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、非ヘム鉄含有タンパク質の一種である。cis,cis-1,4-ペンタジエン構造を有する多価不飽和脂肪酸を特異的に触媒し、分子内酸素化により共役二重結合を有するヒドロペルオキシド誘導体を生成する。リポキシゲナーゼは、加工果実・野菜における好ましくない風味の原因となり得るほか、油脂および油脂含有食品の貯蔵・加工中に色調、香気、呈味の劣化を引き起こすことがある。一方で、リポキシゲナーゼは食品添加物（小麦粉改良剤）として小麦粉の品質向上に寄与し得る。リポキシゲナーゼに関する研究は、現代の食品産業、化学工業、発酵産業等の発展にとって重要な意義を有する。

由来

リポキシゲナーゼは動植物に広く存在し、特にマメ科植物、とりわけダイズにおいて高い酵素活性が認められる。1932年にAndreらは、ダイズにおけるいわゆる豆臭の主因がリポキシゲナーゼであることを見出した。1947年にはTheorellらが、ダイズからリポキシゲナーゼ結晶を初めて抽出した。ダイズ、ソラマメ等のマメ科種子はリポキシゲナーゼに富む。ダイズのタンパク質含量は約40%であり、成熟種子ではリポキシゲナーゼが総タンパク質の1～2%を占める。ダイズ由来リポキシゲナーゼは他植物由来のものに比べ活性が高く、抽出効率も高いことから、多くの研究でダイズリポキシゲナーゼがモデルとして用いられてきた。さらに、藻類、パン酵母、真菌、シアノバクテリアにおいてもLOXの存在が報告されている。

分類

ダイズ種子中のLOXには、LOX-1、LOX-2、LOX-3の3種類のアイソザイムが存在する。さらに、損傷後間もないダイズ葉からLOX-7およびLOX-8のアイソザイムも単離されている。これら2種のアイソザイムは若葉、花、未熟莢にも存在し、高い酵素活性を示すことが確認されている。ダイズLOX-1およびLOX-3の結晶構造は同定されている。研究者らはまた、成熟イネ胚から3種のLOXアイソザイムを単離し、クロマトグラムの溶出順にLOX-1、LOX-2、LOX-3と命名した。このうちLOX-1およびLOX-2はクラスII LOXに、LOX-3はクラスIII LOXに分類される。

構造

リポキシゲナーゼ（LOX、EC 1.13.11.12）は酸化還元酵素であり、非ヘム鉄含有タンパク質の一種である。cis,cis-1,4-ペンタジエン構造を有する多価不飽和脂肪酸を特異的に触媒し、分子内酸素化により共役二重結合を有するヒドロペルオキシド誘導体を生成する。リポキシゲナーゼの活性部位構造は完全には解明されておらず、活性部位の構成要素として鉄、芳香族アミノ酸残基、メチオニン残基等が関与する可能性が示唆されている。ダイズLOX-1モデルでは、鉄イオン中心は5つの内因性配位子と1つの外因性配位子を有する。内因性配位子はヒスチジン残基3つ、イソロイシン残基1つ、アスパラギン残基1つからなり、外因性配位子は水分子である。

性質

LOXは基質に対して構造特異性を示す。cis,cis-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がLOXの基質となり得る。植物における天然基質は主としてリノール酸およびリノレン酸である。動物における天然基質は主としてアラキドン酸である。LOXは由来により基質特異性が異なり、その結果、酸素化位置および生成物が異なる。

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ある。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ある。由来の異なるLOXでは至適pHおよび至適温度が異なる。イネLOXの至適温度は30℃、至適pHは7.6である。ソラマメ種子の至適温度は30℃、至適pHは6である。キュウリLOXの至適温度は40℃、至適pHは7である。トマトLOXの至適温度は20℃、至適pHは6である。

触媒機構

LOXがリノール酸の酸化を触媒する過程は、リノール酸の自動酸化とは異なる。まず、リノール酸がLOXにより酸素化され複合体を形成する。続いて、この複合体は酵素表面に二重ラジカル活性化体を形成し、すなわちリノール酸から酸素分子へ水素イオンおよび電子が移動する。二重ラジカルは酵素分子表面に結合してリノール酸ヒドロペルオキシドを形成し、これが酵素から分離・遊離する。一方、フリーラジカル説では、まず基質から水素原子が離脱すると同時に鉄イオンが還元される。分子状酸素が基質ラジカルと反応して過酸化ラジカルを形成し、この過程でO₂がO₂▪ラジカルへ変換されることを伴う可能性がある。最終的に、過酸化ラジカルはLOX中の鉄により還元されてヒドロペルオキシドとなる。LOX中の鉄はFe³⁺へ変換され、再び活性状態へ戻る。近年、ダイズLOXにおけるプロトンおよび電子の移動反応の解析により、LOX反応中の水素移動説が支持された。すなわち、LOXは基質リノール酸から鉄イオンへの水素原子移動を触媒し、供与体と受容体の間でプロトンと電子が同時に移動することで効率的な水素トンネル効果が生じると考えられている。したがって、LOXの触媒中心は鉄イオンと密接に関連していることが示される。

図2. LOX反応および反応機構の位置特異性（Andreou A. et al. 2009）

用途

リポキシゲナーゼは小麦粉中で色素を酸化し、小麦粉製品を漂白する目的で使用される。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生成し、これがタンパク質分子中のスルフヒドリル基を酸化してジスルフィド結合を形成することで、グルテン強度を増加させる。LOXは多価不飽和脂肪酸の酸化を触媒してヒドロペルオキシドを生成し、これがホモジナイゼーションまたはβ開裂により分解され、アルデヒドやケトン等の二次酸化生成物を生じ、さらに不飽和アルデヒド、ケトン、アルコールへと開裂する。これらは、リンゴ、メロン、マンゴー等に類似した果実様フレーバーを形成する化合物群であるとともに、生鮮魚介、カキ、海藻、青草様等の揮発性フレーバーにも関与する。

多様な香気成分の生成に加え、リポキシゲナーゼは染料、塗料、洗剤、ポリ塩化ビニル（PVC）用可塑剤等の工業生産や、医薬品合成の中間体としても利用され得る。可塑剤の多くは石油由来で製造されているが、脂肪酸または脂肪酸エステルをリポキシゲナーゼにより選択的に触媒して特定の脂肪酸ヒドロペルオキシドおよびそのエステル誘導体を得た後、エポキシ化してエポキシ化油を製造することで、石油使用量の低減が可能となる。ヒドロペルオキシド油を還元してヒドロキシ油脂を得て、これを酸化して不飽和酸およびアルデヒドを生成し、さらに反応させて二塩基酸を得ることができる。これらは食品、化学、バイオテクノロジー産業において重要な用途を有する。

参考文献