ペルオキシダーゼ

ラクトペルオキシダーゼ（EC 1.11.1.7、略称LPまたはLPO）は、動物由来の牛乳に存在するヘモプロテインおよびペルオキシダーゼです。ラクトペルオキシダーゼ、過酸化水素、チオシアン酸塩は「ラクトペルオキシダーゼシステム（LPS）」を形成することができます。この酵素システムは抗菌活性を持ち、冷蔵なしの条件下でグラム陽性菌および陰性菌の成長を抑制し、牛乳の保存期間を延ばし、「冷却滅菌」の効果があります。牛乳中のLPSは抗菌効果だけでなく、過酸化物の蓄積を防ぎ、過酸化物による細胞損傷を回避し、乳房を保護します。

構造

LPは612のアミノ酸残基からなるポリペプチド鎖で構成され、分子量約78 kDの糖タンパク質で、等電点は9.6です。LPは0.07%の鉄分を含むヘム（メトヘモグロビン）と10%の炭水化物を含んでいます。触媒活性中心のヘムは、エステル結合を介してポリペプチド鎖に共有結合したプロトポルフィリンIXで構成されています。研究により、LP構造内のジスルフィド結合の破壊とヘムの有無がLPの活性と安定性に直接影響を与えることがわかっています。LPは人間と牛の牛乳に共通の成分であり、乳腺、唾液腺、涙腺およびその分泌物（牛乳、唾液、涙）に存在する内因性酵素の一つです。乳腺、唾液腺、涙腺に存在するLPの化学的および免疫学的特性は類似しています。

特性

LPは宿主の侵入微生物に対する自然防御システムに参加します。LPは抗菌活性を持ち、さまざまな発癌物質を分解し、動物細胞を過酸化から保護します。LPは牛乳中の熱安定性酵素の一つであり、その破壊は殺菌の指標の一つとして使用されています。従来の殺菌法では牛乳中のLPは不活化されませんが、酸性条件（pH 5.3）下でのLPの熱安定性は低下する可能性があり、これはLPからのカルシウムの放出が熱安定性に大きな影響を与えるためです。LPはリボフラビンの存在下で特に光に敏感です。

濃度と活性

牛乳中のLPはキサンチンオキシダーゼに次いで2番目に豊富な酵素であり、その濃度は約30 mg/Lです。LPの含量の変化は、牛の品種、繁殖サイクル、季節、飼料システムに関連していることが報告されています。他の抗菌タンパク質とは異なり、牛の初乳中のLPの含量は低いが、出産後3〜5日で急速に増加し最大に達します。異なる牛乳源におけるLPの活性は異なります。牛乳中のLPの平均活性は2.3 U/mLであり、人間の牛乳中の活性は低く0.67-0.97 U/mLであり、モルモット中のLPは最高の活性を持ち、22 U/mLに達します。LPの酵素活性は0.02 U/mL以上でなければ抗菌活性を持たないと報告されています。

ラクトペルオキシダーゼシステム

ラクトペルオキシダーゼシステム（LPS）は、ラクトペルオキシダーゼ、チオシアン酸塩（SCN¯）、過酸化水素の3つの成分を含みます。これら3つの成分が一緒に働くときのみ、LPSは抗菌活性を持ちます。実際の応用では、システム内の特定の成分の濃度が不十分な場合、抗菌効果を確保するために追加する必要があり、これをLPSの「活性化」と呼びます。その中で、ラクトペルオキシダーゼの濃度は0.02 U/mL以上でなければなりません。牛乳中の自然なLPの濃度は1.4 U/mLであり、この要件を満たすことができます。チオシアン酸塩は動物の組織や分泌物に広く存在します。牛乳中のチオシアン酸塩の濃度はわずか3-5 μg/mLであり、これはLPS活性の制限要因です。LPSを活性化するために必要なチオシアン酸塩の濃度は約15 μg/mL以上であると報告されているため、外因性のチオシアン酸塩を追加してLPSを活性化する必要があります。ちょうど搾乳された牛乳中の過酸化水素の含量はわずか1-2 μg/mLであり、LPSを活性化するには8-10 μg/mLの過酸化水素が必要であるため、過酸化水素は外部から供給しなければなりません。

触媒メカニズム

図1. ラクトペルオキシダーゼ触媒反応メカニズムの経路。(Seifu E. et al. 2005)

LPによるH₂O₂の過酸化は、3つの異なるサイクルを通じて発生する可能性があり、次のように異なる抗微生物活性をもたらします。

A. 十分な酸化ハロゲンまたはSCN¯が存在する場合、化合物Iの2電子供与体としてLPの最適な活性化を行います。

B. 適切な酸化還元電位のハロゲンまたはSCN¯が不十分な場合、1電子供与体が優勢になり、化合物IIの蓄積とLPの可逆的不活化が生じます。

C. 過剰のH₂O₂が存在する場合、化合物IIIが形成され、LPの不可逆的な不活化に関連します。

抗菌機能

LPSの抗菌特性は、牛乳中のいくつかの微生物の静菌または殺菌作用に現れます。その抗菌メカニズムは、微生物細胞の細胞膜上のチオール基が酸化され、細胞膜構造が破壊され、カリウムイオン、アミノ酸、ポリペプチドが漏出することです。細胞によるグルコース、アミノ酸、プリン、ピリミジンの取り込み、およびタンパク質、DNA、RNAの合成が抑制されます。

異なる細菌はLPSに対して異なる感受性を示します。グラム陰性菌（Pseudomonas、Escherichia coli、Salmonellaなど）は、抑制されるだけでなく、殺されることもあります。Streptococcusや乳酸菌は抑制されるだけです。細菌がLPSの影響を受ける程度は、細菌の細胞膜の構造や特性の違いに関連している可能性があります。グラム陰性菌の細胞膜は、グラム陽性菌の細胞膜よりもLPSによる破壊に対してより敏感です。これにより、一部の栄養素が漏れ出し、細菌自身の栄養素の取り込みが妨げられ、最終的には細菌の死や衰退につながります。

応用

ラクトペルオキシダーゼは効果的な抗菌剤であり、牛乳および乳製品の細菌微生物叢を減少させる抗菌剤として使用されます。過酸化水素とチオシアン酸塩を追加することによってラクトペルオキシダーゼシステムを活性化することで、冷蔵生乳の保存期間が延長されます。比較的熱に強く、牛乳の過剰殺菌の指標として使用されます。ラクトペルオキシダーゼシステムは、歯肉炎や歯周病の治療に適しているとされています。ラクトペルオキシダーゼは、口腔内の細菌を減少させ、その結果、これらの細菌によって生成される酸を減少させるために、歯磨き粉やマウスリンスに使用されています。ラクトペルオキシダーゼ、グルコース、グルコースオキシダーゼ（GOD）、ヨウ化物、チオシアン酸塩の組み合わせは、化粧品の保存に効果的であるとされています。グルコースオキシダーゼとラクトペルオキシダーゼの抗体複合体は、in vitroで腫瘍細胞を殺すのに効果的であることがわかっています。さらに、ラクトペルオキシダーゼにさらされたマクロファージは、癌細胞を殺すように刺激されます。

参考文献