Кіріспе
Ферменттер класы
Фитаза (миоинозитол гексакисфосфат фосфогидролаза) – фитикалық қышқылдың (миоинозитол гексакисфосфат) гидролизін катализдейтін кез келген фосфатаза ферменті. Фитикалық қышқыл – көптеген өсімдік тіндерінде, әсіресе дәнді дақылдар мен майлы тұқымдарда кездесетін, сіңірілмейтін, органикалық фосфор түрі. Фитазалар жануарлар, өсімдіктер, саңырауқұлақтар және бактерияларда кездеседі, бірақ көбінесе саңырауқұлақтарда анықталып, сипатталған.
Тарих
Өсімдік фитазасы алғаш рет 1907 жылы күріш қабығынан, ал 1908 жылы жануардан (бұзаудың бауыры мен қанынан) табылды. 1962 жылы International Minerals & Chemicals (IMC) компаниясы 2000-нан астам микроорганизмдерді зерттеп, фитаза өндірісі үшін ең қолайлыларын табу мақсатында фитазаларды мал азығының құндылығын арттыру үшін коммерцияландыруға алғашқы әрекет жасады. Бұл жобаның басталу себебінің бірі – IMC сол кезде мал азығы өнеркәсібіне жеткізіп тұрған минералды фосфордың (қараңыз: фосфордың шыңы) аяқталуы туралы алаңдаушылық болды. Aspergillus (ficuum) niger саңырауқұлағының NRRL 3135 (ATCC 66876) штаммы, көп мөлшерде клеткадан тыс фитаза өндіре алатындықтан, перспективті кандидат ретінде анықталды. Дегенмен, ағзаның тиімділігі коммерцияландыру үшін жеткіліксіз болды, сондықтан жоба 1968 жылы сәтсіз аяқталды. Ал 1993 жылы толық генді клондау және оның A. niger-де жоғары экспрессиялануы жүзеге асырылды. 1991 жылы BASF компаниясы A. niger-де өндірілген алғашқы коммерциялық фитазаны Natuphos тауарлық белгісімен сатуға бастады, ол мал азығының қоректік құрамын арттыру үшін қолданылды. Содан кейін бұл, көптеген жағынан саңырауқұлақ фитазаларынан артық бактериялық фитазалардың жаңа буынының мал азығында қолданылуына әкелді.
Гистидин қышқыл фосфатазалары (ГАФ)
Белгілі фитазалардың көпшілігі гистидин қышқыл фосфатазалары (ҚҚФ) деп аталатын ферменттер класына жатады. ҚҚФ-тар жіп тәрізді саңырауқұлақтардан, бактериялардан, ашытқылардан және өсімдіктерден бөлініп алынған. ҚҚФ-тар сонымен қатар жануарларға арналған жем-шөп өндірісі үшін фитаза өндірудің мүмкін балама әдісі ретінде бірнеше трансгенді өсімдіктерде жоғары деңгейде экспрессияланған, ал жақында *E. coli* бактериясынан алынған ҚҚФ фитаза гені трансгенді шошқада сәтті экспрессияланды.
β-ұңғыма фитазалары
β-пропеллерлік фитазалар жаңа ашылған фитазалар класын құрайды. Осы фермент класының алғашқы мысалдары Бацилла түрлерінен алынған.
Қызғылт қышқыл фосфатазалар
Жақында өніп тұсқан сояның тұқымжапырақтарынан фитаза бөліп алынды, оның активті ортасы – қызғылт түсті қышқыл фосфатазаның (PAP) мотивіне ие. Бұл металлоферменттер класы жақсы зерттелген, геномдық дерекқорларды іздеу нәтижесінде өсімдіктерде, сүтқоректілерде, саңырауқұлақтарда және бактерияларда PAP-қа ұқсас тізбектер табылды. Дегенмен, фитазалық белсенділік тек соядан алынған PAP-да ғана анықталды. PAP үшін үш өлшемді құрылым, активті ортаның тізбек мотиві және катализдің ұсынылған механизмі анықталды.
Белсенді тирозин фосфатазаға ұқсас фитазалар
Тек белгілі фитазалардың бір бөлігі ғана белокты тирозин фосфатазалар (БТФ) деп аталатын ферменттердің суперотбасының құрамына кіреді. PTP-ге ұқсас фитазалар, салыстырмалы түрде жақында ғана ашылған фитаза класы, әдетте қайыра өңдейтін жануарлардың ішегінде мекендейтін бактериялардан бөліп алынған. Барлық сипатталған PTP-ге ұқсас фитазалар белсенді ортақ реттілік мотивімен (His Cys (X)5 Arg), екі кезеңді қышқыл-негіздік дефосфориляция механизмімен және фосфорланған тирозин қалдықтарына қатысты активтілікпен ортақ, бұл сипаттамалар барлық БТФ суперотбасы ферменттеріне тән. Көптеген БТФ суперотбасы ферменттері сияқты, бактериялық PTP-ге ұқсас фитазалардың нақты биологиялық субстраттары мен атқаратын рөлдері әлі толық анықталған жоқ. Қайыра өңдейтін бактериялардан алынған сипатталған PTP-ге ұқсас фитазалар сүтқоректілердің PTP-ге ұқсас фосфоинозитол/инозитол фосфатазасы PTEN-мен реттілік және құрылымдық ұқсастықтарын бөліседі, сондай-ақ PTP-ге ұқсас фитазалар класына жататын фитазалар және Selenomonas ruminantium subsp. lactilytica-дан алынған PTP-ге ұқсас фитаза 5 фитаза екені анықталды.
Биологиялық маңыздылығы
Фитик қышқылы және оның метаболиттері тұқымдар мен дәндерде бірнеше маңызды рөл атқарады, ең бастысы – фитик қышқылы фосфор қоймасы, энергия қоймасы, катиондар көзі және мио-инозитол (жасуша қабырғасының прекурсоры) көзі ретінде қызмет етеді. Фитик қышқылы өсімдік тұқымдарындағы фосфордың негізгі сақталу түрі және қарқынды мал шаруашылығында қолданылатын дәнді рациондарындағы фосфордың маңызды көзі болып табылады. Фитик қышқылындағы органикалық фосфатты оны тұтынатын жануарлар көбінесе пайдалана алмайды, бірақ фитазалар бөліп шығаратын органикалық емес фосфатты оңай сіңіруге болады. Тұяқты жануарлар фитик қышқылын фосфор көзі ретінде пайдалана алады, себебі олардың ішегінде мекендейтін бактериялар көптеген фитаза түрлерін жақсы өндіреді. Дегенмен, моногастрикалық жануарлар фитаза өндіретін бактерияларды тасымалдамайды, сондықтан бұл жануарлар фитик қышқылын фосфордың маңызды көзі ретінде пайдалана алмайды және ол фекалиямен шығарылады. Алайда, адамдар – әсіресе вегетариандар мен вегандар, ішек микробиомының бейімделуі артуына байланысты – ішектерінде фитазаны өндіретін микроорганизмдер болуы мүмкін, олар фитик қышқылын ыдыратады. Фитик қышқылы және оның метаболиттері эукариоттық физиологиялық процестерде де бірнеше маңызды рөлдер атқарады. Осылайша, фитазалар, фитик қышқылы мен оның метаболиттерін гидролиздейтін ферменттер, сонымен қатар маңызды рөл атқарады. Фитик қышқылы және оның метаболиттері ДНК жөндеуге, клатринмен қапталған везикулалық қайта өңдеуге, нейротрансмиссияны бақылауға және жасушалардың көбеюіне қатысты. Фитазалардың фитик қышқылы мен оның метаболиттерін реттеудегі нақты рөлі және жоғарыда сипатталған физиологиялық процестердегі оның нәтижелі рөлі әлі толыққанды зерттелмеген және көптеген зерттеулердің нысаны болып табылады. Фитаза ферментін сиырлардың жеміне қосу кезінде адамда гиперсезімталдық пневмониті пайда болғандығы туралы хабарламалар бар.
Ауыл шаруашылығы және өнеркәсіптік пайдалану
Фитазаны тік ішектегі бактериялар өндіреді, олар қайтарушы жануарларда (сияырлар, қойлар) кездеседі, бұл оларға дәндердегі фит қышқылын фосфор көзі ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Қайтаруға жатпайтын жануарлар (бір қарынды жануарлар), мысалы, адамдар, иттің, шошқаның, құстардың және т.б. фитаза өндірмейді. Жануарлардың тамақтануы саласындағы зерттеулер фитатпен байланысқан кальций, фосфор, минералдар, көмірсулар, аминқышқылы және белоктар сияқты қоректік заттарды жануарларға қолжетімді ету үшін фитазамен азықты толықтыру идеясын ұсынды. Канадада негізінен сілекей бездері арқылы фитаза өндіретін, генетикалық түрлендірілген Enviropig шошқасы жасалды және шектеулі өндіріске рұқсат берілді. Фитаза жануарлар азығының қосымшасы ретінде, көбінесе құс және шошқа шаруашылығында, фит қышқылынан (миоинозитол гексакисфосфат) органикалық фосфатты босату арқылы өсімдік материалдарының қоректік құндылығын арттыру үшін қолданылады. Фитаза трансгенді микроорганизмдерден тазартылуы мүмкін және соңғы кезде трансгенді канола, люцерна және күріш өсімдіктерінен өндірілді. Фитаза егілген Rhizopus oligosporus-тан да өндірілген.