Амилаза ( / ˈ æ m ɪ l eɪ s / ) — это фермент , катализирующий гидролиз крахмала (лат. amylum ) в сахара . Амилаза присутствует в слюне человека и некоторых других млекопитающих, где она начинает химический процесс пищеварения . Пища , содержащая большое количество крахмала , но мало сахара, такая как рис и картофель , может приобретать слегка сладковатый вкус при пережевывании, поскольку амилаза расщепляет часть их крахмала на сахар. Поджелудочная железа и слюнная железа вырабатывают амилазу ( альфа-амилазу ) для гидролиза пищевого крахмала в дисахариды и трисахариды , которые преобразуются другими ферментами в глюкозу для снабжения организма энергией. Растения и некоторые бактерии также вырабатывают амилазу. Конкретные белки амилазы обозначаются разными греческими буквами. Все амилазы являются гликозид-гидролазами и действуют на α-1,4- гликозидные связи .
α-амилазы ( EC 3.2.1.1 ) ( CAS 9014–71–5) (альтернативные названия: 1,4-α- D -глюканглюканогидролаза; гликогеназа) являются кальциевыми металлоферментами . Действуя в случайных местах вдоль цепи крахмала, α-амилаза расщепляет длинноцепочечные сахариды , в конечном итоге образуя либо мальтотриозу и мальтозу из амилозы , либо мальтозу, глюкозу и «предельный декстрин» из амилопектина . Они принадлежат к семейству гликозидгидролаз 13 (https://www.cazypedia.org/index.php/Glycoside_Hydrolase_Family_13).
Поскольку она может действовать в любом месте субстрата , α-амилаза имеет тенденцию действовать быстрее, чем β-амилаза. У животных это основной пищеварительный фермент, и его оптимальный pH составляет 6,7–7,0. [3]
В физиологии человека и слюнная, и панкреатическая амилазы являются α-амилазами.
Форма α-амилазы также встречается в растениях, грибах ( аскомицеты и базидиомицеты ) и бактериях ( Bacillus ).
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 α-1,4-гликозидной связи, расщепляя две единицы глюкозы ( мальтозы ) за раз. Во время созревания фруктов β-амилаза расщепляет крахмал на мальтозу, что приводит к сладкому вкусу спелых фруктов. Они относятся 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 вырабатывают амилазу для расщепления внеклеточного крахмала. 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 ( EC 3.2.1.3) (альтернативные названия: глюкан-1,4-a-глюкозидаза; амилоглюкозидаза; экзо -1,4-α-глюкозидаза; глюкоамилаза; лизосомальная α-глюкозидаза; 1,4-α- D -глюканглюкогидролаза) расщепляет α(1–6) гликозидные связи, а также последнюю α-1,4 гликозидную связь на невосстанавливающем конце амилозы и амилопектина , образуя глюкозу . γ-амилаза имеет наиболее кислый оптимальный pH среди всех амилаз, поскольку она наиболее активна около pH 3. Они принадлежат к различным семействам гликозидгидролаз , таким как семейство гликозидгидролаз 15 у грибов, семейство гликозидгидролаз 31 у MGAM человека и семейство гликозидгидролаз 97 у бактериальных форм.
α- и β-амилазы важны при варке пива и спиртных напитков из сахаров, полученных из крахмала . В процессе брожения дрожжи поглощают сахара и выделяют этанол . В пиве и некоторых спиртных напитках сахара, присутствующие в начале брожения, были получены путем «затирания» зерна или других источников крахмала (например, картофеля ). В традиционном пивоварении соложеный ячмень смешивают с горячей водой для создания « затора », который выдерживают при определенной температуре, чтобы амилазы в соложеном зерне могли преобразовать крахмал ячменя в сахара. Различные температуры оптимизируют активность альфа- или бета-амилазы, что приводит к различным смесям сбраживаемых и несбраживаемых сахаров. Выбирая температуру затирания 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, чтобы смешать его со слюной. [5] Эта практика продолжает применяться в домашнем производстве некоторых традиционных напитков, таких как чаанг в Гималаях, чича в Андах и касири в Бразилии и Суринаме .
Амилазы используются в хлебопечении и для расщепления сложных сахаров, таких как крахмал (содержится в муке ), на простые сахара. Затем дрожжи питаются этими простыми сахарами и преобразуют 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 является причиной долго ферментируемого теста, такого как закваска . Современные методы хлебопечения включают амилазы (часто в форме солодового ячменя ) в улучшитель хлеба , тем самым делая процесс более быстрым и практичным для коммерческого использования. [6] [ неудачная проверка ]
α-Амилаза часто указывается в качестве ингредиента на муке, продающейся в коммерческих упаковках. Пекари, которые долгое время подвергаются воздействию муки, обогащенной амилазой, подвержены риску развития дерматита [7] или астмы . [8]
В молекулярной биологии наличие амилазы может служить дополнительным методом отбора для успешной интеграции репортерной конструкции в дополнение к устойчивости к антибиотикам . Поскольку репортерные гены фланкированы гомологичными областями структурного гена амилазы, успешная интеграция нарушит ген амилазы и предотвратит деградацию крахмала, что легко обнаруживается с помощью окрашивания йодом .
Амилаза также имеет медицинское применение при использовании заместительной терапии ферментами поджелудочной железы (PERT). Это один из компонентов в Sollpura ( липротамаза ), помогающий расщеплять сахариды на простые сахара. [9]
Ингибитор альфа-амилазы, называемый фазеоламин, был протестирован в качестве потенциального средства для диетического питания . [10]
При использовании в качестве пищевой добавки амилаза имеет номер E1100 и может быть получена из поджелудочной железы свиньи или плесневых грибов.
Бациллярная амилаза также используется в моющих средствах для одежды и посудомоечных машин для растворения крахмала с тканей и посуды.
Работники фабрик, которые работают с амилазой для любого из вышеперечисленных целей, подвержены повышенному риску профессиональной астмы . Пять-девять процентов пекарей имеют положительный кожный тест, а четверть-третья пекарей с проблемами дыхания имеют повышенную чувствительность к амилазе. [11]
Уровень амилазы в сыворотке крови может быть измерен в целях медицинской диагностики . Концентрация, превышающая норму, может быть признаком любого из нескольких заболеваний, включая острое воспаление поджелудочной железы ( которое может быть измерено одновременно с более специфичным уровнем липазы ), [12] перфорированную язву желудка , перекрут кисты яичника , странгуляцию , непроходимость кишечника , мезентериальную ишемию , макроамилаземию и свинку . Уровень амилазы может быть измерен в других жидкостях организма, включая мочу и перитонеальную жидкость.
Исследование, проведенное в январе 2007 года в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, предполагает, что анализы слюны на фермент могут быть использованы для выявления дефицита сна , поскольку активность фермента увеличивается в зависимости от продолжительности времени, в течение которого субъект был лишен сна. [13]
В 1831 году Эрхард Фридрих Лейхс (1800–1837) описал гидролиз крахмала слюной, обусловленный наличием в слюне фермента « птиалина », амилазы. [14] [15] Он был назван в честь древнегреческого названия слюны: πτύαλον — ptyalon .
Современная история ферментов началась в 1833 году, когда французские химики Ансельм Пайен и Жан-Франсуа Персоз выделили комплекс амилазы из прорастающего ячменя и назвали его « диастаза ». [16] [17] Именно от этого термина все последующие названия ферментов имеют тенденцию заканчиваться на суффикс -аза.
В 1862 году русский биохимик Александр Яковлевич Данилевский (1838–1923) отделил панкреатический амилазу от трипсина . [18] [19]
Сахариды являются источником пищи, богатой энергией. Крупные полимеры, такие как крахмал, частично гидролизуются во рту ферментом амилазой, прежде чем расщепляются далее на сахара. У многих млекопитающих наблюдалось значительное расширение числа копий гена амилазы. Эти дупликации позволяют панкреатической амилазе AMY2 перенацеливаться 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, что наиболее важно, у людей после сельскохозяйственной революции. [20]
После сельскохозяйственной революции 12 000 лет назад рацион человека начал больше смещаться в сторону одомашнивания растений и животных вместо охоты и собирательства . Крахмал стал основным продуктом питания человека.
Несмотря на очевидные преимущества, у ранних людей не было слюнной амилазы, тенденция, которая также наблюдается у эволюционных родственников человека, таких как шимпанзе и бонобо , у которых имеется либо одна, либо ни одной копии гена, ответственного за выработку слюнной амилазы. [21]
Как и у других млекопитающих, панкреатическая альфа-амилаза AMY2 была дублирована несколько раз. Одно событие позволило ей развить слюнную специфичность, что привело к производству амилазы в слюне (названной у людей как AMY1 ). Область 1p21.1 человеческой хромосомы 1 содержит много 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 популяции людей, которые, для сравнения, потребляют мало крахмала. Количество копий гена AMY1 у людей может варьироваться от шести копий в сельскохозяйственных группах, таких как европейско-американцы и японцы (две популяции с высоким содержанием крахмала), до всего лишь двух-трех копий в обществах охотников-собирателей, таких как биака , датог и якуты . [22]
Корреляция, которая существует между потреблением крахмала и числом копий AMY1 , специфичных для популяции, предполагает, что больше копий AMY1 в популяциях с высоким содержанием крахмала было отобрано естественным отбором и считается благоприятным фенотипом для этих особей. Поэтому наиболее вероятно, что преимущество особи, обладающей большим количеством копий AMY1 в популяции с высоким содержанием крахмала, повышает приспособленность и производит более здоровое, более приспособленное потомство. [22]
Этот факт особенно очевиден при сравнении географически близких популяций с разными привычками в еде, которые обладают разным количеством копий гена AMY1 . Так обстоит дело с некоторыми азиатскими популяциями, которые, как было показано, обладают малым количеством копий AMY1 по сравнению с некоторыми сельскохозяйственными популяциями в Азии. Это дает веские доказательства того, что естественный отбор действовал на этот ген, в отличие от возможности того, что ген распространился посредством генетического дрейфа. [22]
Изменения числа копий амилазы у собак отражают изменения в человеческих популяциях, что позволяет предположить, что они приобрели дополнительные копии, следуя за людьми. [23] В отличие от людей, чьи уровни амилазы зависят от содержания крахмала в рационе, дикие животные, питающиеся широким спектром продуктов, как правило, имеют больше копий амилазы. Это может быть связано в основном с обнаружением крахмала, а не с пищеварением. [20]
