Лактаза — фермент для расщепления лактозы¶

Лактаза (β-галактозидаза, КФ 3.2.1.23) — фермент класса гидролаз, катализирующий расщепление дисахарида лактозы на моносахариды глюкозу и галактозу. У человека и других млекопитающих фермент локализуется в щёточной кайме энтероцитов тонкой кишки и является ключевым звеном усвоения молочного сахара. Недостаточность лактазы приводит к лактазной недостаточности — состоянию, при котором нерасщеплённая лактоза вызывает нарушения пищеварения.

¶Химическая природа и механизм действия

Лактаза относится к семейству гликозилгидролаз. У млекопитающих она синтезируется как крупный белок-предшественник, который затем расщепляется на два функционально разных домена: собственно лактазный участок и участок, обладающий активностью флоризингидролазы. Оба домена остаются связанными в единый мембранный комплекс.

Реакция, катализируемая ферментом:

лактоза + H₂O → глюкоза + галактоза

Гидролиз происходит по механизму с участием двух остатков глутаминовой кислоты в активном центре: один выступает нуклеофилом, второй — кислотно-основным катализатором. Оптимум активности человеческой лактазы лежит в нейтральной или слабокислой среде (pH около 6), что соответствует условиям тонкой кишки.

¶Биологическая роль

Лактоза — основной углевод молока. Для всасывания в кровь она должна быть предварительно расщеплена до моносахаридов, поскольку специфических транспортёров для дисахарида в кишечнике нет. Лактаза, таким образом, определяет возможность утилизации молочного сахара. У детёнышей млекопитающих активность фермента максимальна в период вскармливания молоком.

У большинства людей после отъёма от груди активность лактазы постепенно снижается — это явление называют лактазной непостоянностью. Однако у части популяций сохраняется так называемая персистенция лактазы, связанная с мутацией в регуляторной области гена LCT. Эта особенность возникла независимо в нескольких скотоводческих культурах и дала возможность взрослым людям усваивать молоко.

¶Генетика и регуляция

Ген лактазы LCT расположен у человека на длинном плече второй хромосомы (2q21). Его экспрессия регулируется расположенным выше по цепи элементом MCM6, в котором находятся ключевые однонуклеотидные полиморфизмы. Наиболее изучен вариант −13910C>T, распространённый в Европе; в африканских и ближневосточных популяциях известны другие варианты персистенции.

Активность фермента меняется в онтогенезе: высока у новорождённых, снижается в детстве у большинства людей. Регуляция носит преимущественно транскрипционный характер и не зависит от количества потребляемой лактозы.

¶Лактазная недостаточность

Различают несколько форм:

• Первичная (генетическая) — связанная с возрастным снижением активности фермента; наиболее распространена.
• Вторичная — развивается вследствие повреждения слизистой тонкой кишки при инфекциях, целиакии, воспалительных заболеваниях.
• Врождённая — редкая тяжёлая форма, при которой фермент отсутствует с рождения.

Симптомы при недостаточности фермента: вздутие, метеоризм, диарея, спазмы после употребления молочных продуктов. Диагностика включает водородный дыхательный тест, определение активности фермента в биоптате кишки и генетическое тестирование.

¶Применение

• Медицина — препараты лактазы в виде таблеток или капель принимают перед едой для компенсации недостаточности; фермент добавляют в безлактозное молоко.
• Пищевая промышленность — используется для получения безлактозных и низколактозных молочных продуктов, а также в производстве сыров и мороженого.
• Биотехнология — β-галактозидазы микроорганизмов (например, из грибов и дрожжей) применяют как промышленные катализаторы; они дешевле и устойчивее человеческого фермента.
• Молекулярная биология — ген lacZ бактерии Escherichia coli, кодирующий β-галактозидазу, служит классическим репортёрным геном и инструментом клонирования.

¶Источники фермента

Промышленно значимые лактазы получают из грибов (Aspergillus), дрожжей (Kluyveromyces) и бактерий. Ферменты микробного происхождения различаются по оптимуму pH и температуре, что определяет их применимость в разных технологических процессах.