全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 10 期
白腐菌木质素降解酶及其在木质素降解
过程中的相互作用
唐菊 段传人 黄友莹 孙达 胡江
(重庆大学生物工程学院，重庆 400030)
摘 要: 木质素是一类不易降解的生物物质，在自然界中，白腐真菌对木质素的降解能力最强。白腐真菌降解木质素
主要依靠分泌的三种酶:木质素过氧化物酶(Lip)、锰过氧化物酶(MnP)和漆酶(Lac)。对白腐真菌分泌的三种木质素降解酶
在性质、分布等方面进行了比较，系统地介绍三种木质素降解酶的催化作用，并阐述其在木质素降解过程中的相互作用。
关键词: 木质素过氧化物酶(Lip) 锰过氧化物酶(MnP) 漆酶(Lac) 木质素 降解
Characteristics of Ligninolytic Enzymes of White-rot Fungus and
Their Interactions in the Process of Lignin Degradation
Tang Ju Duan Chuanren Huang Youying Sun Da Hu Jiang
(Bioengineering College of Chongqing University，Chongqing 400030)
Abstract: Lignin was the biomass that difficult to degraded，but white-rot fungus would show the highest degradability for it．
White-rot fungus degraded lignin depends on three kinds of ligninolytic enzymes:lignin peroxidase(Lip) ，manganese peroxidase(MnP)
and laccase(Lac)． In this paper，the characteristics and distribution of these enzymes were compared． At the same time，the catalysis of
three ligninolytic enzymes were introduced systematically，and the last expounds the interactions of them in the process of lignin degra-
dation．
Key words: Lignin peroxidase(Lip) Mangnase peroxidase(MnP) Laccase(Lac) Lignin Degradation
收稿日期:2011-03-21
基金项目:重庆市自然科学基金项目(1020708920090158) ，重庆市科委项目(1020709220100003) ，“211 工程”三期建设项目(S-09104)
作者简介:唐菊，女，硕士研究生，研究方向:污染物的微生物降解;E-mail:shaojutang@ 163． com
通讯作者:段传人，E-mail:chrduan@ yahoo． com． cn
木质素是针叶树类、阔叶树类和草类植物的基
本化学组分之一，由类苯丙烷单元组成，是一类复杂
的芳香聚合物。木质素结构复杂，单元结构之间多
为醚键和 C-C 键，十分稳定，不易降解［1］。木质素
作为植物的组成部分之一，在造纸制浆工业中通常
是作为废弃物被直接排放到环境中，由于自然界缺
乏对其有效的自净能力，对环境造成了严重的负担，
因此对木质素的降解研究受到广泛关注。在自然界
中能够有效降解木质素的微生物包括多种真菌、放
线菌及细菌，而能够彻底将木质素分解的主要是真
菌类，其中白腐菌是降解木质素能力最强的一类真
菌。白腐菌是一类能够在缺乏营养的木质上生长，
并能够将植物的木质组织(纤维素、半纤维素和木
质素等)全部降解，引起木质白色腐烂的真菌，这类
真菌能够分泌一种或多种木质素降解酶，将木质素
降解成为其生长所必需的碳源，从而把木质素降解
成 CO2 和 H2O。木质素降解酶主要包括了 3 种酶:
木质素过氧化物酶(lignin peroxidase，LiP)、锰过氧
化物酶(mangnase peroxidase，MnP)、漆酶(laccase，
Lac)［2，3］，这 3 种木质素降解酶均能单独降解木质
素，也能两两联合，或者 3 种酶一起作用对木质素进
行降解。
1 三种木质素降解酶的比较
1. 1 三种木质素降解酶的结构和组成特点、分布及
产生时间的比较
1. 1. 1 LiP、MnP和 Lac 三种酶的结构及组成特点
2011 年第 10 期 唐菊等:白腐菌木质素降解酶及其在木质素降解过程中的相互作用
LiP和 MnP都属于以 H2O2为电子受体的过氧化
物酶类，化学本质都是含血红素的糖蛋白。LiP 有
多种同工酶，分子量约为 41 － 44 kD，由 10 条长的
蛋白质单链和 1 条短的蛋白质单链组成［4，5］。酶的
活动中心由包埋在蛋白质内的血红素构成，并由 4
个二硫键和 2 个 Ca2 + 来维持其活性部位的结构。
MnP也有多种同工酶，分子量约在 40 － 70 kD之间，
同样由 10 条长的蛋白质单链和 1 条短的蛋白质单
链组成［5，6］。LiP 和 MnP 之间有许多共性，二者不
仅化学本质相同，而且两种酶的氨基酸序列有 43%
都是相同的。虽然二者在性质上有许多相似之处，
但是作为两种不同的过氧化物酶还是存在着一些区
别:MnP的催化活性中心不仅含有血红素，还含有 1
个 Mn2 +;LiP 的同工酶大多数发生了磷酸化，但
MnP同工酶都没有发生磷酸化;LiP 的 C 端在血红
素的两个丙氨酸根之间，MnP 的 C 端与血红素基是
分开的［5］。
Lac与 LiP和 MnP分属于不同的酶类，是一种含
多铜的多酚氧化酶，其化学本质也是一种糖蛋白。因
为 Lac基因具有多样性，且 Lac基因的表达调控在不
同的真菌中有较大差异，所以 Lac的同工酶具有多样
性，Lac也具有多种同工酶。Lac 的分子量约在38 －
150 kD之间，其分子由 520 － 550 个氨基酸的单一多
肽组成［5，7］。典型铜蛋白结构的 Lac的活性中心含有
4个 Cu2 +，根据它们的电子顺磁共振(EPR)特征，可
以将活性中心的 Cu2 +分类:Ⅰ型 Cu2 +呈现多铜蛋白
质典型的蓝色，为蓝型;Ⅱ型 Cu2 +是单电子受体，没有
蓝铜结合的特征，为普通型;Ⅲ型 Cu2 +检测不到，为
偶联的双核铜型，2 个 Cu2 +之间通过水桥(-OH-)联
接。1个Ⅱ型 Cu2 +和 2 个Ⅲ型 Cu2 +形成三核铜簇，
是分子氧还原的位点［2］。
1. 1. 2 三种酶的分布情况 白腐菌是自然界中降
解木质素能力最强的微生物，大多数白腐菌能分泌
一种及多种木质素降解酶，并以木质素降解酶为主
要酶类对木质素进行降解，但木质素降解酶并非白
腐菌所特有的酶类。三种木质素降解酶的分布范围
不相同，Lac最早是日本学者 Yoshida 从漆树渗出物
中分离得到的，后来证实在细菌、真菌及高等植物，
甚至是某些昆虫中都存在，在自然界中的分布范围
最为广泛;LiP 最先在黄孢原毛平革菌(Phanero-
chaete chrysosporium)中被发现的，是白腐菌中最早
被发现的木质素降解酶，普遍存在于白腐菌中，如担
子菌纲的茯革菌科(Corticiaceae)、多孔菌科(Polypo-
raceae)、皱孔菌科(Meruliaceae)及子囊菌纲的曲霉
科(Eurotiaceae)等，并且在某些放线菌、藻类中也有
发现，如在绿孢链霉菌 T7A(Streptomyces viridos-
porus)、熏衣草链霉菌(Streptomyces lavendulae)及威
利颤藻(Oscillatoria willei)中均能检测到 LiP 酶活
性［8 － 10］;MnP 最初也是在黄孢原毛平革菌(P． chry-
sosporium)中发现的，后经证实广泛存在于白腐菌中
的担子菌纲中，如茯革菌科(Corticiaceae)、多孔菌科
(Polyporaceae)、口蘑科(Tricholomataceae)及灵芝菌
科(Ganodermataceae)等菌种中均能检测到 MnP 的
酶活。
1. 1. 3 三种木质素降解酶分泌的时间 白腐菌在
培养基营养丰富时会优先利用易降解的碳源，因此
白腐菌对木质素的降解一般发生在次生代谢阶段。
通常情况下，三种木质素降解酶是白腐菌在限氮时
产生的次生代谢所分泌的胞外酶，但 Lac 是白腐菌
本身就会少量分泌的胞外酶，参与了某些真菌的形
态发生和色素产生等过程，即在营养生长阶段就能
够合成 Lac，并且许多白腐菌分泌少量的胞外漆酶
是由其结构决定的，所以 Lac 并不是严格限氮的次
级代谢产物，通过添加一些特定的添加剂，如阿魏
酸、2，5-二甲基苯胺或 3，4-二甲氧苯甲基醇等也可
以增加 Lac 的分泌量［11，12］。而 LiP 和 MnP 是严格
的次级代谢产物，一般在限氮或限碳的情况下才能
产生。从分泌时间上看，三种酶并非同时分泌，在黄
孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)的液体
培养体系中，MnP出现较 LiP早，第 2 天就能检测出
MnP活性，4 － 5 d 达到高峰，而 LiP 的合成始于第
3 － 4 d，6 － 7 d 达到高峰［2］。Nathan 等［4］对白耙齿
菌(Irpex lacteus)的研究也表明，三种木质素降解酶
在分泌时间上有差异，Lac、MnP 和 LiP 的酶活性分
别在培养第 4 天、第 7 天和第 11 天被检测到。
1. 2 三种木质素降解酶的催化作用及催化循环过程
LiP能催化各种非酚型木质素模式化合物及芳
烃类污染物的氧化，在木质素的降解过程中，LiP 催
化的反应主要有:苄醇的氧化、C-C 键断裂(包括侧
链断裂和开环)、羟基化、脱甲氧基、脱甲基、氧化性
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 10 期
脱氯及酚二聚化或聚合等;MnP 能催化木质素模式
化合物、木质素以及各类酚类化合物等的氧化。在
木质素的降解过程中，MnP 催化的反应主要有:Cα-
Cβ键断裂、C-O键断裂、芳基 －芳基断裂及甲氧基
断裂等;Lac也能催化多种酚类化合物的氧化，其催
化的反应主要有:Cα-Cβ 键断裂、Cα-O 键断裂、脱
甲基、氧化性脱氯、苄醇氧化、氧化性聚合和解
聚等［2］。
3 种木质素降解酶在催化降解木质素的过程
中，不仅各自偏好的化学结构和攻击的官能团存在
差异，而且在此过程中木质素降解酶自身发生的催
化循环过程也不相同。
LiP的催化氧化与其他过氧化物酶一样，需要
H2O2首先对其进行氧化，使其氧化为酶的中间体
compoundⅠ(LiPⅠ) (H2O2使血红素发生 2 个电子
的氧化后，LiP 的酶活性中心的血红素被夺取了 2
个电子，天然状态被改变，其血红素中的 Fe3 +氧化
成 Fe4 +，同时血红素成为一种阳离子自由基，此时
即为 LiPⅠ状态)。LiPⅠ是一种不稳定状态，能夺
取底物分子的 1 个电子，使底物氧化成阳离子自由
基，同时自身还原成另一种中间体 compoundⅡ
(LiPⅡ) (LiPⅡ的血红素中含有不稳定的高价态 Fe
离子) ，LiPⅡ再通过夺取底物分子的 1 个电子，使血红
素中的 Fe4 + 还原成 Fe3 +，LiPⅡ恢复成天然状态的
LiP。在此循环过程中产生的阳离子自由基再去进攻
其他底物，进而引发一系列自由基反应(图 1)［2，14，15］。
图 1 LiP的催化循环
MnP的催化循环与 LiP类似，都需要 H2O2启动
催化循环，同时在催化反应过程中都有酶的中间体
产生，中间体同样是由于血红素中的 Fe3 +变化而产
生的，但 MnP在催化反应过程需要通过 Mn2 +对电
子进行传递。在催化循环初始阶段，首先是 H2O2将
MnP氧化成 compoundⅠ(MnPⅠ) (MnPⅠ的形成过
程同 LipⅠ的形成过程) ，MnPⅠ可以通过夺取 MnⅡ
(Mn2 +)中的 1 个电子，自身还原成 compoundⅡ
(MnPⅡ) ，同时 Mn2 +被氧化成 MnⅢ(Mn3 +) ;MnP
Ⅰ也可以通过直接夺取底物中的 1 个电子形成
Mn2 +，此时底物直接被氧化成阳离子自由基。此过
程中形成的 MnPⅡ再夺取 Mn2 +中的 1 个电子，使其
自身恢复成天然状态的 MnP，同时 Mn2 +被氧化成
Mn3 +。MnP催化循环过程中产生的 Mn3 +是一种强
氧化剂，被有机酸(如草酸)螯合后，离开 MnP 的活
性中心，可以将底物氧化成阳离子自由基，进而引发
一系列的自由基反应(图 2)［2，14，15］。
图 2 MnP的催化循环
Lac催化循环与 MnP、LiP 不同，其分子结构不
存在血红素结构，Lac 的催化循环不需要 H2 O2启
动，就能直接进行。Lac 的活动中心由 4 个 Cu2 +组
成，Lac 的催化反应是通过在这 4 个 Cu2 +之间进行
电子传递实现的。通常 Lac偏好夺取酚类化合物的
电子，将其氧化为苯氧自由基，苯氧自由基再促发一
系列的自由基反应(图 3) ，同时夺取的电子先与Ⅰ
型 Cu2 +结合，再通过 Cys-His 途径将电子传递到三
核铜簇，随后三核铜簇把电子传递给 O2，使之还原
成 H2O
［16］。
2 三种木质素降解酶在木质素降解过程中
的相互作用
在自然状态下，白腐菌分泌的三种木质素降解
酶因分子量较大，都无法穿透木质细胞壁，三种木质
素降解酶在降解初期都不能与木质素直接接触，而
只能通过氧化还原一些低分子量的底物形成自由
基，由自由基再去完成后续的反应，逐步降解木质
素。因此，三种木质素降解酶对木质素的降解作用
都可以理解为触发了自由基的链反应。
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2011 年第 10 期 唐菊等:白腐菌木质素降解酶及其在木质素降解过程中的相互作用
图 3 Lac的催化循环
在自然界中，除灰盖鬼伞(Coprinus cinereus)、原
毛平革菌属的 Phanerochaete sordida 和朱红栓菌
(Trametes cinnabarina)等少数白腐菌只能分泌一种
木质素降解酶外［17］，绝大多数白腐菌能够同时分泌
2 种或 3 种木质素降解酶。例如黄孢原毛平革菌
(Phanerochaete chrysosporium)、黑管孔菌(Bjerkan-
dera adusta)能同时分泌 MnP和 Lip［18］;污色原毛平
革菌(Phanerochaete sordida)、变色栓菌(Trametes
versicolor)和木蹄层孔菌(Fomes fomentarius)等能同
时分泌 MnP 和 Lac［19，20］;绒囊齿耙菌(Irpex lacte-
us)、多带革孔菌(Coriolospsis polyzona)能同时分泌
三种木质素降解酶［21，22］。因此，在自然界白腐菌降
解木质素时，通常也是两种或两种以上的木质素降解
酶共同降解木质素，而单一的木质素降解酶降解木质
素的情况比较少。一种木质素降解酶也很难将木质
素彻底降解，例如 LiP和MnP都有氧化木质素化合物
的功能，但是两种酶降解的是木质素中不同的结构，
LiP主要降解木质素中的非酚型结构，而 Lac、MnP主
要降解木质素中的酚型结构，因此单一木质素降解酶
并不能构成降解木质素的完整体系［13，14］。
2. 1 MnP与 LiP的相互作用
MnP与 LiP 虽然同为过氧化物酶，但在 LiP 和
MnP共同降解木质素时，这两种木质素降解酶不仅
在降解机制上存在差异，在降解过程中两种酶又有
各自的偏好底物，但两种木质素降解酶却存在某种
联系，使二者可以相互作用，共同降解木质素。
H2O2是 MnP和 LiP催化循环的共底物，通常情
况下，白腐菌通过产 H2O2 酶系，如葡萄糖氧化酶
(GOD)、乙二醛氧化酶(GLO)、芳基醇氧化酶
(AAO)或纤维二糖还原酶(CDH)提供 H2O2，但
MnP 也在 Mn2 + 和 O2的参与下，使氧化谷胱甘肽
(GSH)或还原性辅酶Ⅱ(NADPH)产生 H2 O2。因
此，在木质素降解过程中 MnP 可以为 LiP 的降解反
应提供 H2O2。
Mn2 +对于 MnP 的催化循环是不可缺少的递电
子体，而当反应体系中存在 LiP的底物(如藜芦醇和
Mn3 +的鳌合剂(如草酸)时，LiP同样会将 Mn2 +氧化
成 Mn3 +，从而使 Mn2 +成为能够参与 MnP 和 LiP 催
化循环的共底物。LiP与 MnP之间的联系也是这个
共底物建立起来的，Mn2 + 浓度是影响白腐菌合成
MnP和 LiP的关键因素，Mn2 +作为 MnP合成的诱导
剂及其催化循环过程中的递电子体，当培养基中缺
乏 Mn2 +时，白腐菌不能合成 MnP;培养基的 Mn2 +中
在一定浓度范围内，MnP的活性随着Mn2 +浓度的升
高而升高，而 LiP的活性随着 Mn2 +的浓度的升高而
降低，甚至完全被抑制［23］;当 Mn2 +浓度较低时，细
胞可以合成既是 LiP的诱导物又是偏好底物的藜芦
醇，由此间接增加了 LiP的活性。除了 Mn2 +浓度对
直接影响 LiP与 MnP活性的外，有机酸(如草酸、丙
二酸、苹果酸和乳酸等)的浓度也可以通过 Mn3 +间
接地影响 LiP与 MnP的相对酶活性，即反应体系中
有机酸浓度过低时，由于缺乏合适的鳌合剂，MnP
可使由 Mn3 +发生歧化反应生成 MnO2沉淀，降低了
Mn2 +浓度，从而增强了 LiP 的酶活性。因此，当体
系缺乏有效的 Mn2 +螯合剂时，MnP 对 Mn3 +的歧化
反应可以促进 LiP降解木质素的能力。
2. 2 Lac与 LiP、MnP的相互作用
Lac同时具有催化解聚和聚合木质素的作用，理
论上 Lac单独存在时不能很好地降解木质素，只有反
应体系中同时存在MnP、LiP、GOD和 CDH等其他酶，
以避免降解木质素重新聚合时，才能较好地降解木质
素［24，25］。因此 Lac对木质素的降解在一定程度上依
赖 MnP、LiP和 GOD等酶对木质素的降解。
另一方面，在木质素降解过程中，LiP和 MnP的
催化循环都需要 H2O2的启动，因此在自然状态下，
LiP和 MnP对木质素的降解都依赖产 H2O2酶系提
供 H2O2。而 Lac能够催化酚型二聚体模型物的 β-1
和 β-O-4 等结构，或者催化氧化单体木质素模型物
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(如香草酸、香草醛和香草醇等) ，产生甲氧基取代
的醌，而醌正是产 H2O2酶系所需 O2的来源，由此 3
种木质素降解酶就建立起了一定的联系，可以相互
作用，共同降解木质素［2，14］。
3 结论
白腐菌所分泌的三种木质素降解酶是参与降解
木质素的重要酶类，不同种类的木质素酶之间能够
相互作影响，共同降解木质素，而且这类酶又直接或
间接受到白腐菌分泌的其他酶，如纤维二糖脱氢酶、
产 H2O2的酶、醌还原酶等酶或酶系的影响，因此白
腐菌降解木质素是一个十分复杂的生化过程。
目前在白腐菌降解木质素的研究中，大部分研
究都是针对木质素降解过程中三种木质素降解酶各
自的降解作用，但三种酶的协同作用的具体机制却
鲜有报道。在对白腐真菌降解作用的研究越来越深
入的今天，三种木质素降解酶在木质素降解中的具
体功能，以及它们之间的具体协同机制等问题有待
进一步的研究。
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(责任编辑 狄艳红)
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