stringtranslate.com

Лактаза

Лактаза ( EC 3.2.1.108) — фермент, вырабатываемый многими организмами и необходимый для полного переваривания цельного молока . Он расщепляет сахар лактозу на ее составные части, галактозу и глюкозу . Лактаза находится в щеточной каемке тонкого кишечника человека и других млекопитающих. Люди с дефицитом лактазы или отсутствием функциональной лактазы могут испытывать симптомы непереносимости лактозы после употребления молочных продуктов . [1] Микробная β-галактозидаза (часто свободно называемая лактазой) может быть приобретена в качестве пищевой добавки и добавляется в молоко для производства «безлактозных» молочных продуктов.

Использует

Использование в пищу

Лактаза — это фермент, который некоторые люди не способны вырабатывать в тонком кишечнике. [2] Технология производства молока, мороженого и йогурта без лактозы была разработана Службой сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в 1985 году. [3] Эта технология используется для добавления лактазы в молоко, тем самым гидролизуя лактозу, которая естественным образом содержится в молоке, делая его слегка сладким, но легкоусвояемым для всех. [4] Без лактазы люди с непереносимостью лактозы передают лактозу непереваренной в толстую кишку [5] , где бактерии расщепляют ее, выделяя углекислый газ, который приводит к вздутию живота и метеоризму.

Медицинское применение

Добавки лактазы можно использовать для лечения непереносимости лактозы . [6]

Промышленное использование

Лактаза, производимая в коммерческих целях, может быть извлечена как из дрожжей , таких как Kluyveromyces fragilis и Kluyveromyces lactis, так и из плесени, такой как Aspergillus niger и Aspergillus oryzae . [7] Ее основное коммерческое использование в добавках — расщепление лактозы в молоке, чтобы сделать его пригодным для людей с непереносимостью лактозы. [8] [9] Управление по контролю за продуктами и лекарствами США не проводило независимую оценку этих продуктов. [10]

Лактаза (или аналогичная форма β-галактозидазы ) также используется для скрининга сине-белых колоний в множественных сайтах клонирования различных плазмидных векторов в Escherichia coli или других бактериях. [11] [12]

Механизм

Оптимальная температура для человеческой лактазы составляет около 37 °C [13] , а оптимальный pH — 6. [14]

В метаболизме β-гликозидная связь в D- лактозе гидролизуется с образованием D -галактозы и D -глюкозы, которые могут всасываться через стенки кишечника и попадать в кровоток. Общая реакция, которую катализирует лактаза, выглядит следующим образом:

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6 + тепло .​​​​​​​​​​​
лактоза + H 2 O → β- D -галактоза + D -глюкоза

Каталитический механизм гидролиза D -лактозы сохраняет аномерную конфигурацию субстрата в продуктах. [15] Хотя детали механизма неясны, стереохимическое сохранение достигается за счет реакции двойного замещения. Исследования лактазы E. coli предположили, что гидролиз инициируется, когда нуклеофил глутамата на ферменте атакует с аксиальной стороны галактозильного углерода в β-гликозидной связи. [16] Удаление уходящей группы D -глюкозы может быть облегчено Mg-зависимым кислотным катализом. [16] Фермент высвобождается из α-галактозильного фрагмента при экваториальной нуклеофильной атаке водой, что приводит к образованию D -галактозы. [15]

Исследования модификации субстрата продемонстрировали, что 3′-ОН и 2′-ОН фрагменты на галактопиранозном кольце необходимы для ферментативного распознавания и гидролиза. [17] 3′-гидроксигруппа участвует в первоначальном связывании с субстратом, тогда как 2′-группа не является необходимой для распознавания, но необходима на последующих этапах. Это демонстрируется тем фактом, что 2-дезокси аналог является эффективным конкурентным ингибитором (K i = 10 мМ). [17] Устранение определенных гидроксильных групп на глюкопиранозном фрагменте не устраняет катализ. [17]

Предложенный механизм гидролиза лактозы ферментом лактазой

Лактаза также катализирует превращение флоризина во флоретин и глюкозу.

Лактаза ( коммерческое название Lactaid ) используется в качестве лекарства от непереносимости лактозы. Поскольку это фермент, его функция может быть подавлена ​​кислотностью желудка. Однако он упакован в кислотоустойчивую таблетку, что позволяет ферменту проходить через желудок в нетронутом виде и оставаться в тонком кишечнике. В тонком кишечнике он может воздействовать на проглоченные молекулы лактозы, позволяя организму усваивать переваренный сахар, который в противном случае вызвал бы спазмы и диарею. Поскольку фермент не усваивается, он выводится при следующем испражнении. [ необходима цитата ]

Структура и биосинтез

Препролактаза, первичный продукт трансляции, имеет единственную полипептидную первичную структуру, состоящую из 1927 аминокислот. [18] Ее можно разделить на пять доменов: (i) 19-аминокислотная расщепленная сигнальная последовательность ; (ii) большой домен пропоследовательности, который отсутствует в зрелой лактазе; (iii) сегмент зрелой лактазы; (iv) мембранный гидрофобный якорь; и (v) короткий гидрофильный карбоксильный конец. [18] Сигнальная последовательность расщепляется в эндоплазматическом ретикулуме , и полученный 215-кДа про-LPH отправляется в аппарат Гольджи , где он сильно гликозилируется и протеолитически обрабатывается до своей зрелой формы. [19] Было показано, что продомен действует как внутримолекулярный шаперон в ЭР, предотвращая расщепление трипсином и позволяя ЛПХ принять необходимую трехмерную структуру для транспортировки в аппарат Гольджи. [20]

Схема обработки и локализации трансляционного продукта человеческой лактазы

Зрелая человеческая лактаза состоит из одной полипептидной цепи массой 160 кДа, которая локализуется в мембране щеточной каймы эпителиальных клеток кишечника. Она ориентирована N-концом наружу клетки и C-концом в цитозоле. [18] LPH содержит два каталитических участка глутаминовой кислоты. В человеческом ферменте активность лактазы связана с Glu-1749, тогда как Glu-1273 является участком функции флоризингидролазы. [21]

Генетическая экспрессия и регуляция

У людей лактаза кодируется одним генетическим локусом на хромосоме 2. [22] Она экспрессируется исключительно энтероцитами тонкого кишечника млекопитающих и в очень низких концентрациях в толстой кишке во время развития плода. [22] Люди рождаются с высоким уровнем экспрессии лактазы. У большинства населения мира транскрипция лактазы снижается после отлучения от груди, что приводит к снижению экспрессии лактазы в тонком кишечнике, [22] что вызывает общие симптомы гиполактазии взрослого типа или непереносимости лактозы. [23] Ген LCT обеспечивает инструкции для производства лактазы. Непереносимость лактозы у младенцев (врожденная лактазная недостаточность) вызывается мутациями в гене LCT . Считается, что мутации нарушают функцию лактазы, в результате чего у пораженных младенцев серьезно нарушается способность переваривать лактозу в грудном молоке или молочной смеси. [24]

Некоторые сегменты популяции демонстрируют устойчивость лактазы, вызванную мутацией, которая, как постулируется, произошла 5000–10000 лет назад, совпав с ростом одомашнивания крупного рогатого скота. [25] Эта мутация позволила почти половине населения мира метаболизировать лактозу без симптомов. Исследования связывают возникновение устойчивости лактазы с двумя различными однонуклеотидными полиморфизмами примерно на 14 и 22 килобазы выше 5'-конца гена LPH. [26] Обе мутации, C→T в позиции -13910 и G→ A в позиции -22018, были независимо связаны с устойчивостью лактазы. [27]

Промотор лактазы имеет длину 150 пар оснований и расположен выше места инициации транскрипции. [27] Последовательность высококонсервативна у млекопитающих, что позволяет предположить, что критические цис-транскрипционные регуляторы расположены поблизости. [27] Cdx-2 , HNF-1α и GATA были идентифицированы как факторы транскрипции. [27] Исследования начала гиполактазии продемонстрировали, что, несмотря на полиморфизмы, существует небольшая разница в экспрессии лактазы у младенцев, что показывает, что мутации становятся все более значимыми в процессе развития. [28] Регулируемые развитием ДНК-связывающие белки могут подавлять транскрипцию или дестабилизировать транскрипты мРНК, вызывая снижение экспрессии LPH после отлучения от груди. [28]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ярвеля I, Торниайнен С, Колхо К.Л. (2009). «Молекулярная генетика лактазной недостаточности человека». Анналы медицины . 41 (8): 568–75. дои : 10.1080/07853890903121033 . PMID  19639477. S2CID  205586720.
  2. ^ "Непереносимость лактозы". Mayo Clinic . Получено 13 марта 2018 г.
  3. ^ Porch K (2018-04-12). «Молоко без лактозы, сыр с низким содержанием жира и другие прорывы в области молочных продуктов». www.federallabs.org . Получено 26.10.2018 .
  4. ^ «Спросили: Как молочные заводы производят молоко без лактозы?». USA Today . 3 сентября 2014 г. Получено 13 марта 2018 г.
  5. ^ "Непереносимость лактозы - Симптомы и причины". Клиника Майо . Получено 2020-11-08 .
  6. ^ "Непереносимость лактозы". NIDDK . Июнь 2014. Получено 25 октября 2016 .
  7. ^ Сейис И, Аксоз Н (2004). «Производство лактазы Trichoderma sp». Пищевая технология и биотехнология . 42 (2): 121–124.
  8. ^ DSM Food Specialties (3 апреля 2014 г.). «Уведомление GRAS о кислой лактазе из Aspergillus oryzae, экспрессируемой в Aspergillus niger» (PDF) . стр. 1. Архивировано из оригинала 31 октября 2017 г. – через Управление по контролю за продуктами и лекарствами США.
  9. ^ Holsinger VH (1992). «Инновационные продукты для пищевой промышленности: история Lactaid». Новые культуры, новые применения, новые рынки: Ежегодник сельского хозяйства 1992 года . Министерство сельского хозяйства США. стр. 256–258. Архивировано из оригинала 2022-07-17 . Получено 2022-01-11 .
  10. ↑ Tarantino, LM (12 декабря 2003 г.). «Agency Response Letter GRAS Notice No. GRN 000132». Управление по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США. Архивировано из оригинала 26 марта 2011 г.
  11. ^ Лау Х.М., Ли Л.С., Со У.К., вторник, юго-запад (март 2013 г.). "Введение". Лактаза . Технологический университет Малайзии . Проверено 16 ноября 2018 г.
  12. ^ "pBluescript II KS(+/−), pBluescript II SK(+/−): описание и карта ограничений". Fermentas. Архивировано из оригинала 19 октября 2008 г.
  13. ^ Hermida C, Corrales G, Cañada FJ, Aragón JJ, Fernández-Mayoralas A (июль 2007 г.). «Оптимизация ферментативного синтеза β-D-галактопиранозил-D-ксилозы для их использования при оценке активности лактазы in vivo ». Bioorganic & Medicinal Chemistry . 15 (14): 4836–40. doi :10.1016/j.bmc.2007.04.067. hdl :10261/81580. PMID  17512743.
  14. ^ Skovbjerg H, Sjöström H, Norén O (март 1981). «Очистка и характеристика амфифильной лактазы/флоризингидролазы из тонкого кишечника человека». European Journal of Biochemistry . 114 (3): 653–61. doi :10.1111/j.1432-1033.1981.tb05193.x. PMID  6786877.
  15. ^ ab Sinnott M (ноябрь 1990 г.). «Каталитические механизмы ферментативного переноса гликозила». Chem . Rev. 90 (7): 1171–1202. doi :10.1021/cr00105a006.
  16. ^ ab Juers DH, Heightman TD, Vasella A, McCarter JD, Mackenzie L, Withers SG, Matthews BW (декабрь 2001 г.). «Структурный взгляд на действие β-галактозидазы Escherichia coli (lacZ)». Биохимия . 40 (49): 14781–94. doi :10.1021/bi011727i. PMID  11732897.
  17. ^ abc Fernandez P, Cañada FJ, Jiménez-Barbero J, Martín-Lomas M (июль 1995 г.). "Субстратная специфичность тонкокишечной лактазы: изучение стерических эффектов и водородных связей, участвующих во взаимодействии фермента и субстрата". Carbohydrate Research . 271 (1): 31–42. doi :10.1016/0008-6215(95)00034-Q. PMID  7648581.
  18. ^ abc Mantei N, Villa M, Enzler T, Wacker H, Boll W, James P, Hunziker W, Semenza G (сентябрь 1988 г.). «Полная первичная структура гидролазы лактазы-флоризина человека и кролика: значение для биосинтеза, закрепления на мембране и эволюции фермента». The EMBO Journal . 7 (9): 2705–13. doi :10.1002/j.1460-2075.1988.tb03124.x. PMC 457059 . PMID  2460343. 
  19. ^ Naim HY, Sterchi EE, Lentze MJ (январь 1987). «Биосинтез и созревание гидролазы лактазы-флоризина в эпителиальных клетках тонкого кишечника человека». The Biochemical Journal . 241 (2): 427–34. doi :10.1042/bj2410427. PMC 1147578. PMID  3109375 . 
  20. ^ Naim HY, Jacob R, Naim H, Sambrook JF, Gething MJ (октябрь 1994 г.). «Прорегион кишечной лактазы-флоризингидролазы человека». Журнал биологической химии . 269 (43): 26933–43. doi : 10.1016/S0021-9258(18)47109-8 . PMID  7523415.
  21. ^ Zecca L, Mesonero JE, Stutz A, Poirée JC, Giudicelli J, Cursio R, Gloor SM, Semenza G (сентябрь 1998 г.). «Кишечная лактаза-флоризингидролаза (LPH): два каталитических участка; роль поджелудочной железы в созревании про-LPH». FEBS Letters . 435 (2–3): 225–8. Bibcode : 1998FEBSL.435..225Z. doi : 10.1016/S0014-5793(98)01076-X . PMID  9762914. S2CID  33421778.
  22. ^ abc Troelsen JT, Mitchelmore C, Spodsberg N, Jensen AM, Norén O, Sjöström H (март 1997). "Регулирование экспрессии гена гидролазы лактазы-флоризина каудально-связанным гомеодоменным белком Cdx-2". The Biochemical Journal . 322 ( Pt 3) (Pt. 3): 833–8. doi :10.1042/bj3220833. PMC 1218263 . PMID  9148757. 
  23. ^ Ссылка GH. "LCT gene". Genetics Home Reference . Получено 3 апреля 2018 г.
  24. ^ "Непереносимость лактозы: MedlinePlus Genetics". medlineplus.gov . Получено 2022-03-22 .
  25. ^ Bersaglieri T, Sabeti PC, Patterson N, Vanderploeg T, Schaffner SF, Drake JA, Rhodes M, Reich DE, Hirschhorn JN (июнь 2004 г.). «Генетические сигнатуры сильного недавнего положительного отбора на гене лактазы». American Journal of Human Genetics . 74 (6): 1111–20. doi :10.1086/421051. PMC 1182075 . PMID  15114531. 
  26. ^ Куокканен М, Энаттах Н.С., Оксанен А, Савилахти Э, Орпана А, Ярвеля I (май 2003 г.). «Регуляция транскрипции гена лактазо-флоризингидролазы с помощью полиморфизмов, связанных с гиполактазией взрослого типа». Гут . 52 (5): 647–52. дои :10.1136/gut.52.5.647. ПМЦ 1773659 . ПМИД  12692047. 
  27. ^ abcd Troelsen JT (май 2005 г.). «Гилактазия взрослого типа и регуляция экспрессии лактазы». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Общие предметы . 1723 (1–3): 19–32. doi :10.1016/j.bbagen.2005.02.003. ПМИД  15777735.
  28. ^ ab Wang Y, Harvey CB, Hollox EJ, Phillips AD, Poulter M, Clay P, Walker-Smith JA, Swallow DM (июнь 1998 г.). «Генетически запрограммированное снижение регуляции лактазы у детей». Гастроэнтерология . 114 (6): 1230–6. doi : 10.1016/S0016-5085(98)70429-9 . PMID  9609760.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Лактаза .
  1. ^ Beebe JA, Frey PA (1 октября 1998 г.). «Галактозомутаза: очистка, характеристика и исследования двух важных остатков гистидина». Биохимия . 37 (42): 14989–14997. doi :10.1021/bi9816047. ISSN  0006-2960.