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。銅青酸化酵素に属し、単量体の糖タンパク質として存在します。ラッカーゼは、キノコ、バクテリア、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、基本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は、生物学的検出に広く使用される理由であり、効率的なバイオデテクターとして、基質、補酵素、阻害剤などの成分分析のための効果的なツールおよび手段となります。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、漆の木の分泌物の中で最初に発見され、多くの高等植物の細胞壁に存在します。例えば、茶葉の芽などです。高等植物由来のラッカーゼは、真菌由来のラッカーゼよりも報告されることが少ないです。生産に使用されるラッカーゼは主にバクテリアと真菌から得られ、ほとんどの真菌はラッカーゼを分泌します。国内外の主要な生産株は白腐菌です。国内のラッカーゼの応用に関する研究は、主にリグニンの分解、パルプの漂白、染料廃水の脱色、環境中の有毒物質の分解に焦点を当てています。

物理的および化学的特性

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で、4つの原子銅を含み、CN-によって抑制されることがあります。ラッカーゼはポリフェノールを酸化し、フェノールとジアミンのメトキシ置換を促進し、p-ポリフェノールと類似の構造を持つほぼすべての基質を酸化します。さらに、一部の真菌由来のラッカーゼは、クレソールやアスコルビン酸などのモノフェノールも酸化することができます。

活性部位

活性部位は4つの銅中心から構成され、タイプI、タイプII、タイプIIIに分かれた構造を採用しています。トリ銅アンサンブルはタイプIIおよびタイプIIIの銅を含みます（図参照）。この中心がO₂を結合し、水に還元します。各Cu (I, II) ペアは、この変換に必要な1つの電子を通過させます。タイプ1の銅はO₂に結合せず、電子移動のサイトとしてのみ機能します。タイプIの銅中心は、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構成されますが、特定の植物やバクテリアによって生成される一部のラッカーゼでは、タイプIの銅中心に追加のメチオニンリガンドが含まれています。タイプIIIの銅中心は2つの銅原子から構成され、それぞれが3つのヒスチジンリガンドを持ち、水酸化物架橋リガンドによって相互接続されています。最後の銅中心はタイプIIの銅中心で、2つのヒスチジンリガンドと1つの水酸化物リガンドを持っています。タイプIIおよびタイプIIIの銅中心は一緒に三銅複合体を形成し、二酸素還元が行われます。タイプIIIの銅はHg (II) に置き換えられることがあり、その結果、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の銅を完全に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の銅は酵素に再埋め込むことができます。さまざまな他の陰イオンがラッカーゼを抑制することがあります。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。電子媒介物とペアリングすることで、固体電極ワイヤへの電子移動を促進できます。ラッカーゼは、工業触媒として商業化された数少ないレドックス酵素の一部です。

応用

食用キノコの生産

食用キノコの種子生産プロセスにおいて、ラッカーゼ製剤を追加することで、リグニンなどの芳香族ポリマー化合物の分解を加速し、菌糸の栄養を提供し、酸化酵素として呼吸プロセスの電子移動に参加し、より多くのエネルギーを提供し、菌糸の合成、運営、物質の蓄積を促進します。これにより、菌糸の成長が加速され、種子生産の時間が短縮されます。袋栽培の過程では、菌糸が曲がってより多くの果実体の原基を形成し、キノコの収量を増加させることができます。生産プロセス全体を通じて、ラッカーゼ製剤はフェノールをキノンに酸化し、細菌に抵抗する毒素として機能し、細菌汚染を抑制します。

ボトリティス・シネレア感染の指標

ボトリティス・シネレアによって生成されるラッカーゼは、さまざまな形のブドウを腐らせることがあります。ブドウジュースやワインにラッカーゼ活性が検出されると、製造に使用された生のブドウがボトリティス・シネレアに感染していることを示します。しかし、対応するブドウジュースにおける酵素活性の量を測定することで汚染の正確な割合を判断することは信頼できません。なぜなら、酵素活性の増加と汚染されたブドウの数は不均衡だからです。

参考文献

1. Solomon EI.; et al. Multicopper Oxidases and Oxygenases. Chemical Reviews. 1996, 96 (7): 2563-2606.