漆酶—用于绿色化学的蓝色酶
2008-02-23 19:56:04   来源：本站原创   评论：0 点击：

1. 漆酶的基本特性

1.1.漆酶的一般性质

漆酶是一种含铜的演化还原酶，酶的命名和分类号为EC 1.10.3.2，学名应为对二酚∶二氧氧化还原酶，属于氧化酶的蓝铜家族。它们广泛地存在于自然界中，植物中有，更是在几乎所有的真菌中都有。这一类酶最初发现于漆树的树脂中，也因此得名。迄今，在昆虫和原核生物中，都已经鉴定到这一类型的酶。它们可以是分泌的酶，也可以定位在细胞内，因物种而异。

漆酶在不同的物种发挥不同的功能：在昆虫中，它们参与甲壳的硬化；在植物中，参与细胞壁形成，还与木质素化和去木质素有关；在芽孢杆菌中，则是和抗紫外线的孢子组装有关；在一些植物致病性真菌利用这类酶免除植物抗毒素和鞣酸的作用，因此，漆酶也可看成是许多真菌疾病的毒力因子。

1.2.漆酶的催化机制

漆酶合适的底物分子是酚类，以及芳香性和脂肪性的胺类。它们催化的过程是底物的单电子氧化，生成相应的活性自由基。酶分子中含有4个铜原子构成的簇作为催化核心（图1a），实施氧化还原过程。在催化核心中铜原子的相互作用引起了强烈的电子吸收，产生了典型的蓝色。图1b为漆酶催化的循环过程，1分子的氧被还原为2分子的水同时4个底物分子氧化产生4个自由基，这些活性的中间物随后转变为二聚体、寡聚体和高聚物。

                              图 1漆酶的催化核心（a）和催化过程（b）

漆酶催化的反应可以因为其他分子存在与否而分为3种不同的模式，见图2。最简单的模式是，只有一种底物分子，并不存在其它分子，如图2a 所示。在这样的情况下，酶直接催化底物的氧化，完成整个反应。第二种情况是，在酶和底物中存在着一个中介分子，通过中介分子的氧化还原过程，进行电子的传递，见图2b。。这种情况更常见，因为有时需要氧化的分子太大，无法与酶活性中心—铜簇接近，此时需要中介分子，或者因为底物分子的氧化还原电位太高，反应不能一次完成，此时也需要中介分子的帮助。图2c所示的情况最复杂，在这种模式中，除了有中介分子外，还需含有黄素作为辅基的脱氢酶介导电子的传递。

                                                                                                           图 2  漆酶催化反应的3种模式

2.      漆酶的应用

目前漆酶的应用大致分为2个方面：工业和化学反应。

2.1.漆酶的工业应用

根据漆酶的作用模式，漆酶的应用也可相应地分为几种不同的类型。

漆酶的工业应用中的一个重要方面是酚类的除去。这是图2中的直接作用模式。例如污水处理中，漆酶可以是酚类氧化成为多聚的多酚衍生物，因为后者是沉淀，因此，很容易去除。在饮料业中，为了使果汁、红酒和啤酒能稳定地存放，也需要去除酚类，因为漆酶不可能作为食品添加剂，因此，只能使用固定化的漆酶。甚至为了使红酒能长期保存，酒瓶的软木塞也经漆酶处理。

更多地是使用中介分子的第二种模式。在纸浆和造纸工业中，木质纤维中的木质素需要除去。在木质纤维中，木质素是纤维素和半纤维素之间的连接者，它们之间存在着牢固的共价键。因此，传统的去木质素方法是用氯和氧化氯（Cl2O）。现今氯是禁止使用的，氧化氯的使用也受到限制。为此，在新的探索中使用漆酶，由于木质素是复杂的体系，是水不溶的，不能为漆酶接近，必需只用中介分子。在去木质素中，最早使用的中介分子是图3中的b分子。图3中所列的其他分子也得到使用，其中带有N-OH的氮杂环是较有效的。在纺织工业中，也引进了漆酶处理，将靛蓝氧化为靛红（见图4a）。

               图 3  漆酶催化反应中使用的一些中介分子

2.2.漆酶在化学反应中的应用

除了漆酶在工业中巨大的应用前景外，目前也被用有机合成中。其中一个很重要的方面是阐明漆酶的作用机制和开发新的中介分子。

因为漆酶已超过地应用木质素的去除，漆酶的应用从原先是针对酚类拓展到其它的非酚类的取代基，例如图4b中羟基变为酮基。漆酶和可以将寡糖中的糖基C6的羟基氧化为羧基，如图4d。在这些有机合成中，漆酶的催化机制可分为3种类型：一是由图3b化合物催化的电子转移；二是由图3d类化合物催化的自由基转移反应；三是图3h化合物催化的离子氧化反应。一般在水中的Cu+2/ Cu+的离子氧化还原电位仅0.15 V，而漆酶催化的离子氧化反应，相应的电位增大为0.6~0.8 V。

                                                       图 4 漆酶催化的有机合成反应

图5中例举了另一些漆酶催化的聚合和交联反应。图5a是一个底物（雌二醇）氧化后可得到不同的二聚体产物，但是这些产物可以彼此分离。而图5c则是两个不同的分子可以被氧化交联。其中一些反应的转化率可达到30%~40%。

                                                            图 5 漆酶催化的聚合和交联反应

2.3.漆酶催化的最佳反应条件

漆酶的底物多数是溶解度很差的分子，因此，在选择反应条件时，经常需要使用有机溶剂或将漆酶固定化。

在催化雌二醇氧化反应中，选用的两相的体系，水-乙酸乙酯。就这样的体系而言，优点是酶在水中比较稳定不易失活，缺点是两相反应，需经过底物的分配，速度慢。如果选用和水能混合的有机溶剂，成为均相反应，最大的问题是酶的稳定性差，酶活性降低。利用去垢剂构出的反相微团，可能维持酶的活性。

将酶固定化是目前常用的稳定酶的一种方法，可以在有机溶剂中仍不使酶失活。有趣的是，

在使用固定化酶时曾发现，有机溶剂四氢-2-萘醇可影响图5d中2种产物的比例，这似乎提示了有机溶剂影响了酶的特异性。

总之，为了在化学工业和相关研究中能达到保护环境的绿色化目的时，可以使用蓝色的漆酶。

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