stringtranslate.com

Амилаза

Амилаза ( / ˈæ mɪ l eɪ s / ) — фермент , катализирующий гидролиз крахмала ( лат . amylum ) до сахаров . _ Амилаза присутствует в слюне человека и некоторых других млекопитающих, где она начинает химический процесс пищеварения . Продукты, содержащие большое количество крахмала, но мало сахара, такие как рис и картофель , могут приобретать слегка сладковатый вкус при пережевывании, поскольку амилаза расщепляет часть крахмала в сахар. Поджелудочная и слюнная железы вырабатывают амилазу ( альфа-амилазу ) для гидролиза пищевого крахмала до дисахаридов и трисахаридов , которые под действием других ферментов превращаются в глюкозу для снабжения организма энергией. Растения и некоторые бактерии также производят амилазу. Специфические белки амилазы обозначаются разными греческими буквами. Все амилазы являются гликозидгидролазами и действуют по α-1,4- гликозидным связям .

Классификация

α-Амилаза

Альфа-амилазы ( EC 3.2.1.1) ( CAS 9014-71-5) (альтернативные названия: 1,4-α- D -глюканглюканогидролаза; гликогеназа) представляют собой металлоферменты кальция . Действуя в случайных местах крахмальной цепи, α-амилаза расщепляет длинноцепочечные сахариды , в конечном итоге образуя либо мальтотриозу и мальтозу из амилозы , либо мальтозу, глюкозу и «ограничивающий декстрин» из амилопектина . Они принадлежат к семейству гликозидгидролаз 13 (https://www.cazypedia.org/index.php/Glycoside_Hydrolase_Family_13).

Поскольку α-амилаза может действовать в любом месте субстрата , она действует быстрее, чем β-амилаза. У животных это основной пищеварительный фермент, оптимум pH которого составляет 6,7–7,0. [3]

В физиологии человека амилазы как слюны, так и поджелудочной железы являются α-амилазами.

Форма α-амилазы также обнаружена в растениях, грибах ( аскомицеты и базидиомицеты ) и бактериях ( бациллы ).

β-амилаза

Другая форма амилазы — β-амилаза ( EC 3.2.1.2) (альтернативные названия: 1,4-α- D -глюканмальтогидролаза; гликогеназа; сахарогенамилаза) также синтезируется бактериями , грибами и растениями . Действуя с невосстанавливающего конца, β-амилаза катализирует гидролиз второй гликозидной связи α-1,4, отщепляя одновременно две единицы глюкозы ( мальтозу ). Во время созревания фруктов β-амилаза расщепляет крахмал на мальтозу, в результате чего спелые фрукты приобретают сладкий вкус. Они принадлежат к семейству гликозидгидролаз 14 .

В семенах присутствуют как α-амилаза, так и β-амилаза; β-амилаза присутствует в неактивной форме до прорастания , тогда как α-амилаза и протеазы появляются после начала прорастания. Многие микробы также производят амилазу для расщепления внеклеточных крахмалов. Ткани животных не содержат β-амилазу, хотя она может присутствовать в микроорганизмах, содержащихся в пищеварительном тракте . Оптимальный pH для β-амилазы составляет 4,0–5,0. [4]

γ-амилаза

γ-Амилаза ( EC 3.2.1.3) (альтернативные названия: глюкан-1,4-а-глюкозидаза; амилоглюкозидаза; экзо -1,4-α-глюкозидаза; глюкоамилаза; лизосомальная α-глюкозидаза; 1,4-α- D -глюкан глюкогидролаза) расщепляет гликозидные связи α(1–6), а также последнюю гликозидную связь α-1,4 на невосстанавливающем конце амилозы и амилопектина , образуя глюкозу . γ-амилаза имеет наиболее кислый оптимальный pH среди всех амилаз, поскольку она наиболее активна при pH около 3. Они принадлежат к множеству различных семейств GH, таких как семейство гликозидгидролаз 15 в грибах, семейство гликозидгидролаз 31 человеческого MGAM и гликозидгидролазы семейства 97 бактериальных форм.

Использование

Ферментация

α- и β-амилазы играют важную роль в пивоварении пива и ликеров, изготовленных из сахаров, полученных из крахмала . При брожении дрожжи поглощают сахар и выделяют этанол . В пиве и некоторых спиртных напитках сахара, присутствующие в начале брожения, образуются путем «затирания» зерен или других источников крахмала (например, картофеля ). В традиционном пивоварении солодовый ячмень смешивают с горячей водой для получения « затора », которое выдерживают при заданной температуре, чтобы позволить амилазам в солодовом зерне преобразовать крахмал ячменя в сахара. Различные температуры оптимизируют активность альфа- или бета-амилазы, в результате чего образуются разные смеси сбраживаемых и несбраживаемых сахаров. Выбирая температуру затора и соотношение зерна и воды, пивовар может изменить содержание алкоголя, вкусовые ощущения , аромат и вкус готового пива.

В некоторых исторических методах производства алкогольных напитков превращение крахмала в сахар начинается с того, что пивовар пережевывает зерно и смешивает его со слюной. [5] Эта практика продолжает практиковаться при домашнем производстве некоторых традиционных напитков, таких как чхаанг в Гималаях, чича в Андах и касири в Бразилии и Суринаме .

Мучная добавка

Амилазы используются в хлебопечении и для расщепления сложных сахаров, таких как крахмал (содержащийся в муке ), на простые сахара. Дрожжи затем питаются этими простыми сахарами и превращают их в отходы этанола и углекислого газа . Это придает вкус и заставляет хлеб подниматься. Хотя амилазы естественным образом содержатся в дрожжевых клетках, дрожжам требуется время, чтобы выработать достаточное количество этих ферментов для расщепления значительного количества крахмала в хлебе. Это причина долгого брожения теста, такого как закваска . Современные методы производства хлеба включают амилазу (часто в форме солодового ячменя ) в улучшитель хлеба , тем самым делая процесс более быстрым и практичным для коммерческого использования. [6] [ не удалось проверить ]

α-Амилаза часто указывается в качестве ингредиента муки промышленного помола. Пекари, длительное время подвергающиеся воздействию муки, обогащенной амилазой, подвергаются риску развития дерматита [7] или астмы . [8]

Молекулярная биология

В молекулярной биологии наличие амилазы может служить дополнительным методом отбора для успешной интеграции репортерной конструкции помимо устойчивости к антибиотикам . Поскольку репортерные гены фланкированы гомологичными областями структурного гена амилазы, успешная интеграция разрушит ген амилазы и предотвратит деградацию крахмала, которую легко обнаружить с помощью окрашивания йодом .

Медицинское использование

Амилаза также находит медицинское применение при заместительной ферментной терапии поджелудочной железы (PERT). Это один из компонентов Соллпуры ( липротамаза ), который помогает расщеплять сахариды на простые сахара. [9]

Другое использование

Ингибитор альфа-амилазы, называемый фазеоламином, был протестирован в качестве потенциального диетического средства. [10]

При использовании в качестве пищевой добавки амилаза имеет номер E E1100 и может быть получена из поджелудочной железы свиньи или плесневых грибов.

Бактериальная амилаза также используется в моющих средствах для одежды и посудомоечных машинах для растворения крахмала в тканях и посуде.

Фабричные рабочие, которые используют амилазу для любого из вышеперечисленных целей, подвергаются повышенному риску профессиональной астмы . Пять-девять процентов пекарей имеют положительный кожный тест, а от четверти до трети пекарей с проблемами дыхания имеют гиперчувствительность к амилазе. [11]

Гиперамилаземия

Амилазу сыворотки крови можно измерить в целях медицинской диагностики . Концентрация, превышающая норму, может отражать любое из нескольких заболеваний, включая острое воспаление поджелудочной железы (которое можно измерить одновременно с более специфической липазой ), [12] перфоративную пептическую язву , перекрут кисты яичника , странгуляцию , кишечную непроходимость , мезентериальную ишемия , макроамилаземия и эпидемический паротит . Амилазу можно измерять в других жидкостях организма, включая мочу и перитонеальную жидкость.

Исследование, проведенное в январе 2007 года Вашингтонским университетом в Сент-Луисе, предполагает, что тесты на фермент в слюне могут использоваться для выявления дефицита сна , поскольку фермент увеличивает свою активность в зависимости от продолжительности времени, в течение которого субъект был лишен сна. [13]

История

В 1831 году Эрхард Фридрих Лейхс (1800–1837) описал гидролиз крахмала слюной благодаря наличию в слюне фермента « птиалина » — амилазы. [14] [15] он был назван в честь древнегреческого названия слюны: πτύαλον - птиалон .

Современная история ферментов началась в 1833 году, когда французские химики Ансельм Пайен и Жан-Франсуа Персо выделили из прорастающего ячменя амилазный комплекс и назвали его « диастаза ». [16] [17] Именно от этого термина все последующие названия ферментов имеют тенденцию заканчиваться суффиксом -аза.

В 1862 году Александр Якулович Данилевский (1838–1923) отделил панкреатическую амилазу от трипсина . [18] [19]

Эволюция

Слюнная амилаза

Сахариды – это источник пищи, богатый энергией. Крупные полимеры, такие как крахмал, частично гидролизуются во рту ферментом амилазой, а затем расщепляются до сахаров. У многих млекопитающих наблюдалось значительное увеличение числа копий гена амилазы. Эти дупликации позволяют панкреатической амилазе AMY2 повторно нацеливаться на слюнные железы, позволяя животным определять крахмал по вкусу и переваривать крахмал более эффективно и в больших количествах. Это произошло независимо у мышей, крыс, собак, свиней и, самое главное, у людей после сельскохозяйственной революции. [20]

После сельскохозяйственной революции, произошедшей 12 000 лет назад, рацион человека стал больше смещаться в сторону одомашнивания растений и животных вместо охоты и собирательства . Крахмал стал основным продуктом питания человека.

Несмотря на очевидные преимущества, древние люди не обладали амилазой слюны, и эта тенденция также наблюдается у эволюционных родственников человека, таких как шимпанзе и бонобо , которые обладают либо одной копией гена, ответственного за выработку амилазы слюны, либо ни одной копии. [21]

Как и у других млекопитающих, альфа-амилаза поджелудочной железы AMY2 дублировалась несколько раз. Одно событие позволило ему развить специфичность слюны, что привело к выработке в слюне амилазы (называемой у людей AMY1 ). Область 1p21.1 хромосомы 1 человека содержит множество копий этих генов, называемых по-разному AMY1A , AMY1B , AMY1C , AMY2A , AMY2B и так далее. [22]

Однако не все люди обладают одинаковым количеством копий гена AMY1 . Популяции, которые, как известно, больше полагаются на сахариды, имеют большее количество копий AMY1, чем человеческие популяции, которые, для сравнения, потребляют мало крахмала. Число копий гена AMY1 у людей может варьироваться от шести копий в сельскохозяйственных группах, таких как европейско-американская и японская (две популяции с высоким содержанием крахмала), до всего лишь двух-трех копий в обществах охотников-собирателей, таких как биака , датог и якуты . [22]

Корреляция, существующая между потреблением крахмала и количеством копий AMY1, специфичных для популяции, позволяет предположить, что большее количество копий AMY1 в популяциях с высоким содержанием крахмала было отобрано в результате естественного отбора и считается благоприятным фенотипом для этих людей. Следовательно, наиболее вероятно, что польза от того, что человек, обладающий большим количеством копий AMY1 в популяции с высоким содержанием крахмала, увеличивает приспособленность и производит более здоровое и приспособленное потомство. [22]

Этот факт особенно очевиден при сравнении географически близких популяций с разными пищевыми привычками, обладающих разным количеством копий гена AMY1 . Так обстоит дело с некоторыми азиатскими популяциями, которые, как было показано, обладают небольшим количеством копий AMY1 по сравнению с некоторыми сельскохозяйственными популяциями в Азии. Это дает убедительные доказательства того, что на этот ген воздействовал естественный отбор, а не возможность того, что ген распространился в результате генетического дрейфа. [22]

Вариации количества копий амилазы у собак отражают таковые у людей, что позволяет предположить, что они приобрели дополнительные копии, следуя за людьми. [23] В отличие от людей, у которых уровень амилазы зависит от содержания крахмала в рационе, дикие животные, потребляющие широкий спектр продуктов, как правило, имеют больше копий амилазы. Возможно, это связано главным образом с обнаружением крахмала, а не с пищеварением. [20]

Рекомендации

  1. ^ Рамасуббу Н., Палот В., Луо Й., Брайер Г.Д., Левин М.Дж. (май 1996 г.). «Структура альфа-амилазы слюны человека с разрешением 1,6 Å: значение ее роли в полости рта». Акта Кристаллографика Д. 52 (3): 435–446. дои : 10.1107/S0907444995014119 . ПМИД  15299664.
  2. ^ Рейзек М, Стивенсон CE, Саутард AM, Стэнли Д, Деньер К, Смит AM, Налдретт MJ, Лоусон DM, Филд РА (март 2011 г.). «Химическая генетика и метаболизм крахмала зерновых: структурные основы нековалентного и ковалентного ингибирования β-амилазы ячменя». Молекулярные биосистемы . 7 (3): 718–730. дои : 10.1039/c0mb00204f. PMID  21085740. S2CID  45819617.
  3. ^ «Влияние pH (Введение в ферменты)». Wortington-Biochem.com . Проверено 17 мая 2015 г.
  4. ^ «Амилаза, Альфа, IUB: 3.2.1.11,4-α-D-глюкан-глюканогидролаза» .
  5. ^ Вадлер Дж. (8 сентября 2009 г.). «Пережуйте, выплюньте, затем заварите. Ура!». Газета "Нью-Йорк Таймс . Проверено 27 марта 2013 г.
  6. ^ Мэтон А., Хопкинс Дж., Маклафлин К.В., Джонсон С., Уорнер М.К., ЛаХарт Д., Райт Дж.Д. (1993). Биология человека и здоровье . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл. ISBN 0-13-981176-1.
  7. ^ Моррен М.А., Янссенс В., Думс-Госсенс А., Ван Хойвельд Е., Корнелис А., Де Вольф-Питерс С., Хереманс А. (ноябрь 1993 г.). «Альфа-амилаза, добавка к муке: важная причина белкового контактного дерматита у пекарей». Журнал Американской академии дерматологии . 29 (5, часть 1): 723–728. дои : 10.1016/0190-9622(93)70237-н. ПМИД  8227545.
  8. ^ Пак Х.С., Ким ХИ, Су Ю.Дж., Ли С.Дж., Ли СК, Ким С.С., Нам Д.Х. (сентябрь 2002 г.). «Альфа-амилаза является основным аллергенным компонентом у пациентов с профессиональной астмой, вызванным экстрактом поджелудочной железы свиньи». Журнал астмы . 39 (6): 511–516. дои : 10.1081/jas-120004918. PMID  12375710. S2CID  23522631.
  9. ^ "Солпура". Антера Фармасьютикалс. Архивировано из оригинала 18 июля 2015 года . Проверено 21 июля 2015 г.
  10. ^ Удани Дж., Харди М., Мэдсен, округ Колумбия (март 2004 г.). «Блокирование всасывания сахаридов и потеря веса: клиническое исследование с использованием запатентованного фракционированного экстракта белой фасоли фазы 2» (PDF) . Обзор альтернативной медицины . 9 (1): 63–69. PMID  15005645. Архивировано из оригинала (PDF) 28 июля 2011 г.
  11. ^ Mapp CE (май 2001 г.). «Агенты, старые и новые, вызывающие профессиональную астму». Профессиональная и экологическая медицина . 58 (5): 354–360, 290. doi :10.1136/oem.58.5.354. ПМК 1740131 . ПМИД  11303086. 
  12. ^ «Острый панкреатит - желудочно-кишечные расстройства». Руководства Merck Профессиональная версия . Мерк.[ постоянная мертвая ссылка ]
  13. ^ «Идентифицирован первый биомаркер сонливости человека» . Записывать . Вашингтонский университет в Сент-Луисе . 25 января 2007 г.
  14. ^
    • Лейхс Э. Ф. (1831 г.). «Wirkung des Speichels auf Stärke» [Влияние слюны на крахмал]. Поггендорф «Анналы физики и химии» . 22 (8): 623. Бибкод : 1831АнП....98..623Л. дои : 10.1002/andp.18310980814.(Современная цитата: Annalen der Physik 98 (8): 623.)
    • Лейхс Э. Ф. (1831 г.). «Über die Verzuckerung des Stärkmehls durch Speichel» [Об осахаривании порошкообразного крахмала слюной]. Archiv für die Gesammte Naturlehre . 21 : 105–107.
  15. ^ «История биологии: Кювье, Шванн и Шлейден». пастер.фр . 8 апреля 2002 г. Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 17 мая 2015 г.
  16. ^ Пайен А, Персоз Дж. Ф. (1833). «Mémoire sur la diastase, les principaux produits de ses réactions et leurs application aux arts industriels» [Мемуары о диастазе, основных продуктах ее реакций и их применении в промышленном искусстве]. Анналы химии и телосложения . 2-я серия. 53 : 73–92.
  17. ^ «Промышленные ферменты для производства продуктов питания». Архивировано из оригинала 5 декабря 2008 года.
  18. ^ Данилевский А.Я. (1862). «Über specifisch wirkende Körper des natürlichen und künstlichen pancreatischen Saftes» [О принципах специфического действия естественной и искусственной жидкости поджелудочной железы]. Архив Вирхова для патологической анатомии, физиологии и клинической медицины . 25 : 279–307.Аннотация (на английском языке).
  19. ^ «История ферментации и ферментов». navi.net . Архивировано из оригинала 10 января 2022 г. Проверено 25 октября 2008 г.
  20. ^ аб Пажич П., Павлидис П., Дин К., Незнанова Л., Романо Р.А., Гарно Д. и др. (май 2019 г.). «Всплески числа копий независимого гена амилазы коррелируют с диетическими предпочтениями млекопитающих». электронная жизнь . 8 . doi : 10.7554/eLife.44628 . ПМК 6516957 . ПМИД  31084707. 
  21. ^ Вуорисало Т, Арьямаа О (март – апрель 2010 г.). «Гено-культурная коэволюция и диета человека». Американский учёный . 98 (2): 140. дои : 10.1511/2010.83.140. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 15 августа 2015 г.
  22. ^ abcd Перри Г.Х., Домини Нью-Джерси, Клоу К.Г., Ли А.С., Фиглер Х., Редон Р., Вернер Дж., Вилланея Ф.А., Маунтин Дж.Л., Мисра Р., Картер Н.П., Ли С., Стоун AC (октябрь 2007 г.). «Диета и эволюция изменения количества копий гена амилазы человека». Природная генетика . 39 (10): 1256–1260. дои : 10.1038/ng2123. ПМК 2377015 . ПМИД  17828263. 
  23. ^ Арендт М., Кэрнс К.М., Баллард Дж.В., Саволайнен П., Аксельссон Э. (ноябрь 2016 г.). «Адаптация диеты у собак отражает распространение доисторического земледелия». Наследственность . 117 (5): 301–306. дои : 10.1038/hdy.2016.48 . ПМК 5061917 . ПМИД  27406651.