LACCASES: KENMERKEN, STRUCTUUR, FUNCTIES - WETENSCHAP - 2025

De laccases , p-difenol: oxidoreductases, dizuurstof-benzeendiol, zuurstofoxidoreductases , of, zijn enzymen die behoren tot de groep van enzymen die oxidasen "blauwe koperoxidasen" worden genoemd.

Ze komen voor in hogere planten, bij sommige insecten, in bacteriën en in praktisch alle onderzochte schimmels; zijn karakteristieke blauwe kleur is het product van vier koperatomen die op zijn katalytische plaats aan het molecuul zijn gehecht.

Grafische weergave van de moleculaire structuur van een Laccase-enzym (Bron: Jawahar Swaminathan en MSD-medewerkers van het European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Deze enzymen werden beschreven door Yoshida et al. In 1883, toen ze de hars van de Japanse Rhus vernicifera-boom of "lakboom" bestudeerden, waarbij werd vastgesteld dat hun belangrijkste functie was om polymerisatie- en depolymerisatiereacties van verbindingen te katalyseren.

Veel later werd ontdekt dat deze eiwitten met enzymatische activiteit in schimmels specifieke functies hebben in de mechanismen voor het verwijderen van giftige fenolen uit de omgeving waarin ze groeien, terwijl ze in planten betrokken zijn bij synthetische processen zoals verhouting.

Wetenschappelijke vooruitgang met betrekking tot de studie van deze enzymen maakte hun gebruik op industrieel niveau mogelijk, waar hun katalytische capaciteit werd gebruikt, vooral in de context van bioremediatie, textiel, bij het verwijderen van kleurstoffen die op textiel werden aangebracht, in de papierindustrie, onder meer anderen.

De belangrijkste redenen waarom laccases zo interessant zijn vanuit industrieel oogpunt, hebben te maken met het feit dat hun oxidatiereacties eenvoudigweg de reductie van moleculaire zuurstof en de productie van water als secundair element omvatten.

kenmerken

Laccase-enzymen kunnen worden uitgescheiden of gevonden in het intracellulaire gebied, maar dit hangt af van het organisme dat wordt bestudeerd. Desondanks zijn de meeste geanalyseerde enzymen (met uitzondering van enkele eiwitten van bepaalde schimmels en insecten) extracellulaire eiwitten.

Distributie

Deze enzymen worden, zoals hierboven besproken, voornamelijk aangetroffen in schimmels, hogere planten, bacteriën en sommige soorten insecten.

Onder de planten waarvan het bestaan ​​is aangetoond, zijn onder andere appelbomen, asperges, aardappelen, peren, mango's, perziken, dennen, pruimen. Insecten die laccase tot expressie brengen behoren voornamelijk tot de geslachten Bombyx, Calliphora, Diploptera, Drosophila, Musca, Papilio, Rhodnius en anderen.

Schimmels zijn de organismen waaruit het grootste aantal en de grootste verscheidenheid aan laccases is geïsoleerd en bestudeerd, en deze enzymen zijn aanwezig in zowel ascomyceten als deuteromyceten en basidiomyceten.

Katalyse

De door laccasen gekatalyseerde reactie bestaat uit de mono-elektronische oxidatie van een substraatmolecuul, dat kan behoren tot de groep van fenolen, aromatische verbindingen of alifatische aminen, tot het overeenkomstige reactieve radicaal.

Het resultaat van de katalytische reactie is de reductie van één zuurstofmolecuul tot twee watermoleculen en de oxidatie, tegelijkertijd, van vier substraatmoleculen om vier reactieve vrije radicalen te produceren.

Tussenliggende vrije radicalen kunnen dimeren, oligomeren of polymeren binden en vormen, en daarom wordt gezegd dat laccases polymerisatie- en "depolymerisatiereacties" katalyseren.

Structuur

Laccases zijn glycoproteïnen, dat wil zeggen dat het eiwitten zijn die oligosaccharideresiduen hebben die covalent zijn gekoppeld aan de polypeptideketen, en deze vertegenwoordigen tussen 10 en 50% van het totale gewicht van het molecuul (in plantenenzymen kan het percentage iets hoger zijn) .

Het koolhydraatgedeelte van dit type eiwit bevat monosacchariden zoals glucose, mannose, galactose, fucose, arabinose en sommige hexosaminen, en er wordt aangenomen dat glycosylering een belangrijke rol speelt bij uitscheiding, proteolytische gevoeligheid, activiteit, koperretentie en de thermische stabiliteit van het eiwit.

Deze enzymen worden over het algemeen in de natuur aangetroffen als monomeren of homodimeren, en het molecuulgewicht van elk monomeer kan variëren tussen 60 en 100 kDa.

Het katalytische centrum van laccases is opgebouwd uit vier koper (Cu) atomen, die het molecuul in het algemeen een blauwe kleur geven door de elektronische absorptie die plaatsvindt in de koper-koper (Cu-Cu) bindingen.

Plantaardige laccases hebben iso-elektrische punten met waarden die dicht bij 9 liggen (vrij basisch), terwijl schimmelenzymen tussen iso-elektrische punten van 3 en 7 liggen (het zijn dus enzymen die in zure omstandigheden werken).

Isoenzymen

Veel laccase-producerende schimmels hebben ook laccase-isovormen, die worden gecodeerd door hetzelfde gen of door verschillende genen. Deze iso-enzymen verschillen voornamelijk van elkaar in termen van hun stabiliteit, hun optimale pH en temperatuur voor het katalyseren, en hun affiniteit voor verschillende soorten substraat.

Deze iso-enzymen kunnen onder bepaalde omstandigheden verschillende fysiologische functies hebben, maar dit hangt af van de soort of de toestand waarin hij leeft.

Kenmerken

Sommige onderzoekers hebben aangetoond dat laccasen betrokken zijn bij de "sclerotisatie" van de cuticula bij insecten en de vorming van sporen die resistent zijn tegen ultraviolet licht in micro-organismen van het geslacht Bacillus.

In planten

In plantenorganismen nemen laccases deel aan de vorming van de celwand, aan de processen van verhouting en "delignificatie" (verlies of desintegratie van lignine); en bovendien zijn ze gerelateerd aan de ontgifting van weefsels door de oxidatie van antischimmelfenolen of de deactivering van fytoalexinen.

In champignons

Laccases zijn aanzienlijk overvloedig aanwezig in deze groep organismen en nemen deel aan een verscheidenheid aan cellulaire en fysiologische processen. Onder hen kunnen we de bescherming van de pathogene schimmels van de tannines en de plantaardige "fytoalexines" noemen; dus kan worden gezegd dat deze enzymen voor schimmels virulentiefactoren zijn.

Laccasen hebben ook functies bij de morfogenese en differentiatie van de resistentie- en sporenstructuren van basidiomyceten, evenals bij de biologische afbraak van lignine in schimmels die weefsels van houtachtige plantensoorten afbreken.

Tegelijkertijd nemen laccasen deel aan de vorming van pigmenten in de mycelia en vruchtlichamen van veel schimmels en dragen ze bij aan de celceladhesieprocessen, de vorming van de polyfenolische "lijm" die de hyfen bindt, en bij het ontwijken. van het immuunsysteem van gastheren die zijn geïnfecteerd met pathogene schimmels.

In de industrie

Deze specifieke enzymen worden industrieel gebruikt voor verschillende doeleinden, maar de meest opmerkelijke komen overeen met de textiel- en papierindustrie en met de bioremediatie en decontaminatie van afvalwater dat wordt geproduceerd door andere industriële processen.

In het bijzonder worden deze enzymen vaak gebruikt voor de oxidatie van fenolen en hun derivaten die aanwezig zijn in water dat verontreinigd is met industrieel afval, waarvan de katalyseproducten onoplosbaar (gepolymeriseerd) en neerslaan, waardoor ze gemakkelijk te scheiden zijn.

In de voedingsindustrie zijn ze ook van enig belang omdat het verwijderen van fenolische verbindingen noodzakelijk is voor het stabiliseren van dranken zoals wijn, bier en natuurlijke sappen.

Ze worden gebruikt in de cosmetica-industrie, bij de chemische synthese van veel verbindingen, bij bodemsanering en in de nanobiotechnologie.

De meest gebruikte zijn laccase van schimmels, maar onlangs is vastgesteld dat bacterieel laccase meer prominente kenmerken heeft vanuit industrieel oogpunt; Ze zijn in staat om te werken met een grotere verscheidenheid aan substraten en bij veel bredere temperatuur- en pH-bereiken, en zijn ook veel stabieler tegen remmende middelen.

Referenties

1. Claus, H. (2004). Laccases: structuur, reacties, distributie. Micron, 35, 93-96.
2. Couto, SR, Luis, J., en Herrera, T. (2006). Industriële en biotechnologische toepassingen van laccases: een overzicht. Biotechnology Advances, 24, 500-513.
3. Madhavi, V., en Lele, SS (2009). Laccase: eigenschappen en toepassingen. Bioresources, 4 (4), 1694–1717.
4. Riva, S., Molecolare, R., & Bianco, VM (2006). Laccases: blauwe enzymen voor groene chemie. Trends in Biotechnology, 24 (5), 219–226.
5. Singh, P., Bindi, C., en Arunika, G. (2017). Bacteriële laccase: recente update over productie, eigenschappen en industriële toepassingen. Biotech, 7 (323), 1–20.