اللاكتيز

إنزيم اللاكتاز ( EC 3.2.1.108 ) هو إنزيم تنتجه العديد من الكائنات الحية، وهو ضروري لهضم الحليب كامل الدسم بشكل كامل . يقوم هذا الإنزيم بتفكيك سكر اللاكتوز إلى مكوناته الأساسية، الجالاكتوز والجلوكوز ، وهما سكريات بسيطة يمكن امتصاصها في مجرى الدم عبر أمعاء الحيوان. يُصنف اللاكتاز ضمن إنزيمات بيتا-جالاكتوزيداز لأنه يكسر الرابطة الجليكوسيدية بيتا في سكر اللاكتوز D. التفاعل الكيميائي الذي يحفزه هو:

C 12 H 22 O 11 + H 2 O → C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 + حرارة.
اللاكتوز + H 2 O → β- D -الجالاكتوز + D -الجلوكوز

الجين البشري الوحيد الذي يُشفّر إنزيم اللاكتيز هو LCT أو هيدرولاز اللاكتيز-فلوريزين (رمزه البديل LPH). يحتوي LCT على نطاق اللاكتيز ونطاق هيدرولاز الفلوريزين ، ويُشفّر على الكروموسوم 2. [ 1 ] [ 2 ] يوجد اللاكتيز في الحافة الفرشية للأمعاء الدقيقة لدى الإنسان والثدييات الأخرى. قد يُعاني الأشخاص الذين لا يحملون الطفرة التي تسمح باستمرار إنتاج LCT الوظيفي بعد مرحلة الرضاعة من أعراض عدم تحمل اللاكتوز بعد تناول منتجات الألبان . [ 3 ]

يمكن شراء إنزيمات بيتا-جالاكتوزيداز الميكروبية القادرة على تحليل اللاكتوز (أي اللاكتيز بمعناه الأوسع) كمكمل غذائي ، وتُضاف إلى الحليب لإنتاج منتجات ألبان "خالية من اللاكتوز". يستطيع هذا الإنزيم تحليل اللاكتوز مباشرةً عند إضافته إلى منتجات الألبان. بعض أنواعه قادرة على البقاء حية بعد مرورها عبر المعدة البشرية، وتحليل اللاكتوز في أي طعام يتم تناوله قبل وصوله إلى القولون.

النسخ الحيوانية (بما في ذلك البشرية)

كما ذكرنا سابقاً، فإن إنزيم اللاكتاز البشري هو بروتين يحتوي على نطاقين من بيتا-جالاكتوزيداز. يعمل نطاق اللاكتاز كإنزيم لاكتاز، بينما يحفز نطاق فلوريزين هيدرولاز تحويل الفلوريزين إلى فلوريتين وجلوكوز.

البنية والتخليق الحيوي

يُعدّ البرولاكتاز الأولي، وهو ناتج الترجمة الأساسي، ذا بنية ببتيدية أولية واحدة تتكون من 1927 حمضًا أمينيًا. [ 1 ] ويمكن تقسيمه إلى خمسة نطاقات: (أ) تسلسل إشارة مُقسّم مكون من 19 حمضًا أمينيًا ؛ (ب) نطاق بروسيكون كبير غير موجود في اللاكتاز الناضج؛ (ج) جزء اللاكتاز الناضج؛ (د) مرساة كارهة للماء عابرة للغشاء؛ و(هـ) طرف كربوكسيلي قصير محب للماء. [ 1 ] يُقسّم تسلسل الإشارة في الشبكة الإندوبلازمية ، ويُرسل البرولاكتاز الأولي الناتج، الذي يبلغ وزنه الجزيئي 215 كيلو دالتون، إلى جهاز جولجي ، حيث يخضع لعملية غلكزة مكثفة ومعالجة بروتينية ليتحول إلى شكله الناضج. [ 4 ] لقد ثبت أن النطاق الأولي يعمل كبروتين مرافق داخل الجزيء في الشبكة الإندوبلازمية، مما يمنع انقسام التربسين ويسمح لـ LPH باتخاذ البنية ثلاثية الأبعاد اللازمة لنقله إلى جهاز جولجي. [ 5 ]

رسم تخطيطي لمعالجة وتحديد موقع ناتج ترجمة اللاكتيز البشري

يتكون إنزيم اللاكتاز البشري الناضج من سلسلة ببتيدية واحدة بوزن 160 كيلو دالتون، تتمركز في الغشاء الخلوي للخلايا الظهارية المعوية. ويكون اتجاهها بحيث يكون طرفها الأميني خارج الخلية وطرفها الكربوكسيلي في السيتوبلازم. [ 1 ] يحتوي إنزيم اللاكتاز البشري (LPH) على موقعين محفزين لحمض الجلوتاميك. في الإنزيم البشري، يرتبط نشاط اللاكتاز بالحمض الأميني جلوتاميك-1749، بينما يُعد الحمض الأميني جلوتاميك-1273 موقع وظيفة هيدرولاز الفلوريزين. [ 6 ]

التعبير الجيني والتنظيم

في البشر، يُشفَّر إنزيم اللاكتيز بواسطة موقع جيني واحد على الكروموسوم 2. [ 7 ] ويُعبَّر عنه حصريًا في خلايا الأمعاء الدقيقة لدى الثدييات، وبمستويات منخفضة جدًا في القولون أثناء التطور الجنيني. [ 7 ] يولد البشر بمستويات عالية من إنزيم اللاكتيز. في معظم سكان العالم، ينخفض ​​نسخ جين اللاكتيز بعد الفطام، مما يؤدي إلى انخفاض تعبيره في الأمعاء الدقيقة، [ 7 ] وهو ما يُسبب أعراض نقص اللاكتوز الشائعة لدى البالغين، أو عدم تحمل اللاكتوز. [ 8 ] يوفر جين LCT التعليمات اللازمة لإنتاج اللاكتيز. وينتج عدم تحمل اللاكتوز لدى الرضع (نقص اللاكتيز الخلقي) عن طفرات في جين LCT . يُعتقد أن هذه الطفرات تُعيق وظيفة اللاكتيز، مما يُسبب للرضع المصابين ضعفًا شديدًا في قدرتهم على هضم اللاكتوز الموجود في حليب الأم أو الحليب الصناعي. [ 9 ]

تُظهر بعض فئات السكان استمرارًا في إنتاج اللاكتوز نتيجة طفرة يُفترض أنها حدثت قبل 5000 إلى 10000 عام، بالتزامن مع بدء تدجين الماشية. [ 10 ] وقد سمحت هذه الطفرة لما يقرب من نصف سكان العالم باستقلاب اللاكتوز دون ظهور أعراض. ​​ربطت الدراسات حدوث استمرار إنتاج اللاكتوز بنوعين مختلفين من تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة، يقعان على بُعد 14 و22 كيلوبايت تقريبًا من الطرف 5' لجين LPH. [ 11 ] وقد رُبطت كلتا الطفرتين، C→T في الموضع -13910 وG→A في الموضع -22018، بشكل مستقل باستمرار إنتاج اللاكتوز. [ 12 ]

يبلغ طول مُحفِّز اللاكتيز 150 زوجًا قاعديًا، ويقع في اتجاه 5' من موقع بدء النسخ. [ 12 ] يتميز هذا التسلسل بدرجة عالية من الحفظ لدى الثدييات، مما يشير إلى وجود منظمات نسخية حاسمة قريبة منه. [ 12 ] وقد تم تحديد Cdx-2 و HNF-1α و GATA كعوامل نسخ. [ 12 ] أظهرت دراسات بدء نقص اللاكتيز أنه على الرغم من تعدد الأشكال الجينية، إلا أن هناك اختلافًا طفيفًا في تعبير اللاكتيز لدى الرضع، مما يدل على أن الطفرات تزداد أهمية خلال مراحل النمو. [ 13 ] قد تعمل البروتينات الرابطة للحمض النووي، المنظمة نمائيًا، على تثبيط النسخ أو زعزعة استقرار نسخ mRNA، مما يؤدي إلى انخفاض تعبير LPH بعد الفطام. [ 13 ]

الآلية

تحافظ الآلية التحفيزية لتحلل D- لاكتوز على التكوين الأنوميري للركيزة في النواتج. [ 14 ] ورغم أن تفاصيل الآلية غير مؤكدة، إلا أن الحفاظ على التكوين الفراغي يتحقق عبر تفاعل إحلال مزدوج. وقد اقترحت دراسات أجريت على لاكتاز الإشريكية القولونية أن التحلل المائي يبدأ عندما يهاجم نيوكليوفيل الغلوتامات الموجود على الإنزيم من الجانب المحوري لذرة كربون الغالاكتوزيل في الرابطة β-غليكوسيدية. [ 15 ] وقد يُسهّل التحفيز الحمضي المعتمد على المغنيسيوم إزالة مجموعة D- غلوكوز المغادرة. [ 15 ] ويتحرر الإنزيم من جزء α-غالاكتوزيل عند تعرضه لهجوم نيوكليوفيلي استوائي من الماء، مما ينتج عنه D- غالاكتوز. [ 14 ]

أظهرت دراسات تعديل الركيزة أن مجموعتي 3′-OH و2′-OH على حلقة الجالاكتوبيرانوز ضروريتان للتعرف عليها وتحللها بواسطة إنزيم اللاكتاز في الثدييات. [ 16 ] تشارك مجموعة الهيدروكسيل 3′ في الارتباط الأولي بالركيزة، بينما لا تُعد مجموعة 2′-OH ضرورية للتعرف عليها، ولكنها مطلوبة في الخطوات اللاحقة. ويتضح ذلك من خلال كون نظير 2-ديوكسي مثبطًا تنافسيًا فعالًا (Ki = 10 ملي مولار). [ 16 ] لا يؤدي حذف مجموعات هيدروكسيل محددة من جزء الجلوكوبيرانوز إلى إلغاء التحفيز. [ 16 ]

تبلغ درجة الحرارة المثلى لإنزيم اللاكتيز البشري حوالي 37  درجة مئوية [ 17 ] والرقم الهيدروجيني الأمثل هو 6. [ 18 ]

الآلية المقترحة لتحلل اللاكتوز بواسطة إنزيم اللاكتيز

اللاكتيز غير الحيواني واستخداماته

يتم استخلاص اللاكتيز المنتج تجارياً من الخمائر مثل Kluyveromyces fragilis و Kluyveromyces lactis ومن العفن، مثل Aspergillus niger و Aspergillus oryzae . [ 19 ]

كما ذُكر سابقًا، اللاكتاز هو إنزيم لا يستطيع بعض الأشخاص إنتاجه في أمعائهم الدقيقة. [ 20 ] وبدون اللاكتاز، يمر اللاكتوز غير المهضوم إلى القولون حيث تقوم البكتيريا بتحليله، مُنتجةً ثاني أكسيد الكربون الذي يُسبب الانتفاخ والغازات. [ 21 ] تستطيع أنواع اللاكتاز التجارية تحليل اللاكتوز عند إضافتها إلى الطعام أو عند تناولها.

يُضاف إلى الطعام

يُضاف إنزيم اللاكتيز إلى منتجات الألبان، مما يؤدي إلى تحلل اللاكتوز الموجود فيها، فيصبح مذاقها حلواً قليلاً ولكنها سهلة الهضم للجميع. [ 22 ]

طوّرت دائرة البحوث الزراعية التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية تقنية إنتاج الحليب والآيس كريم والزبادي الخالي من اللاكتوز عام ١٩٨٥. [ ٢٣ ] وتُصنّف إدارة الغذاء والدواء الأمريكية إنزيم اللاكتيز المستخلص من أنواع مُختارة من العفن على أنه آمن عمومًا (GRAS) ؛ ونتيجةً لذلك، يُسمح بإضافته إلى الطعام بكميات محدودة كمُساعد في التصنيع . ويُعدّ هذا أحد الاستخدامات التجارية الرئيسية لإنزيم اللاكتيز. [ ٢٤ ] [ ٢٥ ] [ ٢٦ ]

تم تناوله

يمكن استخدام مكملات اللاكتوز لعلاج عدم تحمل اللاكتوز . لم تقم إدارة الغذاء والدواء الأمريكية بتقييم هذه المنتجات بشكل مستقل، ولكن هناك إجماع على فعاليتها طالما أن التركيز المذكور يطابق ما هو مدون على الملصق. تُباع هذه المكملات غالبًا تحت الاسم التجاري لاكتيد. [ 26 ] [ 27 ]

يُستخدم اللاكتاز التجاري كدواء لعلاج عدم تحمل اللاكتوز. ولأنه إنزيم، فإن حموضة المعدة قد تُثبط وظيفته. ومع ذلك، يُعبأ في أقراص مقاومة للحموضة، مما يسمح للإنزيم بالمرور عبر المعدة سليمًا والبقاء في الأمعاء الدقيقة. في الأمعاء الدقيقة، يعمل على جزيئات اللاكتوز المُتناولة، مما يسمح للجسم بامتصاص السكر المهضوم الذي قد يُسبب تقلصات وإسهالًا. ولأن الإنزيم لا يُمتص، فإنه يُطرح مع البراز.

التكنولوجيا الحيوية

يُستخدم إنزيم اللاكتاز (أو بيتا-جالاكتوزيداز تقنيًا) أيضًا للكشف عن المستعمرات الزرقاء والبيضاء في مواقع الاستنساخ المتعددة لناقلات البلازميد المختلفة في بكتيريا الإشريكية القولونية أو غيرها من البكتيريا. إلى جانب أنواع بيتا-جالاكتوزيداز الفطرية المذكورة أعلاه، تستخدم التقنية الحيوية أيضًا بيتا-جالاكتوزيداز lacZ الموجود في أوبيرون اللاكتوز في بكتيريا الإشريكية القولونية . [ 28 ] [ 29 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. إن إنزيمات اللاكتيز البشرية والفطرية هي إنزيمات بيتا-جالاكتوزيداز قادرة على تحليل اللاكتوز. ومع ذلك، تصنف لجنة الإنزيمات الإنزيمات الفطرية على أنها بيتا-جالاكتوزيداز لأنها تحلل مجموعة أوسع من السكريات لا تقتصر على اللاكتوز ومشتقاته.

مراجع

  1. 1 2 3 4 مانتي ن، فيلا م، إينزلر ت، واكر هـ، بول و، جيمس ب، هونزيكر و، سيمينزا ج (سبتمبر 1988). "البنية الأولية الكاملة لهيدرولاز اللاكتيز-فلوريزين البشري والأرنبي: دلالات على التخليق الحيوي، والتثبيت الغشائي، وتطور الإنزيم" . مجلة EMBO . 7 (9): 2705-13 . doi : 10.1002/j.1460-2075.1988.tb03124.x . PMC 457059. PMID 2460343 .  
  2. هارفي سي بي، فوكس إم إف، جيجو بي إيه، مانتي إن، بوفي إس، سوالو دي إم (يوليو 1993). "التحديد الموضعي لجين هيدرولاز اللاكتاز-فلوريزين، LCT، على الكروموسوم 2q21". حوليات علم الوراثة البشرية . 57 (الجزء 3): 179-185 . doi : 10.1111/j.1469-1809.1993.tb01593.x . PMID 8257087. S2CID 38604778 .  
  3. ^ Järvelä I، Torniainen S، Kolho KL (2009). "الوراثة الجزيئية لنقص اللاكتيز البشري" . حوليات الطب . 41 (8): 568-75 . دوى : 10.1080/07853890903121033 . بميد 19639477 . S2CID 205586720 .  
  4. نعيم، هـ. ي.، ستيرشي، إ. إ.، لينتز، م. ج. (يناير 1987). " التخليق الحيوي ونضج إنزيم اللاكتاز-فلوريزين هيدرولاز في خلايا الظهارة المعوية الدقيقة البشرية" . المجلة البيوكيميائية . 241 (2): 427-434 . doi : 10.1042/bj2410427 . PMC 1147578. PMID 3109375 .  
  5. نعيم، هـ. ي.، جاكوب، ر.، نعيم، هـ.، سامبروك، ج. ف.، جيثينج، م. ج. (أكتوبر 1994). "المنطقة الأولية لإنزيم اللاكتاز-فلوريزين هيدرولاز المعوي البشري" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 269 (43): 26933-43 . doi : 10.1016/S0021-9258(18)47109-8 . PMID 7523415 . 
  6. زيكا إل، ميسونيرو جيه إي، ستوتز إيه، بواري جيه سي، جيوديسيلي جيه، كورسيو آر، غلور إس إم، سيمينزا جي (سبتمبر 1998). "إنزيم اللاكتاز-فلوريزين هيدرولاز المعوي (LPH): الموقعان التحفيزيان؛ دور البنكرياس في نضج إنزيم اللاكتاز-فلوريزين هيدرولاز المعوي" . رسائل FEBS . 435 ( 2-3 ): 225-228 . Bibcode : 1998FEBSL.435..225Z . doi : 10.1016/S0014-5793(98)01076-X . PMID 9762914. S2CID 33421778 .  
  7. 1 2 3 ترولسن جيه تي، ميتشلمور سي، سبودسبيرغ إن، جنسن إيه إم، نورين أو، سيستروم إتش (مارس 1997). " تنظيم التعبير الجيني لهيدرولاز اللاكتيز-فلوريزين بواسطة بروتين المجال المتجانس Cdx-2 المرتبط بالذيل" . المجلة البيوكيميائية . 322 (الجزء 3): 833-838 . doi : 10.1042/bj3220833 . PMC 1218263. PMID 9148757 .  
  8. المرجع GH. "جين LCT" . مرجع علم الوراثة المنزلي . تم الاطلاع عليه في 3 أبريل 2018 .
  9. "عدم تحمل اللاكتوز: علم الوراثة في MedlinePlus" . medlineplus.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-03-2022 .
  10. بيرساغلييري تي، سابيتي بي سي، باترسون إن، فاندربلوغ تي، شافنر إس إف، دريك جيه إيه، رودس إم، رايش دي إي، هيرشهورن جيه إن (يونيو 2004). "البصمات الوراثية للاختيار الإيجابي القوي الحديث في جين اللاكتيز" . المجلة الأمريكية لعلم الوراثة البشرية . 74 (6): 1111-1120 . doi : 10.1086/421051 . PMC 1182075. PMID 15114531 .  
  11. ^ Kuokkanen M، Enattah NS، Oksanen A، Savilahti E، Orpana A، Järvelä I (مايو 2003). "التنظيم النسخي لجين هيدرولاز اللاكتاز-فلوريزين عن طريق الأشكال المتعددة المرتبطة بنقص سكر الدم من النوع البالغ" . القناة الهضمية . 52 (5): 647-52 . دوى : 10.1136/gut.52.5.647 . بمك 1773659 . بميد 12692047 .  
  12. 1 2 3 4 ترويلسن جي تي (مايو 2005). "نقص سكر الدم من النوع البالغ وتنظيم تعبير اللاكتاز". الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية اكتا (BBA) - مواضيع عامة . 1723 ( 1– 3): 19– 32. دوى : 10.1016/j.bbagen.2005.02.003 . بميد 15777735 . 
  13. وانغ واي ، هارفي سي بي، هولوكس إي جيه، فيليبس إيه دي، بولتر إم، كلاي بي، ووكر-سميث جيه إيه، سوالو دي إم (يونيو 1998). "التنظيم السلبي المبرمج وراثيًا لإنزيم اللاكتيز لدى الأطفال" . علم الجهاز الهضمي . 114 (6): 1230-1236 . doi : 10.1016/S0016-5085(98)70429-9 . PMID 9609760 . 
  14. 1 2 سينوت م (نوفمبر 1990). "الآليات التحفيزية لنقل الغليكوزيل الإنزيمي". مراجعة الكيمياء 90 (7): 1171-1202 . doi : 10.1021/cr00105a006 .
  15. 1 2 جورز دي إتش، هايتمان تي دي، فاسيلا إيه، مكارتر جيه دي، ماكنزي إل، ويذرز إس جي، ماثيوز بي دبليو (ديسمبر 2001). "نظرة هيكلية على عمل إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز (lacZ) في الإشريكية القولونية". الكيمياء الحيوية . 40 (49): 14781-94 . doi : 10.1021/bi011727i . PMID 11732897 . 
  16. 1 2 3 فرنانديز ب، كانادا ف.ج، خيمينيز-باربيرو ج، مارتين-لوماس م (يوليو 1995). "تخصص الركيزة لإنزيم اللاكتيز في الأمعاء الدقيقة: دراسة التأثيرات الفراغية والروابط الهيدروجينية المتضمنة في تفاعل الإنزيم مع الركيزة". أبحاث الكربوهيدرات . 271 (1): 31-42 . doi : 10.1016/0008-6215(95)00034-Q . PMID 7648581 . 
  17. هيرميدا سي، كوراليس جي، كانادا إف جيه، أراغون جيه جيه، فرنانديز-مايورالاس إيه (يوليو 2007). "تحسين التخليق الإنزيمي لـβ-D-غالاكتوبيرانوزيل-D-زيلوز لاستخدامها في تقييم نشاط اللاكتاز في الجسم الحي ". الكيمياء الحيوية العضوية والطبية . 15 (14): 4836-4840 . doi : 10.1016/j.bmc.2007.04.067 . hdl : 10261/81580 . PMID 17512743 . 
  18. سكوفبيرج هـ، سيستروم هـ، نورين أ (مارس 1981). "تنقية وتوصيف إنزيم اللاكتاز/فلوريزين هيدرولاز الأمفيباتي من الأمعاء الدقيقة البشرية". المجلة الأوروبية للكيمياء الحيوية . 114 (3): 653-661 . doi : 10.1111/j.1432-1033.1981.tb05193.x . PMID 6786877 . 
  19. سيس آي، أكسوز ن (2004). "إنتاج اللاكتيز بواسطة فطر التريكوديرما " . تكنولوجيا الأغذية والتكنولوجيا الحيوية . 42 (2): 121-124 .
  20. "عدم تحمل اللاكتوز" . مايو كلينك . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 مارس 2018 .
  21. "عدم تحمل اللاكتوز - الأعراض والأسباب" . مايو كلينك . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2020-11-08 .
  22. «سؤال: كيف تُنتج مصانع الألبان الحليب الخالي من اللاكتوز؟» . يو إس إيه توداي . 3 سبتمبر 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 مارس 2018 .
  23. بورش كيه (12 أبريل 2018). "حليب خالٍ من اللاكتوز، وجبن قليل الدسم، والمزيد من الإنجازات في مجال منتجات الألبان" . www.federallabs.org . تاريخ الاسترجاع: 26 أكتوبر 2018 .
  24. شركة دي إس إم للأغذية المتخصصة (3 أبريل 2014). "إشعار GRAS لإنزيم اللاكتيز الحمضي من فطر Aspergillus oryzae المُعبَّر عنه في فطر Aspergillus niger " (ملف PDF) . صفحة 1. مؤرشف من الأصل في 31 أكتوبر 2017 - عبر إدارة الغذاء والدواء الأمريكية. 
  25. تارانتينو، إل إم (12 ديسمبر 2003). "رسالة رد الوكالة بشأن إشعار GRAS رقم GRN 000132" . إدارة الغذاء والدواء الأمريكية. مؤرشف من الأصل في 26 مارس 2011.
  26. 1 2 هولسينجر، في إتش (1992). "منتجات مبتكرة للصناعات الغذائية: قصة لاكتيد" . محاصيل جديدة، استخدامات جديدة، أسواق جديدة: الكتاب السنوي للزراعة لعام 1992. وزارة الزراعة الأمريكية. الصفحات 256-258 . مؤرشف من الأصل بتاريخ 17 يوليو 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يناير 2022 . 
  27. "عدم تحمل اللاكتوز" . المعهد الوطني لأمراض السكري وأمراض الجهاز الهضمي والكلى . يونيو 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 أكتوبر 2016 .
  28. ^ لاو جلالة، لي إل إس، سوه WC، الثلاثاء جنوب غرب (مارس 2013). "مقدمة" . اللاكتاز . الجامعة التكنولوجية الماليزية . تم الاسترجاع في 16 نوفمبر 2018 .
  29. "pBluescript II KS(+/−), pBluescript II SK(+/−): وصف وخريطة التقييد" . Fermentas. مؤرشف من الأصل في 19 أكتوبر 2008.