LACCASES: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, FUNKTIONEN - WISSENSCHAFT - 2026

Die Laccasen p-Diphenol: Oxidoreduktasen Disauerstoff-Benzoldiol-Sauerstoffoxidoreduktasen oder sind Enzyme, die zur Gruppe der Enzyme gehören, die als Oxidasen "blaue Kupferoxidasen" bezeichnet werden.

Sie kommen in höheren Pflanzen, in einigen Insekten, in Bakterien und in praktisch allen untersuchten Pilzen vor; seine charakteristische blaue Farbe ist das Produkt von vier Kupferatomen, die an seiner katalytischen Stelle an das Molekül gebunden sind.

Grafische Darstellung der Molekülstruktur eines Laccase-Enzyms (Quelle: Jawahar Swaminathan und MSD-Mitarbeiter am European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Diese Enzyme wurden von Yoshida et al. 1883 beschrieben, als sie das Harz des japanischen Rhus vernicifera-Baums oder "Lackbaums" untersuchten, wobei festgestellt wurde, dass ihre Hauptfunktion darin bestand, Polymerisations- und Depolymerisationsreaktionen von Verbindungen zu katalysieren.

Viel später wurde entdeckt, dass diese Proteine ​​mit enzymatischer Aktivität in Pilzen spezifische Funktionen bei den Mechanismen der Entfernung toxischer Phenole aus der Umgebung haben, in der sie wachsen, während sie in Pflanzen an Synthesevorgängen wie der Verholzung beteiligt sind.

Wissenschaftliche Fortschritte bei der Untersuchung dieser Enzyme ermöglichten ihre Verwendung auf industrieller Ebene, wo ihre katalytische Kapazität genutzt wurde, insbesondere im Zusammenhang mit der Bioremediation, Textilien, bei der Entfernung von Farbstoffen, die auf Textilien aufgebracht wurden, unter anderem in der Papierindustrie Andere.

Die Hauptgründe, warum Laccasen aus industrieller Sicht so interessant sind, haben damit zu tun, dass ihre Oxidationsreaktionen lediglich die Reduktion von molekularem Sauerstoff und die Produktion von Wasser als sekundäres Element beinhalten.

Eigenschaften

Laccaseenzyme können im intrazellulären Bereich sekretiert oder gefunden werden, dies hängt jedoch vom untersuchten Organismus ab. Trotzdem sind die meisten analysierten Enzyme (mit Ausnahme einiger Proteine ​​von bestimmten Pilzen und Insekten) extrazelluläre Proteine.

Verteilung

Diese Enzyme kommen, wie oben diskutiert, überwiegend in Pilzen, höheren Pflanzen, Bakterien und einigen Insektenarten vor.

Zu den Pflanzen, bei denen seine Existenz nachgewiesen wurde, gehören unter anderem Apfelbäume, Spargel, Kartoffeln, Birnen, Mangos, Pfirsiche, Kiefern, Pflaumen. Laccase-exprimierende Insekten gehören hauptsächlich zu den Gattungen Bombyx, Calliphora, Diploptera, Drosophila, Musca, Papilio, Rhodnius und anderen.

Pilze sind die Organismen, aus denen die größte Anzahl und Vielfalt von Laccasen isoliert und untersucht wurde, und diese Enzyme sind sowohl in Ascomyceten als auch in Deuteromyceten und Basidiomyceten vorhanden.

Katalyse

Die durch Laccasen katalysierte Reaktion besteht in der monoelektronischen Oxidation eines Substratmoleküls, das zur Gruppe der Phenole, aromatischen Verbindungen oder aliphatischen Amine gehören kann, zu seinem entsprechenden reaktiven Radikal.

Das Ergebnis der katalytischen Reaktion ist die Reduktion eines Sauerstoffmoleküls zu zwei Wassermolekülen und gleichzeitig die Oxidation von vier Substratmolekülen unter Bildung von vier reaktiven freien Radikalen.

Freie Zwischenradikale können binden und Dimere, Oligomere oder Polymere bilden, weshalb Laccasen Polymerisations- und "Depolymerisations" -Reaktionen katalysieren sollen.

Struktur

Laccasen sind Glykoproteine, dh sie sind Proteine, deren Oligosaccharidreste kovalent an die Polypeptidkette gebunden sind und die zwischen 10 und 50% des Gesamtgewichts des Moleküls ausmachen (bei pflanzlichen Enzymen kann der Prozentsatz etwas höher sein). .

Der Kohlenhydratanteil dieser Art von Protein enthält Monosaccharide wie Glucose, Mannose, Galactose, Fucose, Arabinose und einige Hexosamine, und es wird angenommen, dass die Glykosylierung eine wichtige Rolle bei der Sekretion, der proteolytischen Empfindlichkeit, der Aktivität, der Kupferretention und spielt die thermische Stabilität des Proteins.

Diese Enzyme kommen in der Natur im Allgemeinen als Monomere oder Homodimere vor, und das Molekulargewicht jedes Monomers kann zwischen 60 und 100 kDa variieren.

Das katalytische Zentrum von Laccasen besteht aus vier Kupfer (Cu) -Atomen, die dem Molekül aufgrund der elektronischen Absorption in den Kupfer-Kupfer (Cu-Cu) -Bindungen im Allgemeinen eine blaue Farbe verleihen.

Pflanzliche Laccasen haben isoelektrische Punkte mit Werten nahe 9 (ziemlich basisch), während Pilzenzyme zwischen isoelektrischen Punkten von 3 und 7 liegen (es handelt sich also um Enzyme, die unter sauren Bedingungen arbeiten).

Isoenzyme

Viele Laccase-produzierende Pilze haben auch Laccase-Isoformen, die von demselben Gen oder von verschiedenen Genen codiert werden. Diese Isoenzyme unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Stabilität, ihrem optimalen pH-Wert und ihrer optimalen Temperatur für die Katalyse sowie ihrer Affinität zu verschiedenen Substrattypen.

Unter bestimmten Bedingungen können diese Isoenzyme unterschiedliche physiologische Funktionen haben, dies hängt jedoch von der Art oder dem Zustand ab, in dem sie leben.

Eigenschaften

Einige Forscher haben gezeigt, dass Laccasen an der "Sklerotisierung" der Nagelhaut bei Insekten und der Ansammlung von Sporen beteiligt sind, die gegen ultraviolettes Licht in Mikroorganismen der Gattung Bacillus resistent sind.

In Pflanzen

In pflanzlichen Organismen sind Laccasen an der Bildung der Zellwand, an den Prozessen der Verholzung und "Delignifizierung" (Verlust oder Zerfall von Lignin) beteiligt; und außerdem wurden sie mit der Entgiftung von Geweben durch Oxidation von antimykotischen Phenolen oder der Deaktivierung von Phytoalexinen in Verbindung gebracht.

In Pilzen

Laccasen, die in dieser Gruppe von Organismen sehr häufig vorkommen, sind an einer Vielzahl von zellulären und physiologischen Prozessen beteiligt. Unter diesen können wir den Schutz der pathogenen Pilze der Tannine und der pflanzlichen „Phytoalexine“ erwähnen; Man kann also sagen, dass diese Enzyme für Pilze Virulenzfaktoren sind.

Laccasen haben auch Funktionen bei der Morphogenese und Differenzierung der Resistenz- und Sporenstrukturen von Basidiomyceten sowie beim biologischen Abbau von Lignin in Pilzen, die Gewebe von Holzpflanzenarten abbauen.

Gleichzeitig sind Laccasen an der Bildung von Pigmenten im Myzel und in den Fruchtkörpern vieler Pilze beteiligt und tragen zu Zell-Zell-Adhäsionsprozessen, zur Bildung des polyphenolischen „Klebers“, der Hyphen bindet, und zur Umgehung bei. des Immunsystems von Wirten, die mit pathogenen Pilzen infiziert sind.

In der Industrie

Diese speziellen Enzyme werden industriell für verschiedene Zwecke verwendet, aber die herausragendsten entsprechen der Textil- und Papierindustrie sowie der biologischen Sanierung und Dekontamination von Abwasser, das durch andere industrielle Prozesse erzeugt wird.

Insbesondere werden diese Enzyme häufig zur Oxidation von Phenolen und ihren Derivaten verwendet, die in mit Industrieabfällen kontaminiertem Wasser vorhanden sind, dessen Katalyseprodukte unlöslich (polymerisiert) sind und ausfallen, wodurch sie leicht trennbar sind.

In der Lebensmittelindustrie sind sie auch von einiger Bedeutung, da die Entfernung von Phenolverbindungen zur Stabilisierung von Getränken wie Wein, Bier und natürlichen Säften notwendig ist.

Sie werden in der Kosmetikindustrie, bei der chemischen Synthese vieler Verbindungen, bei der Bodenbioremediation und in der Nanobiotechnologie eingesetzt.

Die am weitesten verbreiteten sind Laccase aus Pilzen, aber kürzlich wurde festgestellt, dass bakterielle Laccase aus industrieller Sicht hervorstechendere Eigenschaften aufweist; Sie sind in der Lage, mit einer größeren Vielfalt von Substraten und in viel größeren Temperatur- und pH-Bereichen zu arbeiten und sind gegenüber Inhibitoren viel stabiler.

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