Peroxidase

Lactoperoxidase (EC 1.11.1.7, abgekürzt als LP oder LPO) ist ein Hämoprotein und eine Peroxidase, die in Milch von Tieren vorkommt. Lactoperoxidase, Wasserstoffperoxid und Thiocyanat können ein "Lactoperoxidase-System (LPS)" bilden. Das Enzymsystem hat antibakterielle Aktivität, kann das Wachstum von grampositiven und gramnegativen Bakterien unter Bedingungen ohne Kühlung hemmen, die Haltbarkeit von frischer Milch verlängern und hat die Wirkung der "Kaltsterilisation". LPS in Milch hat nicht nur eine antibakterielle Wirkung, sondern verhindert auch die Ansammlung von Peroxiden, wodurch Zellschäden durch Peroxid vermieden und die Brust geschützt wird.

Struktur

LP besteht aus einer Polypeptidkette, die aus 612 Aminosäureresten besteht, und ist ein Glykoprotein mit einem Molekulargewicht von etwa 78 kD und einem isoelektrischen Punkt von 9,6. LP enthält ein Häm (Methemoglobin) mit einem Eisengehalt von 0,07 % und einem Kohlenhydratgehalt von 10 %. Das Häm des katalytisch aktiven Zentrums besteht aus einem Protoporphyrin IX, das kovalent über eine Esterbindung mit der Polypeptidkette verbunden ist. Studien haben gezeigt, dass die Zerstörung von Disulfidbindungen in der LP-Struktur und das Vorhandensein oder Fehlen von Häm die Aktivität und Stabilität von LP direkt beeinflussen. LP ist eine häufige Zutat in menschlicher und boviner Milch. Es ist eines der endogenen Enzyme, die in der Milchdrüse, Speicheldrüse, Tränendrüse und deren Sekreten (Milch, Speichel und Tränen) vorkommen. Die chemischen und immunologischen Eigenschaften von LP, die in der Milchdrüse, Speicheldrüse und Tränendrüse vorhanden sind, sind ähnlich.

Eigenschaften

LP beteiligt sich am natürlichen Abwehrsystem des Wirts gegen eindringende Mikroorganismen. LP hat antibakterielle Aktivität, baut verschiedene Karzinogene ab und schützt tierische Zellen vor Peroxidation. LP ist eines der thermostabilen Enzyme in Milch, und seine Zerstörung wurde als eines der Indikatoren für die Pasteurisierung verwendet. Die konventionelle Pasteurisierung inaktiviert LP in Milch nicht, aber die thermische Stabilität von LP unter sauren Bedingungen (pH 5,3) kann verringert werden, wahrscheinlich aufgrund der Freisetzung von Calcium aus dem LP, was einen großen Einfluss auf die thermische Stabilität hat. LP ist besonders lichtempfindlich in Gegenwart von Riboflavin.

Konzentration und Aktivität

In boviner Milch ist LP das zweithäufigste Enzym nach Xanthinoxidase, und seine Konzentration beträgt etwa 30 mg/L. Es wurde berichtet, dass die Veränderung des LP-Gehalts mit dem Stamm, dem Fortpflanzungszyklus, der Jahreszeit und dem Fütterungssystem von Rindern zusammenhängt. Es ist zu beachten, dass der Gehalt an LP in bovinem Kolostrum im Gegensatz zu anderen antibakteriellen Proteinen niedriger ist, aber der LP-Gehalt schnell ansteigt und nach 3-5 Tagen nach der Geburt ein Maximum erreicht. Die Aktivität von LP in verschiedenen Milchquellen war unterschiedlich. Die durchschnittliche Aktivität von LP in boviner Milch betrug 2,3 U/mL; die Aktivität von LP in menschlicher Milch war niedriger, 0,67-0,97 U/mL; das LP in Meerschweinchen hat die höchste Aktivität und erreicht 22 U/mL. Es wurde berichtet, dass die Enzymaktivität von LP 0,02 U/mL oder mehr erreichen muss, um eine bakterienhemmende Aktivität zu haben.

Lactoperoxidase-System

Das Lactoperoxidase-System (LPS) umfasst drei Komponenten, nämlich Lactoperoxidase, Thiocyanat (SCN¯) und Wasserstoffperoxid. Nur wenn diese drei Komponenten zusammenarbeiten, hat LPS antibakterielle Aktivität. In praktischen Anwendungen, wenn die Konzentration einer bestimmten Komponente im System nicht ausreicht, muss sie hinzugefügt werden, um die antibakterielle Wirkung sicherzustellen, was als "Aktivierung" von LPS bezeichnet wird. Dabei sollte die Konzentration von Lactoperoxidase nicht weniger als 0,02 U/mL betragen. Die Konzentration von natürlichem LP in boviner Milch beträgt 1,4 U/mL, was diese Anforderung erfüllen kann. Thiocyanat ist weit verbreitet in Geweben und Sekreten von Tieren. Die Konzentration von Thiocyanat in Milch beträgt nur 3-5 μg/mL, was ein begrenzender Faktor für die LPS-Aktivität ist. Es wurde berichtet, dass die Konzentration von Thiocyanat, die zur Aktivierung von LPS erforderlich ist, etwa 15 μg/mL oder mehr beträgt, sodass exogenes Thiocyanat hinzugefügt werden muss, um LPS zu aktivieren. In der frisch extrudierten Milch beträgt der Wasserstoffperoxid-Gehalt nur 1-2 μg/mL, und die Aktivierung von LPS erfordert 8-10 μg/mL Wasserstoffperoxid, sodass Wasserstoffperoxid extern zugeführt werden muss.

Katalytischer Mechanismus

Abbildung 1. Wege im durch Lactoperoxidase katalysierten Reaktionsmechanismus. (Seifu E. et al. 2005)

Die Peroxidation von H₂O₂ durch LP kann durch drei verschiedene Zyklen erfolgen, was zu unterschiedlichen antimikrobiellen Aktivitäten führt:

A. In Gegenwart von ausreichend oxidierenden Halogeniden oder SCN¯ als 2-Elektronendonor für Verbindung I, was eine optimale Aktivierung von LP ergibt.

B. In Gegenwart von unzureichenden Halogeniden oder SCN¯ mit geeignetem Redoxpotential, was zu dominierenden 1-Elektronendonoren und der Ansammlung von Verbindung II sowie reversibler Inaktivierung von LP führt.

C. In Gegenwart eines Überschusses an H₂O₂, was zur Bildung von Verbindung III führt, die mit irreversibler Inaktivierung von LP verbunden ist.

Antibakterielle Funktion

Die antibakteriellen Eigenschaften von LPS zeigen sich in der bakterienhemmenden oder bakteriziden Wirkung auf einige Mikroorganismen in Milch. Ihr antibakterieller Mechanismus besteht darin, dass die Thiolgruppe auf der Plasmamembran der Mikroben oxidiert wird, was zur Zerstörung der Plasmamembranstruktur, zum Austritt von Kaliumionen, Aminosäuren und Polypeptiden führt. Die Aufnahme von Glukose, Aminosäuren, Purinen und Pyrimidinen durch die Zellen sowie die Synthese von Proteinen, DNA und RNA werden gehemmt.

Verschiedene Bakterien haben unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber LPS. Gramnegative Bakterien, wie Pseudomonas, Escherichia coli und Salmonella, können nicht nur gehemmt, sondern auch abgetötet werden. Streptococcus und Milchsäurebakterien können nur gehemmt werden. Das Ausmaß, in dem Bakterien von LPS betroffen sind, kann mit der unterschiedlichen Zellmembranstruktur und den Eigenschaften der Bakterien zusammenhängen. Die Zellmembran von gramnegativen Bakterien ist anfälliger für Zerstörung durch LPS als die Zellmembran von grampositiven Bakterien. Dies führt dazu, dass einige Nährstoffe austreten, was die eigene Nährstoffaufnahme der Bakterien behindert und letztendlich zum Tod oder Rückgang der Bakterien führt.

Anwendung

Lactoperoxidase ist ein effektives antimikrobielles Mittel und wird als antibakterielles Mittel zur Reduzierung der bakteriellen Mikroflores in Milch und Milchprodukten eingesetzt. Die Aktivierung des Lactoperoxidase-Systems durch Zugabe von Wasserstoffperoxid und Thiocyanat verlängert die Haltbarkeit von gekühlter Rohmilch. Es ist ziemlich hitzebeständig und wird als Indikator für Überpasteurisierung von Milch verwendet. Ein Lactoperoxidase-System wird als geeignet für die Behandlung von Gingivitis und Parodontose angesehen. Lactoperoxidase wurde in Zahnpasta oder Mundspülung verwendet, um orale Bakterien zu reduzieren und folglich die von diesen Bakterien produzierte Säure zu verringern. Eine Kombination aus Lactoperoxidase, Glukose, Glukoseoxidase (GOD), Iodid und Thiocyanat wird als effektiv bei der Konservierung von Kosmetika angesehen. Antikörperkonjugate von Glukoseoxidase und Lactoperoxidase haben sich als wirksam bei der Abtötung von Tumorzellen in vitro erwiesen. Darüber hinaus werden Makrophagen, die Lactoperoxidase ausgesetzt sind, stimuliert, um Krebszellen zu töten.

Referenz