Виды базидиомицетов считаются очень интересной группой грибов, учитывая их исключительную способность к приспособлению к неблагоприятным условиям окружающей среды, где они продолжают действовать как естественные разрушители лигноцеллюлозы, и включают в себя очень разные экологические группы, такие как белые грибы, бурые грибы и листовые грибы.
Лигнин является наиболее распространенным природным ароматическим полимером на земле, и деградация этого непокорного ароматического полимера вызвана в природе белыми грибами в процессе, который определялся как ферментативное сжигание.
Лигнинолитическая система представляет собой внеклеточный ферментативный комплекс, включающий пероксидазы, лакказы и оксидазы, отвечающие за производство внеклеточного пероксида водорода (H2O2). Эти ферментные системы обладают дифференцированными характеристиками в зависимости от вида, штаммов микроорганизмов и условий выращивания.
Грибы поглощают питательные вещества, имеющиеся в окружающей среде, без помощи ферментов, когда молекулы маленькие, а когда они больше, грибы используют свои ферменты. Ферментами, ответственными за деградацию лигнина, в основном являются: пероксидаза лигнина (LiP), пероксидаза марганца (MnP) и фенолоксидаза меди, известная как лакказа.
Потенциальное применение лигнолитических ферментов в биотехнологии стимулировало их исследование, и понимание физиологических механизмов, регулирующих синтез ферментов при биоконверсии лигноцеллюлозы, может быть полезным для улучшения технологического процесса производства съедобных и лекарственных грибов.
Ферменты, разрушающие лигнин – лакказы
Лакказы принадлежат к семейству мультимедоксидаз. Эти медносодержащие ферменты катализируют окисление различных субстратов с одновременным восстановлением молекулярного кислорода в воде.
Более 60 штаммов грибов, относящихся к грибам рода аскомицеты, зигомикоты и особенно басидиомикоты, обладают лакказной активностью.
Грибковые лакказы в основном являются индуктивными, внеклеточными, мономерными гликопротеинами с содержанием углеводов 10-20%, что может способствовать высокой стабильности лакказ. Аминокислотная цепь содержит около 520-550 аминокислот, включая N-концевой пептид секреции.
Активный участок лакказы состоит из четырех атомов меди в трех группах, называемых Т1, Т2 и Т3, которые отличаются между собой:
- Медь Т1 отвечает за синий цвет фермента и обладает характерной поглощающей способностью около 610 нм.
- Медь Т2 бесцветна и не может быть обнаружена спектрофотометрически, но может быть обнаружена методом ЭПР
- Двухъядерная медь Т3 является диамагнитной – она отображает спектральное поглощение в области 330 нм, а также характерный спектр флуоресценции.
Лакказы обычно являются первыми лигнинолитическими ферментами, секретируемыми в окружающую среду грибком, который обычно окисляется только теми модельными соединениями лигнина со свободной фенольной группой, образуя феноксирадикалы в качестве медиаторов, которые представляют собой группу низкомолекулярных органических соединений.
Ферменты, разрушающие лигнин – пероксидаза лигнина
Пероксидазы лигнина (EC 1.11.1.14) принадлежат к семейству оксидоредуктаз. Пероксидазы лигнина (LiP) впервые были описаны в базидиомицете Phanerochaete chrysosporium Burdsall в 1983 г.
LiP – это внеклеточный гемепротеин, зависимый от H2O2, с необычайно высоким потенциалом окисления и низким оптимальным pH. LiP способен окислить различные восстановительные субстраты, в том числе полимерные.
Благодаря своим высоким окислительно-восстановительным потенциалам и расширенному диапазону субстратов LiP имеют большой потенциал для применения в различных промышленных процессах. LiP проявляет незначительную специфичность субстрата, реагируя с широким спектром соединений модели лигнина и даже с неродственными молекулами.
Его отличительной особенностью является способность окислять метоксилированные ароматические кольца без свободной фенольной группы, создавая катионные радикалы, которые могут далее реагировать различными способами, включая раскрытие кольца, деметилирование и димеризацию фенола.
LiP, в отличие от лакказ, не требует от медиаторов разложения высокоэкспотенциальных соединений, но для начала катализа ему нужна перекись водорода.
Ферменты, разрушающие лигнин – пероксидаза марганца
Пероксидазы марганца так же относятся к семейству оксидоредуктаз. После открытия LiP в Phanerochaete chrysosporium, марганцевая пероксидаза (MnP), секретируемая из того же гриба, была обнаружена в качестве другого фермента, разрушающего лигнин.
Пероксидазы марганца (MnP), по-видимому, более распространены среди белых грибов, чем пероксидаза лигнина.
Марганцевая пероксидаза (MnP) окисляет Mn2 + до Mn3 +, который окисляет фенольные структуры до феноксильных радикалов. Продукт Mn3+ является высокореактивным и сложным продуктом с хелатирующей органической кислотой в виде оксалата или малата, которые производятся грибом.
Окислительно-восстановительный потенциал системы Mn пероксидазы ниже, чем у пероксидазы лигнина, и она продемонстрировала способность окислять предпочтительные фенольные субстраты.
С другой стороны, исследования показывают, что в отличие от LiP, MnP может окислять Mn2 + без H2O2 с разложением кислот и сопутствующим образованием пероксильных радикалов, которые могут повлиять на структуру лигнина.
