Phân tử laccase thường là monomeric protein, chỉ một số là oligomeric protein, có khối lượng phân tử dao động trong khoảng 60 – 90 kDa.
Phần lớn laccase của nấm có bản chất là glycoprotein với hàm lượng carbohydrate chiếm khoảng 10 – 25% (Ezike và cs, 2020).
1.1.2.2. Cấu trúc không gian
Laccase được phân loại như là protein nhân Cu với bốn nguyên tử Cu trong ba trạng thái oxy hóa khử khác nhau. Phân tử laccase thông thường bao gồm 3 tiểu phần (vùng) chính A, B, C có khối lượng tương đối bằng nhau, cả ba phần đều có vai trò
trong quá trình xúc tác của laccase. Vị trí liên kết với cơ chất nằm ở khe giữa vùng B và C, trung tâm một nguyên tử Cu nằm ở vùng C và trung tâm ba nguyên tử Cu nằm ở bề mặt chung của vùng A và C (hình 1.1) (Brander, 2014).
Hình 1.1. Cấu trúc không gian của laccase từ Melanocarpus albomyces.
Tiểu phần A, B, C được kí hiệu đỏ, vàng và xanh lá cây (Brander, 2014).
Theo hình 1.1, trung tâm Cu một nguyên tử chỉ chứa 1 nguyên tử Cu T1, liên kết với một đoạn peptide có 2 gốc histidine và 1 gốc cysteine. Liên kết giữa nguyên tử đồng T1 với nguyên tử S của cysteine là liên kết đồng hóa trị bền và hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 600 nm, tạo cho laccase có màu xanh nước biển đặc trưng.
Hình 1.2. Mô hình trung tâm hoạt động của laccase (Bassanini, 2020).
Tất cả laccase đều giống nhau về cấu trúc trung tâm xúc tác với 4 nguyên tử Cu.
Những nguyên tử Cu này được chia thành 3 nhóm: loại 1 (T1), loại 2 (T2) và loại 3 (T3), chúng khác nhau về tính chất hấp thụ ánh sáng và thế điện tử. Các nguyên tử Cu T1 và T2 có tính chất hấp phụ điện tử và tạo thành phổ điện tử mạnh, trong khi cặp nguyên tử Cu T3 không tạo phổ hấp thụ điện tử và có thể được hoạt hóa khi liên kết với anion mạnh (Janusz và cs, 2020; Mayolo-Deloisa, 2020; Kumar và Chandra, 2020).
Hình 1.3. Cấu trúc trung tâm hoạt động của laccase (Kumar và Chandra, 2020).
Trung tâm Cu có 3 nguyên tử gồm một nguyên tử Cu T2 và một cặp nguyên tử Cu T3. Nguyên tử Cu T2 liên kết với 2 gốc histidine bảo thủ trong khi các nguyên tử Cu T3 thì tạo liên kết với 6 gốc histidine bảo thủ (Kumar và Chandra, 2020).
1.1.3. Cơ chế xúc tác của laccase
Laccase là enzyme oxy hóa khử có khả năng oxy hóa diphenol và các hợp chất có liên quan, sử dụng oxygene phân tử làm chất nhận điện tử.
Thế oxy hóa khử của laccase dao động trong khoảng 0,4 V- 0,8 V (Zerva và cs, 2021). Cơ chất khử bị mất một điện tử nhờ xúc tác laccase thường tạo thành một gốc tự do, gốc tự do không bền này tiếp tục bị oxy hóa nhờ xúc tác bởi chính laccase đó
hoặc tiếp tục các phản ứng không cần xúc tác enzyme như hydrate hóa, phân ly hoặc polymer hóa (Bassanini và cs, 2020).
Trung tâm Cu một nguyên tử (T1) là nơi diễn ra phản ứng oxy hóa cơ chất. Cơ chất chuyển một điện tử cho nguyên tử Cu T1, biến nguyên tử Cu T1 (Cu2+) trở thành dạng Cu+, hình thành phân tử laccase có cả 4 nguyên tử Cu đều ở trạng thái khử (Cu+).
Một chu kỳ xúc tác liên quan đến sự vận chuyển đồng thời 4 điện tử từ nguyên tử Cu T1 sang cụm nguyên tử Cu T2/T3 qua cầu tripeptide bảo thủ His-Cys-His [3]. Phân tử oxygene sau đó oxy hóa laccase dạng khử, tạo thành hợp chất trung gian peroxide cuối cùng bị khử thành nước (Janusz và cs, 2020; Mayolo-Deloisa và cs, 2020;
Bassanini và cs, 2020).
Ngoài ra, sự xúc tác của laccase có thể xảy ra theo cơ chế sau. Đầu tiên cơ chất bị oxy hóa trực tiếp bởi trung tâm hoạt động do 4 nguyên tử Cu đảm nhiệm. Tuy nhiên, các phân tử cơ chất thường có cấu tạo cồng kềnh hoặc có thế khử quá lớn, vì vậy chúng không thể tiếp cận được trung tâm phản ứng của phân tử laccase. Trong trường hợp này cần một hợp chất hóa học trung gian. Hợp chất hóa học này có thể tiếp xúc với trung tâm phản ứng của laccase và bị laccase oxy hóa thành dạng gốc tự do. Sau đó hợp chất hóa học trung gian ở dạng oxy hóa nhận một điện tử của cơ chất và trở thành dạng khử, tiếp tục tham gia vào chu kỳ xúc tác[5]. Ngược lại, laccase sau khi cho hợp chất hóa học trung gian một điện tử thì trở thành dạng khử và sau đó bị oxy hoá thành dạng oxy hoá và tiếp tục tham gia vào chu kỳ xúc tác tiếp theo (hình 1.4).
Hình 1.4. Các kiểu xúc tác của laccase (Bassanini và cs, 2020)
(a): Chu kỳ xúc tác không có sự tham gia của các hợp chất hóa học trung gian.
(b); (c): Chu kỳ xúc tác với sự tham gia của các hợp chất hóa học trung gian.
Các hợp chất hóa học trung gian thường phù hợp cho laccase là 3- Hydroxyanthranillic acid (HAA), 2,2'-azino-bis 3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acid (ABTS), N-hydroxybenzo-trialzone (HBT), N-hydroxyphtaimide (HPI), violuric acid (VLA) v.v… Sự tham gia của hợp chất hóa học trung gian đã làm tăng phổ cơ chất xúc tác và tính không đặc hiệu cơ chất của laccase (Bassanini, 2020).