LDH

乳酸脱水素酵素（LDH、EC 1.1.1.27）、別名NAD⁺酸化酵素は、ピルビン酸とL-乳酸の可逆的な変換を触媒し、動物組織やさまざまな微生物細胞に広く存在する解糖過程において重要な酸化還元酵素です。乳酸はD-乳酸とL-乳酸の二つの立体配置を持つキラル分子です。ヒトの体はL-乳酸のみを代謝し利用することができます。したがって、世界保健機関は、現在広く使用されているDL-乳酸の代わりにL-乳酸を食品添加物および内服薬として使用することを推奨しています。さらに、L-乳酸、L-乳酸塩およびそのポリマーは、医療、農業、化学産業でも広く使用されています。人々はまた、ポリ-L-乳酸を使用して、生分解性プラスチック、グリーン包装材料、家庭用フィルムを製造し、ますます深刻化する環境汚染問題を解決しようとしています。

出典

乳酸脱水素酵素は心筋、肝臓、腎臓、骨格筋、膵臓、肺などの動物組織に広く存在します。動物のLDHは、分子量が130000から145000の四量体分子です。アイソザイムファミリーに属し、五つの分子形態を持っています。二つの形態は同じサブユニットで構成されています。これら二つのLDHは、心筋に主に分布するH₄と、骨格筋に主に分布するM₄です。他の三つのLDHは混合サブユニットで構成されており、H₃M、H₂M₂、およびHM₃です。どのLDHの形態においても、各HまたはMサブユニットは活性触媒中心を含んでいます。H₃Mのような混合サブユニットの四量体では、触媒の動力学的特性はH₄とM₄の3:1混合物と同じであり、異なるタイプのLDH分子における同じサブユニットの活性中心は非常に類似しており、各サブユニットの触媒反応間に有意な相互作用はありません。

細菌の乳酸脱水素酵素は二つのタイプに分けられます。一つはNAD⁺を補因子とするLDH（NAD依存性LDH、nLDH）であり、もう一つはシトクロムc、FADまたはFMNを持つLDHで、NAD⁺非依存型（NAD非依存性LDH、iLDH）に属します。iLDHは、乳酸を触媒してピルビン酸を生成する嫌気性および好気性細菌の両方に存在し、NAD⁺/NADHを補因子として必要としません。in vivoおよびin vitroの実験では、酵素が逆反応を触媒できることは検出されていません。nLDHは細胞質に存在し、エンブデン–マイヤーホフ–パルナス（EMP経路）の生成過程における重要な酵素です。主にピルビン酸を触媒して乳酸を生成するために使用されます。nLDHの活性は細菌の酸素供給に影響されます。特定の細菌のnLDHはアルカリ条件下で乳酸とNADに結合します。微生物細胞のLDHではアイソザイムは見つからず、その保存状態は動物組織に比べてはるかに劣っています。異なる株のLDH特性はかなり異なります。

触媒メカニズム

L-乳酸脱水素酵素は、NAD⁺/NADHを補因子として使用し、L-乳酸の酸化を可逆的に触媒してピルビン酸を生成します。この反応では、LDHの各サブユニットがそれぞれ基質分子と補因子分子に結合し、独立して反応します。正の反応では、LDHはNAD⁺の助けを借りて、脱プロトン化された乳酸の酸化を可逆的に触媒して脱プロトン化されたピルビン酸とH⁺を生成します。同時に、NAD⁺は基質からH⁺を結合してNADHを形成します。この反応は逆転可能です。反応式は次の通りです：ピルビン酸 + 還元型補因子I + H⁺ → 乳酸 + NAD⁺。E. Silverstein et al.は、LDH触媒反応の触媒メカニズムは次のようであることを示しました。まず、プロテアーゼが補因子（NADH）に結合し、二元複合体を形成します。同時に、酵素の立体構造が変化し、基質であるピルビン酸に結合します。反応中に生成物である乳酸が放出され、その後、酵素は酸化された補因子（NAD⁺）から分離されます。反応中に生成されたH⁺は酵素残基（His-195）に移され、反応完了後に放出されます。

応用

LDHは他の酵素や生物製品を分析する際に重要な価値を持っています。LDHは、アラニンアミノトランスフェラーゼ（ALT）、ATPアーゼ、ミオキナーゼ、ピルビン酸キナーゼなどの他の酵素を検出するための汎用酵素です。ALTは一般的に使用される臨床診断酵素です。組織に損傷が発生すると、細胞内の大量のALTが血液中に放出され、血清中のALT活性が増加します。LDHによるALT活性の測定原理は次の通りです：L-アラニン + α-ケトグルタル酸 → ピルビン酸 + L-グルタミン酸；ピルビン酸 + NADH + H⁺ → L-乳酸 + NAD⁺ + H₂O。NADHの還元により340nmの波長での吸光度が減少し、これはALT活性に比例し、組織が病気であるかどうかを検出します。LDHの純度はALT活性の測定精度に直接影響します。さらに、LDHはトリグリセリドの測定にも非常に重要な役割を果たします。

現在、LDHはナノテクノロジーにも使用されています。ナノゴールド-システアミン修飾金電極の表面にLDHを固定化することにより、新しいナノバイオミメティック機能インターフェースを構築できます。この機能インターフェースに基づく新しい酵素バイオセンサーは、乳酸の電気触媒応答に対して良好な線形関係を示し、乳酸の測定に対して高い感度と選択性を持ち、臨床および生物学的分野での良好な応用の見通しがあります。さらに、NK細胞活性を検出するためのLDHキットの応用も行われています。この方法は、仮の試薬などの煩雑な手順を排除し、自動分析装置でバッチ標準を測定するために使用できます。