BETA GALAKTOSIDÁZA: VLASTNOSTI, STRUKTURA, FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Beta galaktosidáza, β-galaktosidáza také nazývaný β-D-nebo galactohydrolase je enzym, který patří do rodiny hydroláz schopna hydrolyzovat glykosyl galaktosylové zbytky různých typů molekul: polymerů, oligosacharidů a sekundárních metabolitů, mezi ostatními.

Dříve známá jako „laktáza“, její distribuce a distribuce β-galaktosidovaných oligo- a polysacharidů, které slouží jako substrát, je extrémně široká. Nachází se v bakteriích, plísních a kvasnicích; v rostlinách je běžný u mandlí, broskví, meruněk a jablek a u zvířat je přítomen v orgánech, jako je žaludek a střeva.

Grafické znázornění struktury enzymu B-galaktosidázy (Zdroj: Zaměstnanci Jawahara Swaminathana a MSD v Evropském institutu bioinformatiky prostřednictvím Wikimedia Commons)

Nejstudovanějším enzymem je enzym Lac operonu E. coli, kódovaný genem lacZ, jehož studie byly klíčem k pochopení fungování genetických operonů a mnoha jejich regulačních aspektů.

V současné době patří do skupiny nejlépe studovaných enzymů a jeho nejlepší známou funkcí je hydrolýza glykosidických vazeb laktosy. Plní základní metabolické funkce v organismech, které ji exprimují, a používá se také pro různé průmyslové účely.

Průmyslové aplikace zahrnují odstranění laktózy z mléčných výrobků pro osoby trpící nesnášenlivostí laktózy a výrobu různých galaktosidátových sloučenin. Používají se také ke zlepšení sladkosti, chuti a trávení mnoha mléčných výrobků.

vlastnosti

Kromě galaktosidovaných substrátů, jako je laktóza, většina známých P-galaktosidáz vyžaduje ionty dvojmocných kovů, jako je hořčík a sodík. To bylo prokázáno objevem vazebných míst pro tyto kovy v jejich struktuře.

P-galaktosidázy přítomné v přírodě mají širokou škálu rozmezí pH, ve kterých mohou pracovat. Plísňové enzymy pracují v kyselém prostředí (2,5 až 5,4), zatímco kvasinkové a bakteriální enzymy pracují mezi 6 a 7 jednotkami pH.

Bakteriální p-galaktosidázy

Bakterie mají ve srovnání s jinými analyzovanými galaktosidázami velké galaktohydrolytické enzymy. V těchto organismech stejný enzym katalyzuje tři typy enzymatických reakcí:

- Hydrolyzuje laktózu na své základní monosacharidy: galaktózu a glukózu.

- Katalyzuje transgalaktosylaci laktózy na allolaktosu, disacharidový cukr, který se podílí na pozitivní regulaci exprese genů patřících k Lac operonu, eç.

- Hydrolyzuje allolaktosu podobným způsobem jako u laktózy.

Fungální β-galaktosidázy

Houby mají enzymy β-galaktosidázy náchylnější k inhibici galaktózou než enzymy jiných organismů. Jsou však termostabilní a pracují v kyselém rozmezí pH.

Metabolismus laktózy zprostředkovaný těmito enzymy v houbách je rozdělen na extracelulární a cytosolický, protože tyto organismy mohou používat β-galaktosidázu k hydrolýze laktózy extracelulárně a zavádět produkty do buněk nebo mohou přímo přijímat disacharidy a interně je zpracovávat.

Struktura

Bakteriální enzym β-galaktosidáza je tetramerický enzym (čtyř identických podjednotek, AD) a každý z jeho monomerů má více než 1 000 zbytků aminokyselin, což znamená molekulovou hmotnost více než 100 kDa pro každou a více než 400 kDa pro komplexovaný protein.

Naproti tomu v rostlinách je enzym výrazně menší a lze jej běžně nalézt jako dimer stejných podjednotek.

Domény každého monomeru jsou rozlišeny čísly 1 až 5. Doména 3 má strukturu a / p "TIM" barelu a má aktivní místo na C-terminálním konci barelu.

Předpokládá se, že aktivní místa enzymového komplexu jsou sdílena mezi monomery, takže tento enzym je biologicky aktivní pouze tehdy, když je komplexován jako tetramer.

Jeho aktivní místo má schopnost vázat se na D-glukózu a D-galaktózu, dva monosacharidy, které tvoří laktózu. Je zvláště specifická pro D-galaktosu, ale není specifická pro glukózu, takže enzym může působit na jiné galaktosidy.

Funkce

U zvířat

Ve střevech lidí má hlavní funkce tohoto enzymu souvislost s absorpcí laktózy požívané jídlem, protože je umístěna na luminální straně plazmatické membrány buněk střevního kartáče.

Dále se ukázalo, že lysozomální izoformy tohoto enzymu se účastní degradace mnoha glykolipidů, mukopolysacharidů a galaktosidovaných glykoproteinů, které slouží různým účelům v různých buněčných drahách.

V rostlinách

Rostliny mají enzymy β-galaktosidázy v listech a semenech. Ty plní důležité funkce v katabolismu galaktolipidů, které jsou obecně charakteristické pro řasy a rostliny.

V těchto organismech se p-galaktosidáza účastní procesů růstu rostlin, zrání ovoce a ve vyšších rostlinách je to jediný známý enzym schopný hydrolyzovat galaktosylové zbytky z galakozidovaných polysacharidů buněčné stěny.

V průmyslu a výzkumu

V potravinářském průmyslu souvisejícím s mléčnými výrobky se enzym β-galaktosidáza používá ke katalýze hydrolýzy laktózy přítomné v mléčných výrobcích, což je odpovědné za mnoho defektů souvisejících se skladováním těchto produktů.

Hydrolýza tohoto cukru se snaží zabránit sedimentaci částic, krystalizaci zmrazených mléčných dezertů a přítomnosti „písčité“ textury ve většině komerčních derivátů mléka.

P-galaktosidáza, která se používá průmyslově, se běžně získává z houby Aspergillus sp., Přestože se také široce používá enzym produkovaný kvasinkami Kluyveromyces lactis.

P-galaktosidázová aktivita, která je vědecky překládána jako "fermentace laktózy", se rutinně testuje na identifikaci gramnegativních Enterobacteriaceae přítomných v různých typech vzorků.

Kromě toho se z lékařského hlediska používá pro výrobu mléčných výrobků neobsahujících laktózu a pro přípravu tablet, které lidé trpící nesnášenlivostí laktózy používají k trávení mléka a jeho derivátů (jogurt, sýr, zmrzlina, máslo, krémy atd.).

Používá se jako „biosenzor“ nebo „biomarker“ pro různé účely, od imunotestů a toxikologické analýzy až po analýzu genové exprese a diagnostiky patologií díky chemické imobilizaci tohoto enzymu na speciálních nosičích.

Reference

1. Henrissat, B. a Daviest, G. (1997). Strukturální a sekvenční klasifikace glykosidových hydroláz. Current Biology, 7, 637-644.
2. Huber, R. (2001). Beta (B) -alaktosidáza. Academic Press, 212–214.
3. Husain, Q. (2010). β Galaktosidázy a jejich potenciální aplikace: přehled. Critical Reviews in Biotechnology, 30, 41–62.
4. Juers, DH, Matthews, BW a Huber, RE (2012). LacZ B-galaktosidáza: Struktura a funkce enzymu historického a molekulárně biologického významu. Protein Science, 21, 1792-1807.
5. Lee, BY, Han, JA, Im, JS, Morrone, A., Johung, K., Goodwin, C.,… Hwang, ES (2006). P-galaktosidáza spojená se stárnutím je lysozomální P-galaktosidáza. Aging Cell, 5, 187–195.
6. Matthews, BW (2005). Struktura p-galaktosidázy z E. coli. CR Biologies, 328, 549-556.
7. McCarter, JD, and Withers, SG (1994). Mechanismy enzymatické hydrolýzy glykosidů. Současný názor na strukturální biologii, 4, 885–892.
8. Richmond, M., Gray, J., a Stine, C. (1981). Beta-galaktosidáza: přehled nedávného výzkumu týkajícího se technologických aplikací, nutričních obav a imobilizace. J Dairy Sci, 64, 1759 - 1771.
9. Wallenfels, K., & Weil, R. (1972). B-galaktosidáza.