthetisiert, betreibt und akkumuliert Substanzen, wodurch das Wachstum des Myzels beschleunigt und die Zeit der Brutherstellung verkürzt wird. Im Verlauf der Beutelzucht kann das Myzel verfilzen, um mehr Fruchtkörperprimordien zu bilden und den Pilzertrag zu steigern. Während des gesamten Produktionsprozesses können Laccase-Präparate Phenol zu Chinonen oxidieren, die als Toxin gegen Keime wirken und die Kontamination durch Keime hemmen.

Indikator für Botrytis-cinerea-Infektion

Von Botrytis cinerea produzierte Laccase kann verschiedene Formen von Trauben zum Faulen bringen. Wenn Laccase-Aktivität in Traubensaft oder Wein nachgewiesen werden kann, deutet dies darauf hin, dass die für die Produktion verwendeten Rohtrauben mit Botrytis cinerea infiziert sind. Es ist jedoch nicht zuverlässig, den genauen Anteil der Kontamination durch Messung der Enzymaktivität im entsprechenden Traubensaft zu bestimmen, da der Anstieg der Enzymaktivität und die Anzahl der kontaminierten Trauben nicht proportional sind.

Referenz

1. Solomon EI.; et al. Multikupfer-Oxidasen und Oxygenasen. Chemical Reviews. 1996, 96 (7): 2563-2606.