漆酶

漆酶

漆酶是一類含銅的氧化還原酶。它們催化的反應是利用分子氧,產生的副產物只有水,是“生態友善的”酶。近年來在多方面得到套用,具有廣闊的套用前景。

漆酶是一類含銅的氧化還原酶。它們催化的反應是利用分子氧,產生的副產物只有水,是“生態友善的”酶。近年來在多方面得到套用,具有廣闊的套用前景。

1. 漆酶的基本特性

1.1.漆酶的一般性質
漆酶是一種含銅的演化還原酶,酶的命名和分類號為EC 1.10.3.2,學名應為對二酚∶二氧氧化還原酶,屬於氧化酶的藍銅家族。它們廣泛地存在於自然界中,植物中有,更是在幾乎所有的真菌中都有。這一類酶最初發現於漆樹的樹脂中,也因此得名。迄今,在昆蟲和原核生物中,都已經鑑定到這一類型的酶。它們可以是分泌的酶,也可以定位在細胞內,因物種而異。
漆酶在不同的物種發揮不同的功能:在昆蟲中,它們參與甲殼的硬化;在植物中,參與細胞壁形成,還與木質素化和去木質素有關;在芽孢桿菌中,則是和抗紫外線的孢子組裝有關;在一些植物致病性真菌利用這類酶免除植物抗毒素和鞣酸的作用,因此,漆酶也可看成是許多真菌疾病的毒力因子。
1.2.漆酶的催化機制
漆酶合適的底物分子是酚類,以及芳香性和脂肪性的胺類。它們催化的過程是底物的單電子氧化,生成相應的活性自由基。酶分子中含有4個銅原子構成的簇作為催化核心(圖1a),實施氧化還原過程。在催化核心中銅原子的相互作用引起了強烈的電子吸收,產生了典型的藍色。圖1b為漆酶催化的循環過程,1分子的氧被還原為2分子的水同時4個底物分子氧化產生4個自由基,這些活性的中間物隨後轉變為二聚體、寡聚體和高聚物。
漆酶催化的反應可以因為其他分子存在與否而分為3種不同的模式,見圖2。最簡單的模式是,只有一種底物分子,並不存在其它分子,如圖2a 所示。在這樣的情況下,酶直接催化底物的氧化,完成整個反應。第二種情況是,在酶和底物中存在著一個中介分子,通過中介分子的氧化還原過程,進行電子的傳遞,見圖2b。。這種情況更常見,因為有時需要氧化的分子太大,無法與酶活性中心—銅簇接近,此時需要中介分子,或者因為底物分子的氧化還原電位太高,反應不能一次完成,此時也需要中介分子的幫助。圖2c所示的情況最複雜,在這種模式中,除了有中介分子外,還需含有黃素作為輔基的脫氫酶介導電子的傳遞。

2. 漆酶的套用

目前漆酶的套用大致分為2個方面:工業和化學反應。
2.1.漆酶的工業套用
根據漆酶的作用模式,漆酶的套用也可相應地分為幾種不同的類型。
漆酶的工業套用中的一個重要方面是酚類的除去。這是圖2中的直接作用模式。例如污水處理中,漆酶可以是酚類氧化成為多聚的多酚衍生物,因為後者是沉澱,因此,很容易去除。在飲料業中,為了使果汁、紅酒和啤酒能穩定地存放,也需要去除酚類,因為漆酶不可能作為食品添加劑,因此,只能使用固定化的漆酶。甚至為了使紅酒能長期保存,酒瓶的軟木塞也經漆酶處理。
更多地是使用中介分子的第二種模式。在紙漿和造紙工業中,木質纖維中的木質素需要除去。在木質纖維中,木質素是纖維素和半纖維素之間的連線者,它們之間存在著牢固的共價鍵。因此,傳統的去木質素方法是用氯和氧化氯(Cl2O)。現今氯是禁止使用的,氧化氯的使用也受到限制。為此,在新的探索中使用漆酶,由於木質素是複雜的體系,是水不溶的,不能為漆酶接近,必需只用中介分子。在去木質素中,最早使用的中介分子是圖3中的b分子。圖3中所列的其他分子也得到使用,其中帶有N-OH的氮雜環是較有效的。在紡織工業中,也引進了漆酶處理,將靛藍氧化為靛紅(見圖4a)。
2.2.漆酶在化學反應中的套用
除了漆酶在工業中巨大的套用前景外,目前也被用有機合成中。其中一個很重要的方面是闡明漆酶的作用機制和開發新的中介分子。
因為漆酶已超過地套用木質素的去除,漆酶的套用從原先是針對酚類拓展到其它的非酚類的取代基,例如圖4b中羥基變為酮基。漆酶和可以將寡糖中的糖基C6的羥基氧化為羧基,如圖4d。在這些有機合成中,漆酶的催化機制可分為3種類型:一是由圖3b化合物催化的電子轉移;二是由圖3d類化合物催化的自由基轉移反應;三是圖3h化合物催化的離子氧化反應。一般在水中的Cu+2/Cu+的離子氧化還原電位僅0.15 V,而漆酶催化的離子氧化反應,相應的電位增大為0.6~0.8 V。
圖5中例舉了另一些漆酶催化的聚合和交聯反應。圖5a是一個底物(雌二醇)氧化後可得到不同的二聚體產物,但是這些產物可以彼此分離。而圖5c則是兩個不同的分子可以被氧化交聯。其中一些反應的轉化率可達到30%~40%。
2.3.漆酶催化的最佳反應條件
漆酶的底物多數是溶解度很差的分子,因此,在選擇反應條件時,經常需要使用有機溶劑或將漆酶固定化。
在催化雌二醇氧化反應中,選用的兩相的體系,水-乙酸乙酯。就這樣的體系而言,優點是酶在水中比較穩定不易失活,缺點是兩相反應,需經過底物的分配,速度慢。如果選用和水能混合的有機溶劑,成為均相反應,最大的問題是酶的穩定性差,酶活性降低。利用去垢劑構出的反相微團,可能維持酶的活性。
將酶固定化是目前常用的穩定酶的一種方法,可以在有機溶劑中仍不使酶失活。有趣的是,在使用固定化酶時曾發現,有機溶劑四氫-2-萘醇可影響圖5d中2種產物的比例,這似乎提示了有機溶劑影響了酶的特異性。
總之,為了在化學工業和相關研究中能達到保護環境的綠色化目的時,可以使用藍色的漆酶。

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