Лактаза

Лактаза — это фермент из группы β-галактозидаз, который катализирует гидролиз лактозы (молочного сахара) на моносахариды — глюкозу и галактозу. Лактаза вырабатывается клетками слизистой оболочки тонкого кишечника (энтероцитами) и играет ключевую роль в переваривании молочных продуктов. Недостаточность или отсутствие этого фермента приводит к состоянию, известному как лактазная недостаточность, или непереносимость лактозы.

Химическая природа и механизм действия

Лактаза относится к классу гидролаз, подклассу гликозидаз. Её систематическое название — лактозо-галактогидролаза (КФ 3.2.1.108). Фермент представляет собой гликопротеин, закреплённый на щёточной кайме энтероцитов. Активный центр лактазы имеет специфическое строение, позволяющее ему связывать молекулу лактозы — дисахарида, состоящего из остатков галактозы и глюкозы, соединённых β-1,4-гликозидной связью.

Механизм гидролиза включает несколько этапов:

1. Связывание субстрата: молекула лактозы входит в активный центр фермента.
2. Разрыв связи: под действием кислотных и нуклеофильных аминокислотных остатков активного центра (в частности, глутаминовой кислоты) происходит расщепление гликозидной связи.
3. Высвобождение продуктов: образовавшиеся глюкоза и галактоза покидают активный центр и всасываются через стенку кишечника в кровоток.

Оптимальная активность лактазы наблюдается при pH около 5,5–6,0, что соответствует кислой среде вблизи щёточной каймы. Температурный оптимум для человеческой лактазы составляет около 37 °C.

Биологическая роль

Основная функция лактазы — обеспечение переваривания лактозы, которая является основным углеводом молока млекопитающих. У новорождённых и младенцев активность лактазы максимальна, так как грудное молоко или молочные смеси составляют основу их рациона. По мере взросления у многих людей (особенно у популяций, исторически не занимавшихся молочным животноводством) активность лактазы в кишечнике снижается — это состояние называется гиполактазией.

Лактаза также участвует в метаболизме некоторых других β-галактозидов, хотя её основным субстратом остаётся лактоза. Продукты гидролиза — глюкоза и галактоза — используются организмом как источник энергии и для синтеза гликопротеинов, гликолипидов и других соединений.

Типы лактазы

В организме человека и других млекопитающих существует несколько форм лактазы, различающихся по локализации и свойствам:

• Кишечная лактаза (LCT): основной фермент, кодируемый геном LCT на 2-й хромосоме. Экспрессируется в энтероцитах тонкого кишечника.
• Фетальная лактаза: присутствует в кишечнике плода, но её активность низкая; после рождения она заменяется взрослой формой.
• Микробная лактаза: вырабатывается некоторыми бактериями (например, Lactobacillus, Bifidobacterium), которые используются в производстве кисломолочных продуктов и пищевых добавок.

У промышленных микроорганизмов (например, Kluyveromyces lactis, Aspergillus niger, Escherichia coli) лактаза (β-галактозидаза) также широко распространена и используется для получения безлактозного молока и других продуктов.

Генетика и регуляция

Ген лактазы (LCT) расположен на длинном плече 2-й хромосомы (2q21.3). Экспрессия гена регулируется несколькими факторами, включая транскрипционные факторы, гормоны (например, тироксин, кортизол) и диету. У большинства млекопитающих активность лактазы резко снижается после отлучения от груди — это явление называется лактазной репрессией.

Однако у некоторых человеческих популяций (преимущественно в Европе, Северной Африке, на Ближнем Востоке и в некоторых регионах Центральной Азии) закрепилась мутация, позволяющая сохранять активность лактазы во взрослом возрасте — так называемая персистенция лактазы. Эта мутация связана с полиморфизмом в регуляторной области гена MCM6, расположенного рядом с LCT. Наиболее известные варианты:

• -13910C>T: распространён в Северной Европе.
• -13907C>G: встречается в Африке.
• -14010G>C: характерен для Восточной Африки.

Персистенция лактазы — пример эволюционной адаптации к молочному животноводству, которое возникло около 7–10 тысяч лет назад.

Лактазная недостаточность

Лактазная недостаточность (гиполактазия) — это состояние, при котором активность лактазы в тонком кишечнике снижена настолько, что нерасщеплённая лактоза попадает в толстую кишку. Там она подвергается ферментации бактериями, что приводит к образованию газов (водорода, метана, углекислого газа) и короткоцепочечных жирных кислот. Клинические проявления включают вздутие живота, диарею, метеоризм, спазмы и тошноту после употребления молочных продуктов.

Типы лактазной недостаточности

1. Первичная (возрастная): наиболее распространённая форма. Связана с генетически запрограммированным снижением активности лактазы после младенчества. Встречается у большинства населения мира (около 65–70% взрослых людей).
2. Вторичная (приобретённая): возникает вследствие повреждения слизистой оболочки тонкого кишечника при заболеваниях (целиакия, болезнь Крона, инфекционный энтерит, лямблиоз) или после операций. Является обратимой при устранении причины.
3. Врождённая (алактазия): редкое генетическое заболевание, при котором лактаза отсутствует с рождения. Проявляется тяжёлой диареей и обезвоживанием у новорождённых при кормлении грудным молоком.
4. Транзиторная: временная недостаточность у недоношенных детей, связанная с незрелостью ферментной системы кишечника.

Диагностика

Диагноз лактазной недостаточности устанавливается на основании клинической картины и подтверждается лабораторными методами:

• Водородный дыхательный тест: измерение концентрации водорода в выдыхаемом воздухе после приёма лактозы. Повышение уровня указывает на бактериальную ферментацию нерасщеплённой лактозы.
• Генетическое тестирование: выявление полиморфизмов, связанных с персистенцией лактазы.
• Биопсия тонкой кишки: измерение активности лактазы в образце слизистой оболочки (золотой стандарт, но инвазивный метод).
• Тест толерантности к лактозе: измерение уровня глюкозы в крови после приёма лактозы.

Лечение и диета

Основной метод лечения — исключение или ограничение продуктов, содержащих лактозу. Однако полное исключение молочных продуктов не рекомендуется, так как они являются важным источником кальция, витамина D и белка. Альтернативы включают:

• Безлактозные молочные продукты: молоко, кефир, йогурт, сыры, из которых лактоза удалена ферментативным гидролизом.
• Ферментные препараты: таблетированные или капсульные формы лактазы (например, «Лактазар», «Тилактаза»), которые принимаются одновременно с молочной пищей.
• Кисломолочные продукты: в процессе ферментации лактоза частично расщепляется бактериями, поэтому они переносятся лучше, чем цельное молоко.
• Растительные заменители: соевое, миндальное, овсяное молоко.

Промышленное применение

Лактаза широко используется в пищевой промышленности для производства безлактозного молока, сливок, йогуртов и мороженого. Фермент добавляют в молоко, после чего оно выдерживается при определённой температуре, пока лактоза не гидролизуется. Это позволяет людям с лактазной недостаточностью употреблять молочные продукты без неприятных симптомов.

Кроме того, лактаза применяется в фармацевтике для производства препаратов, улучшающих переваривание молочных продуктов, а также в аналитической химии для определения концентрации лактозы в образцах.

Источники

1. Swallow D. M. Genetics of lactase persistence and lactose intolerance // Annual Review of Genetics. — 2003. — Vol. 37. — P. 197–219.
2. Lomer M. C. E., Parkes G. C., Sanderson J. D. Review article: lactose intolerance in clinical practice – myths and realities // Alimentary Pharmacology & Therapeutics. — 2008. — Vol. 27, № 2. — P. 93–103.
3. Heyman M. B. Lactose intolerance in infants, children, and adolescents // Pediatrics. — 2006. — Vol. 118, № 3. — P. 1279–1286.
4. Всемирная организация здравоохранения. Лактазная недостаточность: диагностика и лечение. — Женева: ВОЗ, 2010.
5. Барановский А. Ю., Кондрашина Э. А. Непереносимость лактозы: современные подходы к диагностике и лечению // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. — 2015. — № 5. — С. 70–76.