Альфа-амилаза — фермент, расщепляющий крахмал¶

Альфа-амилаза (α-амилаза, КФ 3.2.1.1) — фермент класса гидролаз, расщепляющий α-1,4-гликозидные связи в полисахаридах — крахмале, гликогене и декстрине — с образованием мальтозы, мальтотриозы и α-лимтодекстрина. Входит в семейство гликозил-гидролаз 13-го семейства (GH13). Синтезируется слюнными железами, поджелудочной железой, а также бактериями, грибами и растениями. В клинической медицине активность α-амилазы сыворотки мочи используется как лабораторный маркер панкреатита и ряда других заболеваний.

¶Структура и механизм действия

Молекула α-амилазы человека — водорастворимый белок массой около 56 кДа, состоящий из двух доменов: N-концевого β-домена в виде восьмисегментной β-слабо-коробки и C-концевого α/β-домена, содержащего центральный восьмиспиральный β-бочонок. В активном центре расположены два иона кальция и ион хлора, необходимые для стабилизации третичной структуры и каталитической активности. Ключевые остатки — Asp197, Glu233 и Asp300 — участвуют в кислотно-основном катализе по механизму retaining (с сохранением конфигурации).

Фермент гидролизует внутренние α-1,4-связи в крахмале, но не действует на концевые связи и не разрывает α-1,6-связи в точках ветвления амилопектина. Продуктами полного гидролиза являются мальтоза и мальтотриоза; частичное расщепление даёт α-декстрины с сохранением α-конфигурации у нового восстанавливающего конца — отсюда префикс «альфа» в названии. Оптимум активности — при pH 6,7–7,0 и температуре 37 °C.

¶Классификация

У человека гены AMY1 (саливарная) и AMY2 (панкреатическая) локализованы в коротком плече хромосомы 1 (1p21). Копийность гена AMY1 варьирует от 2 до 15 и коррелирует с долей крахмала в рационе популяций — это один из примеров положительного отбора, связанного с диетой.

¶Биологические функции

В пищеварительной системе α-амилаза обеспечивает первый этап распада сложных углеводов. Саливарная амилаза, содержащаяся в слюне, за 5–10 минут пребывания пищи во рту гидролизует до 60 % крахмала. Далее фермент действует в двенадцатиперстной кишке, где к нему присоединяется панкреатическая амилаза. Образовавшаяся мальтоза и декстрины расщепляются дисахаридазами (мальтазой, изомальтазой) на глюкозу, всасываемую в тонком кишечнике.

Вне пищеварительного тракта α-амилаза обнаружена в слезной жидкости, бронхиальном секрете, яичниках и семенной жидкости, где предположительно участвует в модификации гликопротеинов слизи.

¶Клиническое значение

¶Диагностика

Активность α-амилазы в сыворотке крови и суточной моче — один из старейших лабораторных тестов. Повышение в 3–10 раз характерно для острого панкреатита; при этом панкреатическая изоформа (P-амилаза) преобладает над саливарной (S-амилаза). Другие причины гиперамилаземии: паротит, почечная недостаточность, кишечная непроходимость, внематочная беременность, приём алкоголя, опухоли яичника.

Снижение активности наблюдается при муковисцидозе, тиреотоксикозе, гепатите и хроническом панкреатите с исходом в фиброз (экзокринная недостаточность поджелудочной железы).

¶Патологии, связанные с дефицитом

Врождённая недостаточность саливарной амилазы встречается редко и клинически малозаметна. Полная аглюкозурия — наследственное отсутствие α-амилазы в слюне — описана в небольшом числе случаев.

¶Промышленное применение

α-Амилаза — один из наиболее востребованных ферментов биотехнологии. Мировое производство оценивается в десятки тысяч тонн в год.

• Пищевая промышленность — осахаривание крахмала при производстве сиропов, глюкозы, фруктозы; выпечка (разрыхление теста); пивоварение (сбраживание сусла).
• Текстильная промышленность — отделка тканей (десикация крахмала с одежды перед окрашиванием).
• Бумажная промышленность — модификация крахмальных размеров для укрепления бумаги.
• Молекулярная биология — фермент в буферах для работы с ДНК (разрушение РНК-примесей, удаление геномной ДНК из препаратов РНК).
• Диагностика — компонент реагентов для колориметрического определения активности фермента.

Промышленные α-амилазы получают преимущественно из Bacillus licheniformis и B. amyloliquefaciens с помощью глубинного ферментирования; термостабильные формы работают при 90–105 °C.

¶История изучения

Свойства слюнного фермента, переваривающего крахмал, впервые описал Ансельм Руа в 1833 году, выделив из экстракта ячменя «диастазу» (от греч. διάστασις — «растворение»). Термин «амилаза» введён в 1860-х годах. В 1900-х годах были разделены саливарная и панкреатическая изоформы. Трёхмерная структура саливарной α-амилазы человека решена методом рентгеноструктурного анализа в 1990-е годы (работы группы К. Макфарлейна и др.).

¶История

Источники:

• Voet D., Voet J. G. Biochemistry. — Wiley, 2011.
• Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. — W. H. Freeman, 2017.
• Биохимия: учебник / под ред. В. В. Мещерякова. — М.: ГЭОТАР-Медиа.
• Whitaker J. R. Principles of Enzymology for the Food Sciences. — Marcel Dekker.