stringtranslate.com

Лактаза

Лактаза ( EC 3.2.1.108) — это фермент , вырабатываемый многими организмами, который необходим для полного переваривания цельного молока . Он расщепляет сахарную лактозу на составные части: галактозу и глюкозу . Лактаза содержится в щеточной кайме тонкого кишечника человека и других млекопитающих. Люди с дефицитом лактазы или отсутствием функциональной лактазы могут испытывать симптомы непереносимости лактозы после употребления молочных продуктов . [1] Лактазу можно приобрести в качестве пищевой добавки , и ее добавляют в молоко для производства «безлактозных» молочных продуктов.

Использование

Использование продуктов питания

Лактаза — это фермент, который у некоторых людей не вырабатывается в тонком кишечнике. [2] Технология производства безлактозного молока, мороженого и йогурта 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, естественным образом содержащуюся в молоке, оставляя он немного сладкий, но усваивается всеми. [4] Без лактазы люди с непереносимостью лактозы переносят лактозу непереваренной в толстую кишку [5] , где бактерии расщепляют ее, образуя углекислый газ, что приводит к вздутию живота и метеоризму.

Медицинское использование

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

Промышленное использование

Лактазу, выпускаемую в промышленных масштабах, можно экстрагировать как из дрожжей , таких как Kluyveromyces fragilis и Kluyveromyces Lactis , так и из плесени, такой как Aspergillus niger и Aspergillus oryzae . [7] Его основное коммерческое использование в добавках заключается в расщеплении лактозы в молоке, чтобы сделать его пригодным для людей с непереносимостью лактозы. [8] [9] Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов 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 лактазы человека составляет около 37 °C [13] , а оптимальный pH — 6. [14]

В процессе метаболизма 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:

C 12 H 22 O 11 + H 2 O → C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 + тепло.
лактоза + H 2 O → β- D -галактоза + D -глюкоза

Каталитический механизм гидролиза D -лактозы сохраняет в продуктах аномерную конфигурацию субстрата. [15] Хотя детали механизма неясны, стереохимическое удержание достигается за счет реакции двойного замещения. Исследования лактазы E. coli показали, что гидролиз инициируется, когда глутаматный нуклеофил атакует фермент 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 воды, в результате чего образуется D -галактоза. [15]

Исследования по модификации субстрата показали, что фрагменты 3'-OH и 2'-OH на галактопиранозном кольце необходимы для ферментативного распознавания и гидролиза. [17] 3'-гидроксигруппа участвует в первоначальном связывании с субстратом, тогда как 2'-группа не необходима для узнавания, но необходима на последующих этапах. Об этом свидетельствует тот факт, что 2-дезоксианалог является эффективным конкурентным ингибитором (K i = 10 мМ). [17] Удаление специфических гидроксильных групп глюкопиранозного фрагмента не устраняет катализ. [17]

Предлагаемый механизм гидролиза лактозы ферментом лактазой

Лактаза также катализирует превращение флоризина во флоретин и глюкозу.

Лактаза ( коммерческий Lactaid ) используется в качестве лекарства от непереносимости лактозы. Поскольку это сложный белок, он не может всасываться в тонком кишечнике. Однако он упакован в кислотоустойчивую таблетку, позволяющую белку проходить через желудочную кислоту и оставаться нетронутым в тонком кишечнике. Таким образом, он может действовать на любые переваренные молекулы лактозы, позволяя организму усваивать их, не оставляя их непереваренными, что может вызвать спазмы и диарею. Поскольку фермент не всасывается через кишечник, он выводится при следующем испражнении.

Структура и биосинтез

Препролактаза, первичный продукт трансляции, имеет единую полипептидную первичную структуру, состоящую из 1927 аминокислот. [18] Его можно разделить на пять доменов: (i) сигнальную последовательность , расщепленную из 19 аминокислот ; (ii) большой домен пропоследовательности, которого нет в зрелой лактазе; (iii) сегмент зрелой лактазы; (iv) трансмембранный гидрофобный якорь; и (v) короткий гидрофильный карбоксильный конец. [18] Сигнальная последовательность расщепляется в эндоплазматическом ретикулуме , и полученный про-ЛПГ массой 215 кДа отправляется в аппарат Гольджи , где он сильно гликозилируется и протеолитически процессируется до зрелой формы. [19] Было показано, что продомен действует как внутримолекулярный шаперон в ЭР, предотвращая расщепление трипсином и позволяя ЛПГ принять необходимую трехмерную структуру для транспортировки в аппарат Гольджи. [20]

Схема процессинга и локализации продукта трансляции лактазы человека

Зрелая лактаза человека состоит из одной полипептидной цепи массой 160 кДа, которая локализуется на мембране щеточной каймы эпителиальных клеток кишечника. Он ориентирован N-концом вне клетки и С-концом в цитозоле. [18] ЛПХ содержит два каталитических центра глутаминовой кислоты. В человеческом ферменте активность лактазы связана с Glu-1749, а Glu-1273 является местом функции флоризингидролазы. [21]

Генетическая экспрессия и регуляция

Лактаза кодируется единственным генетическим локусом на хромосоме 2. [22] Она экспрессируется исключительно энтероцитами тонкого кишечника млекопитающих и в очень низких уровнях в толстой кишке во время развития плода. [22] Люди рождаются с высоким уровнем экспрессии лактазы. У большей части 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 по выработке лактазы. Непереносимость лактозы у младенцев (врожденная лактазная недостаточность) вызвана мутациями в гене LCT . Считается, что мутации нарушают функцию лактазы, в результате чего у пораженных младенцев наблюдается серьезное нарушение способности переваривать лактозу в грудном молоке или молочной смеси. [24]

В некоторых сегментах населения наблюдается персистенция лактазы в результате мутации, которая, как предполагается, произошла 5 000–10 000 лет назад, что совпало с ростом одомашнивания крупного рогатого скота. [25] Эта мутация позволила почти половине населения мира усваивать лактозу без каких-либо симптомов. Исследования связали возникновение персистенции лактазы с двумя различными однонуклеотидными полиморфизмами, расположенными примерно в 14 и 22 тысячах оснований выше 5'-конца гена LPH. [26] Обе мутации, C→T в положении -13910 и G→A в положении -22018, независимо связаны с персистенцией лактазы. [27]

Промотор лактазы имеет длину 150 пар оснований и расположен выше места инициации транскрипции. [27] Эта последовательность высоко консервативна у млекопитающих, что позволяет предположить, что критические регуляторы цис-транскрипции расположены поблизости. [27] Cdx-2 , HNF-1α и GATA были идентифицированы как факторы транскрипции. [27] Исследования возникновения гиполактазии показали, что, несмотря на полиморфизмы, существует небольшая разница в экспрессии лактазы у младенцев, показывая, что мутации становятся все более актуальными в процессе развития. [28] ДНК-связывающие белки, регулируемые развитием, могут подавлять транскрипцию или дестабилизировать транскрипты мРНК, вызывая снижение экспрессии ЛПХ после отъема от груди. [28]

Смотрите также

Рекомендации

  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». Клиника Майо . Проверено 13 марта 2018 г.
  3. ^ Порч К (12 апреля 2018 г.). «Безлактозное молоко, нежирный сыр и другие открытия в области молочных продуктов». www.federallabs.org . Проверено 26 октября 2018 г.
  4. ^ «Вопрос: Как молочные заводы производят безлактозное молоко?». США сегодня . 3 сентября 2014 года . Проверено 13 марта 2018 г.
  5. ^ «Непереносимость лактозы - Симптомы и причины» . Клиника Майо . Проверено 8 ноября 2020 г.
  6. ^ «Непереносимость лактозы». НИДДК . Июнь 2014 года . Проверено 25 октября 2016 г.
  7. ^ Сейис I, Аксоз Н (2004). «Производство лактазы Trichoderma sp». Пищевые технологии и биотехнологии . 42 (2): 121–124.
  8. ^ DSM Food Specialities (3 апреля 2014 г.). «Уведомление GRAS о кислой лактазе из Aspergillus oryzae, экспрессируемой в Aspergillus niger» (PDF) . п. 1. Архивировано из оригинала 31 октября 2017 года – через Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.
  9. ^ Холсингер В.Х. (1992). «Инновационные продукты для пищевой промышленности: история Lactaid». Новые культуры, новое использование, новые рынки: Ежегодник сельского хозяйства 1992 года . Министерство сельского хозяйства США. стр. 256–258.
  10. ^ Тарантино, LM (12 декабря 2003 г.). «Письмо-ответ агентства, уведомление GRAS № GRN 000132». Управление по контролю за продуктами и лекарствами США. Архивировано из оригинала 26 марта 2011 года.
  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» . Ферментас. Архивировано из оригинала 19 октября 2008 года.
  13. ^ Эрмида С., Корралес Г., Каньяда Ф.Дж., Арагон Дж.Дж., Фернандес-Майоралас А. (июль 2007 г.). «Оптимизация ферментативного синтеза β-D-галактопиранозил-D-ксилозы для их использования в оценке активности лактазы in vivo ». Биоорганическая и медицинская химия . 15 (14): 4836–40. дои : 10.1016/j.bmc.2007.04.067. hdl : 10261/81580. ПМИД  17512743.
  14. ^ Сковбьерг Х, Сьёстрем Х, Норен О (март 1981 г.). «Очистка и характеристика амфифильной лактазы/флоризингидролазы из тонкого кишечника человека». Европейский журнал биохимии . 114 (3): 653–61. doi :10.1111/j.1432-1033.1981.tb05193.x. ПМИД  6786877.
  15. ^ аб Синнотт М (ноябрь 1990 г.). «Каталитические механизмы ферментативного переноса гликозила». хим. Преподобный . 90 (7): 1171–1202. дои : 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. дои : 10.1021/bi011727i. ПМИД  11732897.
  17. ^ abc Фернандес П., Каньяда Ф.Дж., Хименес-Барберо Дж., Мартин-Ломас М. (июль 1995 г.). «Субстратная специфичность тонкокишечной лактазы: изучение стерических эффектов и водородных связей, участвующих во взаимодействии фермент-субстрат». Исследование углеводов . 271 (1): 31–42. дои : 10.1016/0008-6215(95)00034-Q. ПМИД  7648581.
  18. ^ abc Мантей Н., Вилла М., Энцлер Т., Вакер Х., Болл В., Джеймс П., Хунцикер В., Семенза Г. (сентябрь 1988 г.). «Полная первичная структура лактазно-флоризингидролазы человека и кролика: значение для биосинтеза, мембранного закрепления и эволюции фермента». Журнал ЭМБО . 7 (9): 2705–13. doi :10.1002/j.1460-2075.1988.tb03124.x. ПМК 457059 . ПМИД  2460343. 
  19. ^ Наим Х.И., Стерчи Э.Э., Ленце М.Дж. (январь 1987 г.). «Биосинтез и созревание лактазо-флоризингидролазы в эпителиальных клетках тонкой кишки человека». Биохимический журнал . 241 (2): 427–34. дои : 10.1042/bj2410427. ПМЦ 1147578 . ПМИД  3109375. 
  20. ^ Наим Х.И., Джейкоб Р., Наим Х., Сэмбрук Дж.Ф., Гетинг М.Дж. (октябрь 1994 г.). «Про-область кишечной лактазно-флоризингидролазы человека». Журнал биологической химии . 269 ​​(43): 26933–43. дои : 10.1016/S0021-9258(18)47109-8 . ПМИД  7523415.
  21. ^ Зекка Л., Месонеро Дж.Э., Штутц А., Пуаре Дж.К., Джудичелли Дж., Курсио Р., Глур С.М., Семенца Г. (сентябрь 1998 г.). «Кишечная лактаза-флоризингидролаза (ЛПГ): два каталитических сайта; роль поджелудочной железы в созревании про-ЛПГ». Письма ФЭБС . 435 (2–3): 225–8. дои : 10.1016/S0014-5793(98)01076-X . PMID  9762914. S2CID  33421778.
  22. ^ abc Троелсен Дж.Т., Митчелмор С., Сподсберг Н., Йенсен А.М., Норен О., Сьёстрем Х (март 1997 г.). «Регуляция экспрессии гена лактазо-флоризингидролазы с помощью каудального гомеодоменного белка Cdx-2». Биохимический журнал . 322 (Часть 3) (Часть 3): 833–8. дои : 10.1042/bj3220833. ПМЦ 1218263 . ПМИД  9148757. 
  23. ^ Ссылка GH. «Ген LCT». Домашний справочник по генетике . Проверено 3 апреля 2018 г.
  24. ^ «Непереносимость лактозы: MedlinePlus Genetics». medlineplus.gov . Проверено 22 марта 2022 г.
  25. ^ Берсальери Т., Сабети ПК, Паттерсон Н., Вандерплоег Т., Шаффнер С.Ф., Дрейк Дж.А., Родс М., Райх Д.Э., Хиршхорн Дж.Н. (июнь 2004 г.). «Генетические признаки сильного недавнего положительного отбора по гену лактазы». Американский журнал генетики человека . 74 (6): 1111–20. дои : 10.1086/421051. ПМК 1182075 . ПМИД  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. ^ Аб Ван Ю, Харви CB, Холлокс Э.Дж., Филлипс А.Д., Поултер М., Клэй П., Уокер-Смит Дж.А., Ласточка Д.М. (июнь 1998 г.). «Генетически запрограммированное снижение лактазы у детей». Гастроэнтерология . 114 (6): 1230–6. дои : 10.1016/S0016-5085(98)70429-9 . ПМИД  9609760.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме лактазы .