Лактаза: фермент расщепления лактозы¶

Лактаза (β-галактозидаза, КФ 3.2.1.23) — фермент класса гидролаз, катализирующий расщепление дисахарида лактозы (молочного сахара) на моносахариды глюкозу и галактозу. У человека и других млекопитающих лактаза вырабатывается клетками слизистой оболочки тонкой кишки и является ключевым ферментом усвоения молочного сахара. Недостаточная активность этого фермента приводит к лактазной недостаточности — состоянию, при котором лактоза не переваривается и вызывает нарушения пищеварения.

¶Химическая природа и механизм действия

Лактаза относится к семейству гликозидаз. Молекула фермента представляет собой крупный интегральный белок, закреплённый в мембране энтероцитов (клеток кишечного эпителия) и обращённый своей активной частью в просвет кишки. Фермент состоит из двух доменов, один из которых несёт каталитическую функцию, а другой выполняет роль якоря, удерживающего белок на мембране.

Реакция, катализируемая лактазой, заключается в гидролизе β-гликозидной связи между галактозой и глюкозой. В результате лактоза распадается на два моносахарида, которые затем всасываются в кровь. Помимо гидролитической активности, фермент способен катализировать реакцию трансгликозилирования — перенос галактозы на другие молекулы.

Оптимум активности человеческой лактазы лежит в диапазоне pH 5,5–6,0, что соответствует среде тонкой кишки. Синтез фермента кодируется геном LCT, расположенным на второй хромосоме.

¶Биологическая роль

Лактоза — основной углевод молока и главный источник энергии для новорождённых млекопитающих. У детёнышей активность лактазы максимальна, что обеспечивает эффективное усвоение материнского молока. У большинства людей активность фермента снижается после отнятия от груди — это явление называют лактазной непостоянностью, или возрастным снижением.

Сохранение высокой активности лактазы во взрослом возрасте (лактазная персистентность) — эволюционное приобретение, возникшее независимо в нескольких популяциях, традиционно занимающихся молочным животноводством. Эта особенность связана с определёнными вариантами регуляторной области гена LCT.

¶Классификация и источники

Лактаза встречается у животных, растений и микроорганизмов.

Микробные лактазы, в отличие от человеческой, часто имеют более широкий диапазон pH и температурной стабильности, что делает их удобными для промышленного применения.

¶Лактазная недостаточность

Недостаточность лактазы — наиболее распространённая форма непереносимости углеводов. Различают несколько типов:

• Первичная (взрослая) недостаточность — генетически обусловленное снижение активности фермента с возрастом; встречается у большинства населения мира.
• Вторичная недостаточность — следствие повреждения слизистой кишки при инфекциях, воспалительных заболеваниях, после операций или приёма некоторых лекарств.
• Врождённая недостаточность — редкое наследственное заболевание, при котором фермент отсутствует с рождения.

При недостатке лактазы нерасщеплённая лактоза поступает в толстую кишку, где сбраживается микрофлорой. Это вызывает вздутие, метеоризм, спазмы и диарею. Выраженность симптомов зависит от количества потреблённой лактозы и остаточной активности фермента.

¶Применение

Лактаза широко используется в пищевой промышленности и медицине.

• Безлактозные продукты. Фермент добавляют в молоко и молочные продукты для расщепления лактозы, что делает их пригодными для людей с непереносимостью.
• Лекарственные препараты. Таблетки и капли с лактазой принимают перед употреблением молочной пищи для улучшения её переваривания.
• Сыроделие и производство мороженого. Фермент влияет на кристаллизацию и сладость продукта, поскольку продукты гидролиза слаще лактозы.
• Биотехнология. Лактаза применяется для получения галактозы и в лабораторных исследованиях.

¶Диагностика активности

Активность лактазы оценивают несколькими методами. Водородный дыхательный тест основан на определении водорода в выдыхаемом воздухе после приёма лактозы. Лактозный толерантный тест измеряет уровень глюкозы в крови. Генетическое тестирование выявляет варианты гена LCT, связанные с персистентностью. Биопсия тонкой кишки позволяет напрямую измерить активность фермента, но применяется редко из-за инвазивности.

¶Эволюция и популяционные различия

Способность переваривать лактозу во взрослом возрасте неравномерно распределена среди населения Земли. Наибольшая распространённость лактазной персистентности характерна для жителей Северной Европы и некоторых скотоводческих народов Африки и Ближнего Востока. У большинства жителей Восточной Азии, коренного населения Америки и Океании активность лактазы во взрослом возрасте снижена. Это отражает историю распространения молочного животноводства и действие естественного отбора.