Лактозара — фермент расщепления лактозы¶

Лактозара (также β-галактозидаза, β-D-галактозид-галактогидролаза; КФ 3.2.1.23) — фермент класса гидролаз, катализирующий расщепление дисахарида лактозы на моносахариды глюкозу и галактозу. Относится к семейству гликозидаз и широко распространён в природе: его синтезируют бактерии, грибы, растения и животные, включая человека. В организме млекопитающих этот фермент, называемый лактазой (лактаза-флоризингидролаза), локализован в щёточной кайме энтероцитов тонкой кишки и обеспечивает усвоение лактозы — основного углевода молока.

¶История изучения

Ферментативное расщепление лактозы было описано в конце XIX века. В 1889 году немецкий химик Эмиль Фишер и его сотрудники установили, что дрожжи и некоторые микроорганизмы способны сбраживать лактозу только после её предварительного гидролиза. Термин «лактаза» ввёл в употребление голландский биохимик Йоханнес Хендрик ван дер Мер в 1920-х годах. В 1950-х годах были выделены очищенные препараты β-галактозидазы из Escherichia coli и грибов рода Aspergillus. Классификация фермента по номенклатуре Международного союза биохимии и молекулярной биологии (IUBMB) закрепила за ним номер КФ 3.2.1.23. В 1960-х годах были описаны наследственные и приобретённые формы лактазной недостаточности, что стимулировало промышленное производство ферментных препаратов.

¶Химизм реакции

Лактозара катализирует гидролиз β-1,4-гликозидной связи между галактозой и глюкозой:

лактоза + H₂O → галактоза + глюкоза

Механизм реакции включает нуклеофильную атаку остатка глутаминовой кислоты в активном центре фермента на аномерный углерод галактозного остатка с образованием промежуточного галактозил-ферментного комплекса, который затем гидролизуется водой. Помимо гидролиза, многие лактозары обладают трансгликозилирующей активностью, образуя олигосахариды (галактоолигосахариды), что используется в биотехнологии.

¶Источники и классификация

Лактозары подразделяют по происхождению:

• Бактериальные — синтезируются Escherichia coli, Bacillus subtilis, Streptococcus thermophilus, лактобактериями. Оптимум pH обычно близок к нейтральному.
• Грибные — продуцируются Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Kluyveromyces lactis. Часто имеют кислый оптимум pH (3–5) и применяются в пищевой промышленности.
• Растительные — обнаружены в миндале, персиках, яблоках; участвуют в метаболизме галактолипидов.
• Животные (лактаза) — мембранный фермент тонкой кишки млекопитающих.

По структуре выделяют несколько семейств гликозидаз (GH2, GH35, GH42), различающихся аминокислотной последовательностью и трёхмерной укладкой.

¶Лактаза человека

У человека ген LCT, кодирующий лактазу, расположен на длинном плече второй хромосомы (2q21). Фермент встроен в апикальную мембрану энтероцитов. Активность лактазы максимальна у новорождённых, когда молоко является единственным источником питания, и у большинства людей снижается после отнятия от груди — это явление называют лактазной неспецифичностью или гиполактазией взрослого типа. У части популяций (например, у жителей Северной Европы и некоторых скотоводческих народов Африки и Ближнего Востока) сохраняется мутация в регуляторной области гена, обеспечивающая пожизненную активность фермента — так называемую лактазную персистентность.

¶Лактазная недостаточность

Дефицит лактозары приводит к лактазной недостаточности — состоянию, при котором нерасщеплённая лактоза поступает в толстую кишку, где сбраживается микрофлорой. Симптомы включают вздутие, метеоризм, диарею, боли в животе. Различают:

Диагностика основана на водородном дыхательном тесте, определении активности фермента в биоптате кишки и генетическом анализе.

¶Применение

Лактозары широко используются в промышленности и медицине:

• Молочная промышленность — производство безлактозного молока и молочных продуктов путём ферментативного гидролиза лактозы.
• Сыроделие — ускорение созревания сыров, улучшение их консистенции.
• Фармацевтика — ферментные препараты (например, на основе Aspergillus oryzae) для приёма при лактазной недостаточности.
• Биотехнология — получение галактоолигосахаридов (пребиотиков), синтез рекомбинантных белков.
• Аналитика — лактозара применяется в тест-системах для определения лактозы и в молекулярной биологии (например, в системе X-gal для скрининга рекомбинантных клонов).

¶Интересные факты

• Оптимальная температура большинства грибных лактозар — 50–55 °C, что позволяет использовать их в пастеризованных продуктах.
• Фермент из Kluyveromyces lactis (дрожжевая лактозара) имеет нейтральный оптимум pH и применяется для гидролиза лактозы в молоке без изменения вкуса.
• Лактазная персистентность — один из наиболее изученных примеров недавней адаптации человека, связанной с развитием молочного животноводства (коэволюция генов и культуры).
• Иммуноферментный анализ с использованием β-галактозидазы в качестве метки широко применяется в клинической диагностике.