微生物漆酶的研究进展
更新日期:2017-12-20     来源:中国科学:生命科学   浏览次数:319
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漆酶(laccase,ECl.10.3.2)是一种含铜多酚氧化酶(polyphenol oxidases,PPO),通过获得O2催化酚类、胺类、抗坏血酸等物质的氧化,从而生成相应的产物和水。漆酶与过氧化物酶和酪氨酸酶等共同构成了酚类的氧化酶群体,在自然界中广泛存在,同时抗坏血酸氧化酶(ascorbate oxidase,AAO)、漆酶(Laccase)、血浆铜蓝蛋白(ceruloplasmin)等多种类型,均属于蓝色多铜氧化酶家族的成员[1]。
人们在研究中发现漆酶不仅存在于高等植物中[2],同时在微生物中也广泛的存在。有报道称漆酶广泛存在于子囊菌亚门(Ascomycotina)的脉孢菌(Neurospora)和柄孢壳菌(Podospora)、半知菌亚门(Deuteromycotina)的曲霉菌(Aspergillus)和担子菌亚门(Basidiomycotina)的多孔菌(Polyporus)等。科学家发现担子菌中的白腐菌是[3]最重要的生产者。Alexandre等[4]通过对蛋白质的数据库和细菌基因组进行同质性研究分析,发现在漆酶也广泛存在于原核生物中。而事实上,在生脂固氮螺菌(Azospirillumlipoferum)[5]、嗜热栖热菌(Thermus thermophilus) [6]、叶柄粘球菌(Myxococcus stipitatus)[7]、链霉菌(streptomycetes)[8]、大肠杆菌(Esche-richia coli)[9]、海单胞菌(Marinomonas mediterranea)[10]、甲基单胞菌(Methylomonas)[11],枯草芽孢杆菌(Bacillus subtil)[12]、球形芽孢杆菌(Bacillus sphaer) [13],黏细菌(Sorangium cellulosum[14]等大量的细菌中都有漆酶被发现过。
1、微生物漆酶在自然界中的分布和生理功能
微生物漆酶在自然界中大量存在,在残枝败叶覆盖的林区土壤中、污水处理厂的活性污泥中、河流的污水、葡萄酒酒厂的污水,含有有机物垃圾的表层土壤,油田附近的土壤,海洋,水稻等作物的根部,被有机染料污染的土壤,纺织厂的工业废水和造纸厂的木质纤维废水等等。
目前,真菌漆酶中的担子菌和子囊菌是人们集中研究的热点,而担子菌中的白腐菌是目前原核和真核微生物中所知的唯一能够自身利用氧化酶系统将纤维木质素降解为二氧化碳的一种真菌。此外真菌漆酶也是部分致病真菌的毒性成分之一,在真菌分化、色素的形成中扮演着重要的作用。与真菌漆酶相比,细菌漆酶反应条件及动力学特征截然不同。其反应速度可能会变慢,铜离子可能成为必要的因素,因此细菌漆酶常常被称为“多铜氧化酶”或“多酚氧化酶”,时常也被定义为漆酶类似物(1accase-like)。
2、漆酶的结构特征和催化机制
大量的研究表明,真菌漆酶和细菌漆酶均是以单蛋白体形式存在的糖蛋白,通常情况下下这些蛋白的分子量相差较大,而且糖基化的程度也存在差异,可是真菌漆酶和细菌漆酶的蛋白结构大体相似,均由三个杯状(cupredoxin-like)结构域构成,形成一个球状的结构。并且每个结构域均含有β的圆桶状结构。
钞亚鹏,钱世钧[15]等人根据对漆酶光谱学、动力学和晶体衍射的研究发现,一般漆酶蛋白结构中含有4个铜原子(图1所示),这4个铜原子共同构成了漆酶催化反应的活性中心。这4个铜离子有三种形式存在,即T1Cu铜原子,T2Cu铜原子和T3Cu铜原子。T1Cu铜原子的周围由一个半胱氨酸和组氨酸构成,T1Cu铜电子在顺磁共振光谱(Electronic Paramagnet Resonance,EPR)的可见光区显示4条电子转移条带,而其中由Cys→T1Cu产生的条带亮度最强,是漆酶显示蓝色的主要原因。T2Cu是由两分子的咪唑和一分子的水配位形成的一种四面体几何构型。EPR光谱发现含有非常宽的超精细裂分。TCu3a,TCu3b与三个组氨酸分子和一个氢氧化物分子一起共同形成一种受阻的四面体几何构型,氢氧化物做为桥将两个铜原子连在一起。由于Cu-Cu共价体可以产生强烈的反铁磁性的特性,因此很难检测到EPR光谱信号。