什么是乳酸氧化酶？

乳酸氧化酶 (Lox, EC 1.1.3.2) 是一種同源四聚體黃素蛋白，可催化 α-羥基酸的氧化。 這種酶的系統(tǒng)名稱是 (S)-lactate:oxygen 2-oxidoreductase (decarboxylating)。 其他常用名稱包括乳酸氧化脫羧酶、乳酸氧化酶、乳酸加氧酶、乳酸加氧酶、乳酸氧化酶、L-乳酸單加氧酶、乳酸單加氧酶、L-乳酸-2-單加氧酶。 L-乳酸氧化酶是含F(xiàn)MN酶家族的新成員，包括乙醇酸氧化酶、L-乳酸氧化酶、L-乳酸單加氧酶、黃素細胞色素b2、長鏈α-羥基酸氧化酶和L-扁桃酸脫氫酶。

乳酸氧化酶結構

在 FMN 酶的晶體結構中，輔因子異惡嗪系統(tǒng)幾乎總是以彎曲的形式存在，因此以還原形式存在，但在硫氧還蛋白的結構中以氧化和還原形式存在。還原的輔因子由異惡嗪環(huán)系統(tǒng)中 C4 處的過氧加合物再生。四種相關酶的結構，乙醇酸氧化酶 (GLO)、扁桃酸氧化酶 (MDH) 的可溶性嵌合形式、長鏈羥基酸氧化酶 (HAO) 和黃素細胞色素 b2 (B2) 已通過 X 射線晶體學確定。在這些結構中，每個單體都包含一個經(jīng)典的八鏈 α/β-桶，F(xiàn)MN 輔因子和底物的結合位點位于 β-桶的 C 端。在 GLO 和 HAO 中，生物活性單元由兩個略微旋轉堆疊的四聚體組成。 MDH 中的活性單元包含一個四聚體，但在 B2 中，它是一個異二聚體，包含兩個具有 FMN 結合位點和底物結合位點的 α/β-桶。 B2一直是闡明反應機理的研究對象，但它與其他化合物有些不同，因為其中一條鏈還含有一個參與電子轉移的血紅素單元，因此輔因子的再生是通過不同的途徑進行的。

乳酸氧化酶 (LOX) 的不對稱單元包含兩個緊密排列的四聚體。每個四聚體形成一個生物活性單元，并具有類似于乙醇酸氧化酶的內部 422 對稱性。每個 LOX 四聚體的尺寸約為 50х100х100 ?，其 C 端折疊以填充中心孔。每個 LOX 單體相互疊加良好，均方根 (r.m.s.) 偏差在 0.19-0.69 ? 范圍內。最相似的是C和F，最不同的是C和E。下面的討論是基于LOX的單體A。 LOX四聚體疊加在通過結晶學產(chǎn)生的具有r.m.s的GLO四聚體上。 1268 個 Cα 原子的偏差為 1.24 ?。每個 LOX 亞基中的 374 個氨基酸折疊成一個 α/β-桶，桶底有兩條短 β-鏈。一個單體包含 15 個不同大小的 α-螺旋。 FMN結合位點和活性位點位于β-桶的C端，其中LOX殘基190-220形成活性位點的蓋狀結構。該區(qū)域在序列比對中保守性較差，在 GLO、HAO 和 B2 結構中是無序的。

圖 1. L-乳酸氧化酶四聚體，描述了不對稱單元的一半。 （萊羅斯一世，2006）

圖 2. L-乳酸氧化酶四聚體的單體結構。 （萊羅斯一世，2006）

催化機制

乳酸氧化酶是FMN依賴性酶之一，通過FMN輔因子的雙電子還原催化α-羥基酸轉化為α-酮酸。 盡管這一機制的細節(jié)仍在爭論中，但它最終導致兩個電子和兩個質子從還原的輔因子轉移到分子氧，從而產(chǎn)生過氧化氫和α-酮酸，并最終產(chǎn)生氧化的輔因子。 該反應通過乒乓機制進行，該機制具有連續(xù)的還原和氧化步驟。 第一步是從與相鄰堿基的底物α-碳中提取質子以產(chǎn)生碳負離子，然后將兩個電子轉移給輔因子。

應用

乳酸濃度已被廣泛用作臨床診斷中的一個關鍵參數(shù)，用于評估患者健康和疾病研究，并在手術、運動醫(yī)學、休克/創(chuàng)傷和食品行業(yè)進行持續(xù)監(jiān)測。測定乳酸最常用的分析方法包括高效液相色譜法 (HPLC)、熒光法、比色法、化學發(fā)光法和磁共振光譜法。盡管這些方法提供了結果，但它們也有缺點，例如樣品制備需要耗時，由于需要昂貴的機器和訓練有素的人力而成本高昂。然而，生物傳感器可以克服這些限制。與可用于乳酸檢測的各種方法相比，生物傳感方法具有簡單、直接、實時、無需樣品制備（可能需要樣品稀釋）、快速響應、高特異性、經(jīng)濟和高效等優(yōu)點。酶耦合生物傳感器電極的概念是將酶置于電極表面附近。所涉及的酶必須催化涉及消耗電活性反應物或產(chǎn)生電活性物質的反應。然后監(jiān)控消耗或生產(chǎn)過程并直接測量分析物濃度。在L-乳酸生物傳感器的制造中，最常用的生物識別元件是L-乳酸脫氫酶（LDH）和L-乳酸氧化酶（LOD）。 L-LOD在溶解氧存在下催化L-乳酸氧化為丙酮酸，生成過氧化氫，具有電化學活性，可被還原或氧化成與L-乳酸濃度成正比的L-乳酸，因此可用于在生物傳感器中。

圖 3. L-乳酸氧化酶生物傳感器的基本原理。 （Rathee K. 2015）