漆酶的结构与催化反应机理

漆酶的结构与催化反应机理
漆酶是天然漆主要成分之一，含量约为10%。

存在于天然漆的含氮物质中，俗称生漆蛋白质、氧化酶。

是天然漆在常温下干燥时不可缺少的天然有机催化剂。

不溶于水，也不溶于通用有机溶剂，而溶于漆酚。

含氮物质接触乙醇后，能不可逆地从生漆中析出。

漆酶是一种氧化酶(能与分子氧起作用)，而不是过氧化酶，漆酶能受HCN的影响，而过氧化酶则不受其影响。

漆酶可促进多羟基酚及多氨基苯的氧化，而不能促进单酚的氧化。

因漆酶的催化氧化作用，可以促进漆酚的氧化聚合，从而形成干固的膜。

漆酶对下述物质敏感：过氧化氢、氢氰酸、羟胺、硫化氢、氰化钾、重氮化钾(或钠)等。

漆酶在其他植物(土豆、蘑菇、苹果)中也有发现。

结构[2]
典型的漆酶有三个结构域，其中T1铜离子位于结构域3、三铜离子中心位于结构域1和结构域3之间，此外还有结构域2，主要起联结作用以及与底物的结合作用。

但也有报道发现仅存在两个结构域（结构域1和结构域3）的漆酶蛋白，并且该蛋白质展现出较高的pH 稳定性和漆酶的其它氧化还原特性。

人们习惯上称蓝铜为T1铜离子，这个铜离子是人们通过光谱学的手段最早发现的铜离子。

T1位点的几何结构与普通的金属蛋白铜位点的几何结构有所不同，它是一个扭曲的四面体，通过半胱氨酸形成一个S－Cu健，此外还有两个组氨酸（HiS）的N原子以及甲硫氨酸的S原子成健。

催化氧化机理[2]
漆酶的催化氧化是非常复杂的。

一方面，由于漆酶同过氧化酶和其它多酚氧化之间作用底物的相似性，比如现在经常被用作
真菌漆酶的特征底物的丁香醛连氮和ABTS(2 ，2-连氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸))，但是实际上过氧化酶也能够催化氧化它们；不过相对这些酶来说，漆酶反应过程中并不产生有害的过氧化氢和活性氧(ROS)，但同时产生醌或半醌等强抗氧化剂，是非常绿色的反应。

许多报道为漆酶催化氧化的反应，经常缺乏进行它们之间有区别的实验报道。

不过，现在已经有一些学者注意到了这个问题的复杂性。

另一方面，技术的发展或许已经到了任意改变漆酶特性的程度。

通过对Myceliophthora thermophilica 真菌漆酶的定点诱变工作表明，不但其抑止性而且催化特性都显著改变。

也就是说，改变漆酶的氨基酸序列或者改变糖部分的组成，就可任意的改变漆酶的特性。

另外物理方法，比如电子顺磁共振，也能够使漆酶蛋白的二级结构发生改变，从而使其底物专一性发生改变。

漆酶催化氧化的底物相当广泛，基本上，只要底物是具有相似于儿茶酚型的邻、对二酚就能够被漆酶催化。

真菌漆酶和漆树漆酶在所能够催化氧化的底物上有一些区别。

至少有一些真菌漆酶能够氧化单酚，如甲酚，而漆酶则不能。

酪氨酸一般不能被真菌漆酶催化氧化，不过实验显示，酪氨酸的衍生物能够同漆树漆酶作用。

在催化氧化速率上，真菌漆酶显然比漆树漆酶要快几倍，甚至几十倍。

有人报道添加一些物质可能促进酶活，一些原本难以催化的反应也可以在中介物质的协同作用下进行，甚至可以直接将Mn2+作为底物。

改变反应介质，在有机相中的反应是研究的一个热点。

而这样一来，它的底物范围就更加广泛。

分布及生理功能[3]
漆酶最初是在植物中发现的。

随着人们的研究，不仅在植物中发现了漆酶，漆酶也不仅仅是人们认为的四分体，还有二聚体和单体漆酶蛋白。

随着分子生物学的发展，特别是基因组测序物种的不断增多，发现漆酶广泛存在于细菌中。

真菌中的漆酶
或植物、细菌和动物中的漆酶在序列上表现出很大的差异，但它们都具有相同的活性中心和反应机理以及相似的底物普遍性。

漆酶分布的广泛性和漆酶序列的差异性可能与生物工程中的趋同进化有重要关系。

应用[3]
漆酶因其底物广泛、在自然界中不易降解且具有毒性、对环境友好等特点，具有很大的应用前景。

目前所有漆酶的应用原理都是利用漆酶的氧化还原特性来氧化有毒的芳香族化合物。

漆酶已广泛应用于制浆造纸、污水处理、食品、有机合成等行业。

此外，漆酶在环境修复、服装工业、检测和生物传感器方面也有报道。

1.漆酶与造纸和纺织
木质素的脱除一直是造纸工业中的一个难题。

一方面，纸浆中木质素的含量会直接影响纸浆的质量；另一方面，造纸工业中氯漂白产生的废水由于含有大量的有机芳香族有毒污染物，对环境造成了很大的污染。

酶法漂白因其良好的环境友好性而具有重要的应用前景。

目前，木聚糖酶已经应用于造纸工业，木聚糖酶通过切断连接木质素和纤维素的木聚糖使纸浆脱木素，在一定程度上降低了纸浆的得率，而漆酶可以选择性降解木质素，使得漆酶在解决这一问题上具有很好的应用前景。

漆酶和木聚糖酶的协同作用能更有效地降解木质素。

2. 漆酶与废水处理
漆酶可以处理各种工业废水，如氯酚废水、制浆造纸工业废水、印染工业废水、橄榄油厂废水、乙醇发酵废水、城市废水和污染土壤等。

其中，纺织印染废水的处理是目前漆酶应用的研究热点。

目前应用的染料主要有偶氮染料、蒽醌染料、靛蓝
染料和三苯甲烷染料，其中偶氮染料目前应用较为广泛。

研究表明，这些染料造成的污染会导致癌症、电池和突变。

目前所用的染料脱色脱毒技术会产生二次污染和成本高昂。

而漆酶由于具有广泛的底物以及不需要一些辅因子和H2O2 的特性增加了人们利用漆酶来对污染的废水和土壤进行脱毒兴趣；但是也有报道表明漆酶对大多数染料的氧化需要借助介体的作用。

越来越多的研究表明漆酶应用于废水处理的有效性和可行性，为大规模应用漆酶来解决环境问题提供了理论支持。

漆酶所能够降解的有毒污染化合物有氯酚类、多环芳香烃类、三硝基甲苯、杀虫剂、杀菌剂和除草剂、激素类化合物、土壤中有毒物质等。

通过将漆酶进行固定化处理可以重复利用来处理废水，提高了漆酶的利用率并且可以保持漆酶的大部分活性，而且可以解除大多数抑制因子对漆酶的抑制作用。

3. 漆酶与食品工业
漆酶能够用于饮料加工、食品焙烤等食品行业中，改变焙烤食品的颜色和感官参数。

漆酶还能应用于白酒、苹果和葡萄汁、啤酒、茶叶等饮料中，在这些饮料中会存在一些酚类化合物，这些化合物的存在会使饮料发生浑浊和色泽的变化从而影响它们的品质，漆酶能够氧化其中的酚类，漆酶的处理能够有选择性的氧化酚类物质使得这些饮料既能够保持其风味，又能够降低它们的变色和变质的速度。

此外生物酶处理同化学处理相比较还有着反应条件温和、能耗低、营养损失少等优点，值得注意的是在漆酶对果汁类脱酚的过程中能够氧化果汁中的维生素C，用于抗氧化。

漆酶还能够应用于面包的焙烤工艺中，漆酶的存在能够氧化面粉中的二硫健使得面包更加松软。

此外漆酶还能够应用于漱口水、牙膏、口香糖以及食用油等食品行业中。

4. 有机合成
尽管氧化反应是工业生产中最基本的反应之一，但大多数传统的氧化技术都有共同的弱点:非特异性、高温高压、对设备要求高、生产条件苛刻以及能产生对环境有毒的化学物质。

传统氧化反应的这些弱点极大地促进了人们对新的无害氧化技术的探索。

与传统的化学氧化技术相比，酶氧化技术具有以下优点:酶具有很强的底物特异性，酶催化的生物降解反应可以在温和的环境条件下进行。

漆酶的氧化还原特性使得漆酶在有机合成中具有良好的应用前景。

漆酶可以利用氧作为电子受体氧化含有酚羟基的芳香族化合物，而芳香族和稠环化合物大多是化学合成过程中的前体。

漆酶具有广泛的底物和催化特异性，使其应用更加广泛，而且产物相对简单，分离纯化过程简单。

同时，漆酶来源广泛，不仅存在于真菌中，还存在于细菌、植物甚至动物中。

这些特性为漆酶催化更广泛的反应提供了有利条件。

5. 生物能源
第二代生物能源是以废弃的作物秸秆、工业富含纤维的残渣等为原料，利用微生物来降解其中的纤维素产乙醇。

原料中含有大量木质素，而且一般是包裹在纤维素的外层，原料的前处理过程必须进行脱木质素。

漆酶所具有的能氧化酚型和非酚型芳香族化合物的特性有可能用于生产生物能源。

以纤维素为原料来生产生物乙醇时，其中纤维素外面包裹的木质素限制了纤维素酶对纤维素的降解，目前所用的除木素的方法主要有物理和化学法：其中物理法需要消耗大量的能源，这与生产生物能源的初衷相违背；化学法用酸碱处理会产生环境污染和大量的原料。

虽然由于木质素复杂的空间结构而使漆酶不易接近，但是在介体等小分子物质的存在下漆酶可以有效的降解木质素，木质素的一些天然衍生物（香草醛、香草乙酮、乙酰丁香酮、丁香醛、2，4，6-三甲基苯酚、p-香豆酸、阿魏酸、芥子酸）还可以作为介体。

漆酶可以有效减少生产乙醇时酚类物质含量，
从而为生产生物能源提供了良好的应用前景。

此外，白腐真菌漆酶还可应用于秸秆的堆肥化，将其转化为有机肥料或无土栽培的有机基质。

6. 漆酶的其它用途
漆酶还可用于化妆品行业，如染发和皮肤美白，漆酶可以氧化头发中的二硫键，改变角蛋白中氨基酸连接的空间结构进行塑形，替代含重金属化学染色剂和烫发剂。

酶活限制因素漆酶也受一些抑制剂的抑制，受抑制的原因可能是氨基酸的修饰作用、酶的空间结构的改变或者是抑制剂与底物结合位点的相互作用。

卤族元素和Fe2＋、Fe3＋可以明显的抑制漆酶活性。

主要参考资料
[1] 实用精细化工辞典
[2] 万云洋, 杜予民. 漆酶结构与催化机理[D]. , 2007.
[3]漆酶的研究进展。