Амилаза¶

Амилаза — это фермент класса гидролаз, который катализирует расщепление крахмала, гликогена и родственных полисахаридов до более простых сахаров (в первую очередь мальтозы и глюкозы). Амилаза относится к группе гликозид-гидролаз и присутствует в организмах растений, животных, грибов и микроорганизмов. У человека и других млекопитающих амилаза играет ключевую роль в пищеварении, обеспечивая начальный этап переваривания углеводов.

¶История открытия и изучения

Первые научные наблюдения за действием амилазы относятся к началу XIX века. В 1814 году русский химик К. С. Кирхгоф открыл способность солодового экстракта превращать крахмал в сахар, что стало основой для дальнейшего изучения ферментов. В 1833 году французские химики Ансельм Пайен и Жан-Франсуа Персоз выделили из солода вещество, названное ими «диастазой» (от греч. diastasis — разделение), которое катализировало гидролиз крахмала. Позднее, в 1879 году, немецкий физиолог Вильгельм Кюне ввёл термин «амилаза» (от лат. amylum — крахмал и суффикса «-аза», обозначающего ферменты). В XX веке были установлены механизмы действия амилазы, её молекулярная структура и изоформы, а также разработаны методы её количественного определения в биологических жидкостях.

¶Классификация амилаз

Амилазы классифицируют по типу расщепляемых связей и месту действия на молекуле полисахарида. Основные типы:

• α-Амилаза (EC 3.2.1.1) — наиболее распространённая форма. Гидролизует α-1,4-гликозидные связи внутри цепи крахмала или гликогена, образуя олигосахариды, мальтозу и глюкозу. Действует эндо-гидролазно, то есть атакует внутренние связи. Содержится в слюне, панкреатическом соке, а также в микроорганизмах и растениях (например, в солоде).
• β-Амилаза (EC 3.2.1.2) — отщепляет мальтозу с невосстанавливающего конца полисахаридной цепи, действуя экзо-гидролазно. Встречается в основном в растениях (семена злаков, сладкий картофель) и некоторых бактериях. У животных β-амилаза не обнаружена.
• γ-Амилаза (глюкоамилаза, EC 3.2.1.3) — отщепляет глюкозу с невосстанавливающего конца цепи, гидролизуя как α-1,4-, так и α-1,6-гликозидные связи. Присутствует в грибах, дрожжах и некоторых микроорганизмах; у человека не вырабатывается.

По происхождению амилазы делят на:

• Животные (в том числе человеческие) — слюнная (птиалин) и панкреатическая.
• Растительные — в семенах злаков, клубнях, плодах.
• Микробные — продуцируются бактериями (например, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis) и грибами (например, Aspergillus oryzae).

¶Строение и механизм действия

Амилаза является глобулярным белком. Молекулярная масса α-амилазы человека составляет около 50–60 кДа. Фермент содержит ион кальция (Ca²⁺), который необходим для стабилизации структуры и поддержания каталитической активности. Активный центр α-амилазы представляет собой щель, в которой происходит связывание субстрата (крахмала). Гидролиз осуществляется путём нуклеофильной атаки на гликозидную связь с участием остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот.

Оптимум pH для α-амилазы слюны человека составляет около 6,7–7,0, для панкреатической — около 7,1–8,0. Температурный оптимум для большинства α-амилаз — 37–40 °C, хотя микробные амилазы могут быть активны при более высоких температурах (до 90–100 °C у термостабильных форм).

¶Амилаза в организме человека

У человека амилаза синтезируется в двух основных органах:

• Слюнные железы — околоушные, подчелюстные и подъязычные. Слюнная α-амилаза (птиалин) выделяется в ротовую полость и начинает расщепление крахмала уже во время жевания. В кислой среде желудка её активность прекращается.
• Поджелудочная железа — панкреатическая α-амилаза секретируется в двенадцатиперстную кишку, где продолжает гидролиз крахмала и гликогена. Её активность сохраняется в щелочной среде тонкого кишечника.

Кроме того, небольшие количества амилазы могут вырабатываться в яичниках, фаллопиевых трубах, печени и лёгких, однако их физиологическое значение невелико.

¶Клиническое значение

Уровень амилазы в крови и моче является важным диагностическим маркером. В норме активность α-амилазы в сыворотке крови составляет 25–125 Ед/л (в зависимости от метода определения). Повышение уровня амилазы (гиперамилаземия) наблюдается при:

• Остром панкреатите — наиболее частая причина. Уровень амилазы может возрастать в 5–10 раз и более.
• Обострении хронического панкреатита.
• Паротите (воспалении околоушных слюнных желёз, например, при эпидемическом паротите — «свинке»).
• Почечной недостаточности (снижение выведения амилазы).
• Заболеваниях желчевыводящих путей (холецистит, холедохолитиаз).
• Перитоните, кишечной непроходимости.

Снижение активности амилазы (гипоамилаземия) встречается реже и может быть связано с тяжёлой печёночной недостаточностью, муковисцидозом или панкреатэктомией.

Для дифференциальной диагностики используют определение изоферментов амилазы: панкреатической (P-тип) и слюнной (S-тип). При остром панкреатите повышается преимущественно P-тип.

¶Амилаза в промышленности

Микробные и растительные амилазы широко применяются в различных отраслях:

• Пищевая промышленность: в хлебопечении (для улучшения качества теста, увеличения объёма хлеба), пивоварении (для осахаривания крахмала из солода), производстве спирта (гидролиз крахмала для последующего сбраживания), изготовлении сиропов (глюкозных, мальтозных) и фруктовых соков.
• Текстильная промышленность: для удаления крахмального шлихтования с тканей.
• Производство моющих средств: α-амилаза входит в состав стиральных порошков и средств для посудомоечных машин для удаления крахмальных загрязнений.
• Биотехнология: используется в генной инженерии как репортёрный фермент, а также для получения глюкозы из крахмала.

¶Амилаза в растениях

У растений амилаза играет ключевую роль в прорастании семян. При набухании семени активируется β-амилаза, а затем α-амилаза, которые гидролизуют запасной крахмал в эндосперме, обеспечивая проросток сахарами и энергией. В злаковых культурах (пшеница, ячмень, кукуруза) активность амилазы определяет качество солода и муки.

¶Интересные факты

• Слюнная амилаза человека способна расщеплять до 40–50 % крахмала за время его нахождения в ротовой полости (около 30 секунд).
• У некоторых видов животных (например, у собак и кошек) активность слюнной амилазы значительно ниже, чем у человека, что связано с особенностями их рациона.
• Термостабильные амилазы из бактерий рода Bacillus используются в промышленности при температурах до 100 °C.
• В 2016 году учёные обнаружили, что у людей с высоким уровнем амилазы в слюне (за счёт большего числа копий гена AMY1) крахмалистая пища переваривается быстрее, что может влиять на метаболизм и риск ожирения.

¶Источники

• Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. — М.: Мир, 2004.
• Дэвлин Т. М. Биохимия с клиническими корреляциями. — М.: БИНОМ, 2011.
• Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. — 7th ed. — W. H. Freeman, 2017.
• Ройтберг Г. Е., Струтынский А. В. Внутренние болезни. Лабораторная диагностика. — М.: МЕДпресс-информ, 2013.
• Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. — М.: Медицина, 1998.
• Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. — М.: Высшая школа, 1993.