ラッカーゼは4つの銅イオンを含むポリフェノールオキシダーゼです。銅青オキシダーゼに属し、単量体グリコプロテインとして存在します。ラッカーゼはキノコ、細菌、植物に存在し、空気中でも生存できます。反応後の唯一の生成物は水であるため、本質的に環境に優しい酵素です。ラッカーゼの独特な触媒特性により、生物学的検出に広く利用されており、高効率なバイオディテクターとして、基質、補酵素、阻害剤などの成分分析の有効なツールおよび手段となっています。近年、環境保護意識が徐々に重視されるようになり、ラッカーゼは多くの学者の研究対象となっています。

図1. ラッカーゼの構造。

起源

ラッカーゼは最初にウルシの分泌物で発見され、多くの高等植物の細胞壁、例えば茶葉の芽などに存在します。高等植物由来のラッカーゼは、菌類由来のラッカーゼよりも報告例が少ないです。生産に使用されるラッカーゼは主に細菌や菌類から得られ、多くの菌類がラッカーゼを分泌します。国内外の主な生産菌株は白色腐朽菌です。国内のラッカーゼ応用研究は主にリグニンの分解、パルプ漂白、染料廃水の脱色、環境中の有害物質の分解に焦点を当てています。

物理化学的性質

ラッカーゼは銅タンパク質で、青色を呈し、分子量は約120,000、4つの原子状銅を含み、CN-によって阻害されます。ラッカーゼはポリフェノールを酸化し、フェノールやジアミンのメトキシ基置換を促進し、p-ポリフェノールと類似構造を持つほぼすべての基質を酸化できます。さらに、一部の菌類ラッカーゼはクレゾールやアスコルビン酸などのモノフェノールも酸化できます。

活性部位

活性部位は4つの銅中心からなり、タイプI、タイプII、タイプIIIに分かれた構造をとります。トリカッパー集合体はタイプIIおよびタイプIII銅を含みます（図参照）。この中心がO₂と結合し、水に還元します。この変換に必要な電子は各Cu（I, II）ペアが1つずつ渡します。タイプI銅はO₂と結合せず、電子移動部位としてのみ機能します。タイプI銅中心は、少なくとも2つのヒスチジン残基と1つのシステイン残基に結合した単一の銅原子からなりますが、特定の植物や細菌が産生する一部のラッカーゼでは、タイプI銅中心に追加のメチオニン配位子が含まれます。タイプIII銅中心は2つの銅原子からなり、それぞれ3つのヒスチジン配位子を持ち、水酸化物架橋配位子で相互に結合しています。最後の銅中心はタイプII銅中心で、2つのヒスチジン配位子と1つの水酸化物配位子を持ちます。タイプIIおよびタイプIII銅中心は一緒に三銅複合体を形成し、ここで二酸素の還元が行われます。タイプIII銅はHg（II）で置換可能であり、その場合ラッカーゼ活性が低下します。シアン化物は酵素からすべての銅を除去し、タイプIおよびタイプII銅を完全に再埋め込むことは不可能であることが証明されています。しかし、タイプIII銅は酵素に再埋め込み可能です。その他さまざまなアニオンもラッカーゼを阻害します。ラッカーゼは低オーバーポテンシャルで酸素還元反応に影響を与えます。この酵素は酵素バイオ燃料電池のカソードとして研究されています。電子メディエーターと組み合わせることで、固体電極ワイヤーへの電子移動を促進できます。ラッカーゼは工業用触媒として商業化されている数少ないレドックス酵素の一つです。

応用

食用キノコ生産

食用キノコの種菌生産工程において、ラッカーゼ製剤を添加することで、リグニンなどの芳香族高分子化合物の分解を促進し、菌糸体に栄養を供給し、酸化酵素として呼吸過程の電子移動に関与し、より多くのエネルギーを供給して菌糸体の合成・運搬・物質蓄積を促進し、菌糸体の成長を加速し、種菌生産の期間を短縮します。袋栽培の過程では、菌糸体が絡み合い、より多くの子実体原基を形成し、キノコの収量を増加させます。生産全体を通じて、ラッカーゼ製剤はフェノールをキノンに酸化し、病原菌に対抗する毒素として作用し、雑菌汚染を抑制します。

灰色かび病感染の指標

Botrytis cinerea（灰色かび病菌）が産生するラッカーゼは、さまざまな形態のブドウを腐敗させることがあります。ブドウジュースやワインでラッカーゼ活性が検出された場合、原料ブドウがBotrytis cinereaに感染していることを示します。ただし、対応するブドウジュース中の酵素活性量を測定しても、汚染されたブドウの正確な割合を判断するのは信頼できません。なぜなら、酵素活性の増加と汚染ブドウの数は比例しないからです。

参考文献

1. Solomon EI.; 他. マルチカッパーオキシダーゼおよびオキシゲナーゼ. Chemical Reviews. 1996, 96 (7): 2563-2606.