β-галактозидаза¶

β-галактозидаза — это фермент из класса гидролаз, катализирующий расщепление β-галактозидов на моносахариды, в частности, лактозы на глюкозу и галактозу. В промышленности и биохимии этот фермент также известен под названием лактаза. β-галактозидаза широко распространена в природе: она встречается у бактерий, грибов, растений и животных, включая человека, где играет ключевую роль в переваривании молочного сахара.

¶Строение и механизм действия

β-галактозидаза представляет собой белок, состоящий из нескольких субъединиц. У разных организмов её молекулярная масса варьируется от 100 до 600 кДа. Фермент имеет активный центр, в котором расположены остатки глутаминовой кислоты, выполняющие роль кислотно-основных катализаторов. Механизм реакции включает две стадии: сначала происходит образование ковалентного гликозил-ферментного интермедиата, затем его гидролиз с высвобождением галактозы.

¶Классификация по субстратной специфичности

По международной классификации ферментов (КФ) β-галактозидаза относится к группе КФ 3.2.1.23. В зависимости от источника и свойств различают несколько типов:

• Кислая β-галактозидаза — активна при pH 3–5, характерна для грибов (например, Aspergillus oryzae) и желудочно-кишечного тракта млекопитающих.
• Нейтральная β-галактозидаза — оптимум pH 6–7, встречается у бактерий (Escherichia coli, Lactobacillus spp.) и в тканях растений.
• Щелочная β-галактозидаза — активна при pH 8–9, обнаружена у некоторых термофильных микроорганизмов.

¶Биологическая роль

¶У человека

У человека β-галактозидаза (лактаза) экспрессируется в щеточной кайме энтероцитов тонкого кишечника. Её основная функция — гидролиз лактозы, поступающей с молоком и молочными продуктами. Активность фермента максимальна у младенцев, но после отлучения от груди у большинства людей (около 65–70% взрослого населения мира) наблюдается снижение продукции лактазы — это состояние называется первичной лактазной недостаточностью. У лиц европейского происхождения, напротив, часто сохраняется высокая активность фермента во взрослом возрасте (лактазная персистенция), что связано с мутациями в регуляторной области гена LCT.

¶У микроорганизмов

У бактерий, таких как Escherichia coli, β-галактозидаза кодируется геном lacZ и является частью lac-оперона — системы, регулирующей метаболизм лактозы. При наличии лактозы в среде и отсутствии глюкозы фермент синтезируется в больших количествах, что позволяет бактериям использовать лактозу как источник углерода. Этот механизм был детально изучен Жаком Моно и Франсуа Жакобом, за что они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1965 году.

¶У растений

В растениях β-галактозидаза участвует в модификации клеточных стенок, гидролизуя β-галактаны в процессе созревания плодов и старения тканей. Например, у томатов активность фермента возрастает при созревании, что способствует размягчению плода.

¶Применение в промышленности

¶Пищевая промышленность

β-галактозидаза широко используется в производстве безлактозных молочных продуктов. Фермент добавляют в молоко или сливки, чтобы расщепить лактозу на глюкозу и галактозу, которые легче усваиваются людьми с лактазной недостаточностью. Технологический процесс включает инкубацию при температуре 4–10 °C (холодный способ) или 30–40 °C (тёплый способ) в течение нескольких часов. Промышленные препараты получают из грибов Aspergillus niger, Kluyveromyces lactis и Kluyveromyces fragilis.

¶Медицина

В медицине β-галактозидазу применяют в качестве пищевой добавки (лактазы) для профилактики симптомов лактазной недостаточности — вздутия, диареи и болей в животе. Препараты выпускаются в виде капсул, таблеток или капель, которые принимают перед употреблением молочных продуктов.

¶Биотехнология и аналитическая химия

β-галактозидаза используется в качестве репортёрного фермента в молекулярной биологии. Например, в системе lacZ-репортёра активность фермента измеряют по гидролизу хромогенного субстрата X-Gal (5-бром-4-хлор-3-индолил-β-D-галактопиранозид), который даёт синее окрашивание. Это позволяет визуализировать экспрессию генов в клетках или тканях. Также фермент применяют в иммуноферментном анализе (ELISA) для детекции антигенов.

¶Интересные факты

• β-галактозидаза из E. coli — один из наиболее изученных ферментов в биохимии. Её кристаллическая структура была впервые определена в 1994 году.
• У некоторых бактерий, например Thermus thermophilus, β-галактозидаза термостабильна и сохраняет активность при температурах до 80 °C, что делает её перспективной для промышленных процессов.
• В 2015 году учёные из Института биоорганической химии РАН создали рекомбинантную β-галактозидазу человека, что позволило изучать её свойства in vitro.

¶Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, промышленные β-галактозидазы имеют ряд недостатков. Например, ферменты из грибов часто обладают низкой термостабильностью, что ограничивает их использование в высокотемпературных процессах. Кроме того, некоторые препараты могут вызывать аллергические реакции у чувствительных людей. В последние годы ведутся исследования по созданию иммобилизованных форм фермента, которые можно многократно использовать и которые обладают повышенной стабильностью.

¶Источники

• Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. — М.: Медицина, 1998.
• Lehninger A. L., Nelson D. L., Cox M. M. Principles of Biochemistry. — 7th ed. — W. H. Freeman, 2017.
• Kretchmer N. Lactose and lactase // Scientific American. — 1972. — Vol. 227, No. 4. — P. 70–78.
• Huber R. E., Kurz G., Wallenfels K. A quantitation of the factors which affect the hydrolase and transgalactosylase activities of β-galactosidase (E. coli) on lactose // Biochemistry. — 1976. — Vol. 15, No. 9. — P. 1994–2001.
• Juers D. H., Matthews B. W., Huber R. E. LacZ β-galactosidase: structure and function of an enzyme of historical and molecular biological importance // Protein Science. — 2012. — Vol. 21, No. 12. — P. 1792–1807.