乳酸氧化酶（Lactate oxidase；CAS：9028-72-2）

什么是乳酸氧化酶？

乳酸氧化酶 (Lox, EC 1.1.3.2) 是一种同源四聚体黄素蛋白，可催化 α-羟基酸的氧化。 这种酶的系统名称是 (S)-lactate:oxygen 2-oxidoreductase (decarboxylating)。 其他常用名称包括乳酸氧化脱羧酶、乳酸氧化酶、乳酸加氧酶、乳酸加氧酶、乳酸氧化酶、L-乳酸单加氧酶、乳酸单加氧酶、L-乳酸-2-单加氧酶。 L-乳酸氧化酶是含FMN酶家族的新成员，包括乙醇酸氧化酶、L-乳酸氧化酶、L-乳酸单加氧酶、黄素细胞色素b2、长链α-羟基酸氧化酶和L-扁桃酸脱氢酶。

乳酸氧化酶结构

在 FMN 酶的晶体结构中，辅因子异恶嗪系统几乎总是以弯曲的形式存在，因此以还原形式存在，但在硫氧还蛋白的结构中以氧化和还原形式存在。还原的辅因子由异恶嗪环系统中 C4 处的过氧加合物再生。四种相关酶的结构，乙醇酸氧化酶 (GLO)、扁桃酸氧化酶 (MDH) 的可溶性嵌合形式、长链羟基酸氧化酶 (HAO) 和黄素细胞色素 b2 (B2) 已通过 X 射线晶体学确定。在这些结构中，每个单体都包含一个经典的八链 α/β-桶，FMN 辅因子和底物的结合位点位于 β-桶的 C 端。在 GLO 和 HAO 中，生物活性单元由两个略微旋转堆叠的四聚体组成。 MDH 中的活性单元包含一个四聚体，但在 B2 中，它是一个异二聚体，包含两个具有 FMN 结合位点和底物结合位点的 α/β-桶。 B2一直是阐明反应机理的研究对象，但它与其他化合物有些不同，因为其中一条链还含有一个参与电子转移的血红素单元，因此辅因子的再生是通过不同的途径进行的。

乳酸氧化酶 (LOX) 的不对称单元包含两个紧密排列的四聚体。每个四聚体形成一个生物活性单元，并具有类似于乙醇酸氧化酶的内部 422 对称性。每个 LOX 四聚体的尺寸约为 50х100х100 Å，其 C 端折叠以填充中心孔。每个 LOX 单体相互叠加良好，均方根 (r.m.s.) 偏差在 0.19-0.69 Å 范围内。最相似的是C和F，最不同的是C和E。下面的讨论是基于LOX的单体A。 LOX四聚体叠加在通过结晶学产生的具有r.m.s的GLO四聚体上。 1268 个 Cα 原子的偏差为 1.24 Å。每个 LOX 亚基中的 374 个氨基酸折叠成一个 α/β-桶，桶底有两条短 β-链。一个单体包含 15 个不同大小的 α-螺旋。 FMN结合位点和活性位点位于β-桶的C端，其中LOX残基190-220形成活性位点的盖状结构。该区域在序列比对中保守性较差，在 GLO、HAO 和 B2 结构中是无序的。

图 1. L-乳酸氧化酶四聚体，描述了不对称单元的一半。 （莱罗斯一世，2006）

图 2. L-乳酸氧化酶四聚体的单体结构。 （莱罗斯一世，2006）

催化机制

乳酸氧化酶是FMN依赖性酶之一，通过FMN辅因子的双电子还原催化α-羟基酸转化为α-酮酸。 尽管这一机制的细节仍在争论中，但它最终导致两个电子和两个质子从还原的辅因子转移到分子氧，从而产生过氧化氢和α-酮酸，并最终产生氧化的辅因子。 该反应通过乒乓机制进行，该机制具有连续的还原和氧化步骤。 第一步是从与相邻碱基的底物α-碳中提取质子以产生碳负离子，然后将两个电子转移给辅因子。

应用

乳酸浓度已被广泛用作临床诊断中的一个关键参数，用于评估患者健康和疾病研究，并在手术、运动医学、休克/创伤和食品行业进行持续监测。测定乳酸最常用的分析方法包括高效液相色谱法 (HPLC)、荧光法、比色法、化学发光法和磁共振光谱法。尽管这些方法提供了结果，但它们也有缺点，例如样品制备需要耗时，由于需要昂贵的机器和训练有素的人力而成本高昂。然而，生物传感器可以克服这些限制。与可用于乳酸检测的各种方法相比，生物传感方法具有简单、直接、实时、无需样品制备（可能需要样品稀释）、快速响应、高特异性、经济和高效等优点。酶耦合生物传感器电极的概念是将酶置于电极表面附近。所涉及的酶必须催化涉及消耗电活性反应物或产生电活性物质的反应。然后监控消耗或生产过程并直接测量分析物浓度。在L-乳酸生物传感器的制造中，最常用的生物识别元件是L-乳酸脱氢酶（LDH）和L-乳酸氧化酶（LOD）。 L-LOD在溶解氧存在下催化L-乳酸氧化为丙酮酸，生成过氧化氢，具有电化学活性，可被还原或氧化成与L-乳酸浓度成正比的L-乳酸，因此可用于在生物传感器中。

图 3. L-乳酸氧化酶生物传感器的基本原理。 （Rathee K. 2015）