リポキシゲナーゼ

リポキシゲナーゼ（LOX、EC 1.13.11.12）は酸化還元酵素であり、特にシス、シス-1,4-ペンタジエンを持つ多価不飽和脂肪酸を触媒する非ヘム鉄含有タンパク質の一種であり、分子内酸素化によって共役二重結合を持つ過酸化水素誘導体を生成します。リポキシゲナーゼは加工された果物や野菜において望ましくない風味を引き起こす可能性があり、油や油脂食品の保存および加工中に色、香り、味の劣化を引き起こすこともあります。しかし、リポキシゲナーゼは緑の食品添加物として小麦粉の品質を向上させることができます。リポキシゲナーゼに関する研究は、現代の食品産業、化学産業、発酵およびその他の産業の発展にとって非常に重要です。

出典

リポキシゲナーゼは動物や植物に広く存在し、特に大豆において高い酵素活性を持っています。1932年、アンドレ et al. は大豆の豆の風味が主にリポキシゲナーゼによって引き起こされることを発見しました。1947年、テオレル et al. は初めて大豆からリポキシゲナーゼ結晶を抽出しました。大豆、ソラマメ、などの豆類の種子はリポキシゲナーゼが豊富です。大豆のタンパク質含量は約40%であり、成熟した種子ではリポキシゲナーゼが総タンパク質含量の1-2%を占めています。大豆のリポキシゲナーゼ活性は他の植物から抽出されたリポキシゲナーゼよりも高く、大豆からのリポキシゲナーゼの抽出効率も高いです。したがって、ほとんどの研究は大豆リポキシゲナーゼをモデルとして行われています。さらに、LOXは藻類、パン酵母、真菌、シアノバクテリアにも存在することがわかっています。

分類

大豆種子のLOXには、LOX-1、LOX-2、LOX-3の3つのアイソザイムタイプがあります。LOX-7およびLOX-8アイソザイムは、損傷後すぐに大豆の葉からも分離されています。これらの2つのアイソザイムは若い葉、花、未熟な莢にも存在し、高い酵素活性を持つことがわかっています。大豆LOX-1およびLOX-3の結晶構造が特定されています。研究者たちはまた、成熟した米胚から3つのLOXアイソザイムを分離し、クロマトグラムの溶出順序に応じてLOX-1、LOX-2、LOX-3と名付けました。その中でLOX-1およびLOX-2はクラスII LOXに属し、LOX-3はクラスIII LOXに属します。

構造

リポキシゲナーゼは酸化還元酵素であり、特にシス、シス-1,4-ペンタジエンを持つ多価不飽和脂肪酸を触媒し、分子内酸素化によって共役二重結合を持つ過酸化水素誘導体を生成します。リポキシゲナーゼの活性部位の構造は完全には理解されておらず、活性部位群には鉄、芳香族アミノ酸残基およびメチオニン残基が含まれている可能性があります。大豆LOX-1モデルでは、鉄イオン中心には5つの内因性リガンドと1つの外因性リガンドが含まれています。内因性リガンドには3つのヒスチジン残基、1つのイソロイシン残基、1つのアスパラギン残基が含まれています。外因性リガンドは水分子です。

特性

LOXは基質に対して構造的特異性を持っています。シス、シス-1,4-ペンタジエン構造を含む多価不飽和脂肪酸および脂肪酸エステルはLOXの基質として使用できます。植物では、自然基質は主にリノール酸およびリノレン酸です。動物では、自然基質は主にアラキドン酸です。LOXの異なる供給源は異なる基質を持ち、異なる酸素化位置および異なる生成物をもたらします。

LOX-1の基質は不飽和脂肪酸であり、生成物は13-ヒドロペルオキシドです。LOX-2の基質はエステル化基質であり、生成物は9-または13-ヒドロペルオキシドです。異なる供給源からのLOXの最適pH値と温度は異なります。米のLOXの最適温度は30°Cで、最適pHは7.6です。ソラマメの種子の最適温度は30°Cで、最適pHは6です。キュウリのLOXの最適温度は40°Cで、最適pHは7です。トマトのLOXの最適温度は20°Cで、最適pHは6です。

触媒メカニズム

LOXがリノール酸の酸化を触媒するプロセスは、リノール酸の自動酸化とは異なります。まず、リノール酸がLOXに酸素化されて複合体を形成します。次に、複合体は酵素の表面で二重ラジカル活性化剤を形成し、すなわち水素イオンと電子がリノール酸から酸素分子に移動します。二重ラジカルは酵素分子の表面に結合してリノール酸過酸化水素を形成し、酵素から分離されて切り離されます。しかし、自由ラジカル理論では、まず水素原子が基質から離れ、鉄イオンが還元されるとされています。分子状酸素は基質ラジカルと反応して過酸化自由ラジカルを形成し、O₂がO₂ ▪自由ラジカルに変換されることが伴う可能性があります。最終的に、過酸化ラジカルはLOX内の鉄によって還元されて過酸化物を形成します。LOX内の鉄はFe³⁺に変換され、再び活性状態に変換されます。近年、大豆LOXにおけるプロトンと電子の移動反応がLOX反応中の水素移動理論を確認しました。LOXが基質リノール酸から鉄イオンへの水素原子の移動を触媒すると考えられています。プロトンと電子は同時にドナーとアクセプターの間で移動し、効率的な水素トンネリング効果をもたらします。したがって、LOX触媒中心が鉄イオンと密接な関係を持っていることが確認できます。

図2. LOX反応と反応メカニズムの領域特異性。（アンドレウ A. et al. 2009）

応用

リポキシゲナーゼは小麦粉に使用され、粉の色素を酸化し、粉製品を白くします。リポキシゲナーゼは不飽和脂肪酸を酸化して過酸化物を形成し、これがタンパク質分子内のチオール基を酸化して二硫化結合を形成し、グルテンの強度を増加させます。LOXは多価不飽和脂肪酸の酸化を触媒して過酸化物を生成し、これが均質化またはβ-分裂によって分解され、アルデヒドやケトンなどの二次酸素生成物を形成し、さらに不飽和アルデヒド、ケトンおよびアルコールに反応します。これは、リンゴ、メロン、マンゴー、などに似た果物の風味を形成する化合物の一種であり、新鮮な魚、牡蠣、海藻、草の香りなどの揮発性の風味も持っています。

多くの風味物質に加えて、リポキシゲナーゼは染料、コーティング剤、洗剤、ポリ塩化ビニル可塑剤、などの工業生産にも使用され、薬剤合成の中間体としても利用されます。ほとんどの可塑剤は石油から調製されます。脂肪酸または脂肪酸エステルがリポキシゲナーゼによって選択的に触媒されて特定の過酸化脂肪酸およびそのエステルの誘導体を形成し、次にエポキシ化されてエポキシ化油を形成することで、石油の使用量を減らすことができます。過酸化油は還元されて水酸化グリースを得られ、これが酸化されて不飽和酸およびアルデヒドを形成し、さらに反応して二塩基酸を得ることができ、食品、化学、バイオテクノロジー産業において重要な応用があります。

参考文献