Введение

Класс ферментов

Амилаза (/æ//m//ᵻ//l//eɪ//s/) – это фермент, который катализирует гидролиз крахмала (лат. amylum) до сахаров. Амилаза содержится в слюне человека и некоторых других млекопитающих, где начинается химический процесс пищеварения. Пищевые продукты, содержащие большое количество крахмала и мало сахара, такие как рис и картофель, могут приобретать слегка сладковатый вкус при жевании, поскольку амилаза расщепляет часть крахмала до сахара. Поджелудочная железа и слюнные железы вырабатывают амилазу (альфа-амилазу) для гидролиза пищевого крахмала до дисахаридов и трисахаридов, которые затем другими ферментами превращаются в глюкозу, обеспечивая организм энергией. Амилазу также производят растения и некоторые бактерии. Конкретные белки амилазы обозначаются различными греческими буквами. Все амилазы являются гликозидными гидролазами и действуют на α 1,4 гликозидные связи.

Классификация

α амилаза β амилаза γ амилаза Источник Животные, растения, микроорганизмы Растения, микроорганизмы Животные, микроорганизмы Ткань Слюнные железы, поджелудочная железа Семена, плоды Малая кишка Место расщепления Случайное α 1,4-гликозидная связь Вторая α 1,4-гликозидная связь Последняя α 1,4-гликозидная связь Продукты реакции Мальтоза, декстрины и т.д. Мальтоза Глюкоза Оптимальный pH 6,7–7,0 5,4–5,5 4,0–4,5 Оптимальная температура при заваривании 68–74 °C (154–165 °F) 58–65 °C (136–149 °F) 63–68 °C (145–155 °F)

α-Амиляза

α-амилазы (CAS 9014-71-5) (альтернативные названия: 1,4-α-D-глюкан-глюканогидролаза; гликогеназа) являются кальций-металлоферментами. Действуя в случайных местах вдоль цепи крахмала, α-амилаза расщепляет сахариды длинной цепи, в конечном итоге образуя либо мальтотриозу и мальтозу из амилозы, либо мальтозу, глюкозу и "предельный декстрин" из амилопектина. Они относятся к семейству гликозидных гидролаз 13 (https://www.cazypedia.org/index.php/Glycoside_Hydrolase_Family_13). Поскольку α-амилаза может действовать в любом месте субстрата, она, как правило, действует быстрее, чем β-амилаза. У животных это основной пищеварительный фермент, с оптимальным pH 6,7–7,0. В физиологии человека как слюнная, так и поджелудочная амилазы являются α-амилазами. Форма α-амилазы также встречается у растений, грибов (аскомицетов и базидиомицетов) и бактерий (Bacillus).

β-Амиляза

Другая форма амилазы, β-амилаза (альтернативные названия: 1,4 α D глюкан мальтогидролаза; гликогеназа; сахароген-амилаза) также синтезируется бактериями, грибами и растениями. Действуя с невосстанавливающего конца, β-амилаза катализирует гидролиз второй α 1,4 гликозидной связи, отщепляя по две молекулы глюкозы (мальтозу) за один раз. Во время созревания плодов β-амилаза расщепляет крахмал до мальтозы, что придает спелым плодам сладкий вкус. Она относится к семейству гликозидных гидролаз 14. Как α-амилаза, так и β-амилаза присутствуют в семенах; β-амилаза находится в неактивной форме до начала прорастания, в то время как α-амилаза и протеазы появляются после начала прорастания. Многие микроорганизмы также производят амилазу для расщепления внеклеточного крахмала. Ткани животных не содержат β-амилазу, хотя она может присутствовать в микроорганизмах, обитающих в пищеварительном тракте. Оптимальный pH для β-амилазы составляет 4,0–5,0.

γ-Амиляза

γ-Амилаза (альтернативные названия: Глюкан 1,4-α-глюкозидаза; амилоглюкозидаза; экзо-1,4-α-глюкозидаза; глюкоамилаза; лизосомная α-глюкозидаза; 1,4-α-D-глюкан-глюкогидролаза) расщепляет α(1–6)-гликозидные связи, а также последнюю α-1,4-гликозидную связь на невосстанавливающем конце амилозы и амилопектина, образуя глюкозу. γ-Амилаза имеет наиболее кислый оптимальный pH среди всех амилаз, поскольку её максимальная активность достигается при pH около 3. Она принадлежит к различным семействам гликозидгидролаз (GH), таким как семейство 15 в грибах, семейство 31 у человека (MGAM) и семейство 97 у бактериальных форм.

Ферментация

α и β амилазы играют важную роль в производстве пива и спиртных напитков, получаемых из сахаров, извлеченных из крахмала. В процессе ферментации дрожжи потребляют сахара и выделяют этанол. В пиве и некоторых спиртных напитках сахара, присутствующие в начале ферментации, образуются путем "затирания" зерна или других источников крахмала (например, картофеля). При традиционном пивоварении солодовый ячмень смешивают с горячей водой для создания "затора", который выдерживают при определенной температуре, чтобы амилазы, содержащиеся в солоде, могли преобразовать крахмал ячменя в сахара. Различные температуры оптимизируют активность α- или β-амилазы, что приводит к образованию различных смесей ферментируемых и неферментируемых сахаров. Подбирая температуру затирания и соотношение зерна к воде, пивовар может влиять на содержание алкоголя, текстуру, аромат и вкус готового пива. В некоторых исторических методах производства алкогольных напитков преобразование крахмала в сахар начинается с того, что пивовар пережевывает зерно, смешивая его со слюной. Эта практика до сих пор применяется при домашнем производстве некоторых традиционных напитков, таких как чаанг в Гималаях, чича в Андах и касири в Бразилии и Суринаме.

Добавка к муке

Амилазы используются в хлебопечении и для расщепления сложных сахаров, таких как крахмал (содержащийся в муке), на простые сахара. Дрожжи затем потребляют эти простые сахара и превращают их в побочные продукты – этанол и углекислый газ. Это придает хлебу вкус и способствует его подъему. Хотя амилазы естественным образом содержатся в клетках дрожжей, дрожжам требуется время для выработки достаточного количества этих ферментов, чтобы расщепить значительное количество крахмала в хлебе. Именно поэтому существует длительное брожение теста, например, при приготовлении закваски. Современные технологии хлебопечения включают амилазы (часто в форме солодового ячменя) в хлебоулучшители, что ускоряет и упрощает процесс для коммерческого производства. α-Амилаза часто указывается в составе коммерчески упакованной муки высшего сорта. Пекари, длительное время подвергающиеся воздействию муки, обогащенной амилазой, подвергаются риску развития дерматита или астмы.

Молекулярная биология

В молекулярной биологии наличие амилазы может служить дополнительным методом отбора успешной интеграции репортерной конструкции, помимо устойчивости к антибиотикам. Поскольку гены-репортеры фланкированы гомологичными областями структурного гена амилазы, успешная интеграция приведет к нарушению гена амилазы и прекращению расщепления крахмала, что легко обнаруживается с помощью окрашивания йодом.

Медицинское применение

Амилаза также находит медицинское применение в терапии заместительной ферментной поджелудочной железы (PERT). Она является одним из компонентов препарата Sollpura (липротамаза), способствуя расщеплению сахаров до простых сахаров.

Другие применения

Ингибитор альфа-амилазы, фазоламин, был протестирован как потенциальное средство для похудения. При использовании в качестве пищевой добавки амилаза имеет номер E1100 и может быть получена из поджелудочной железы свиней или плесневых грибов. Бакциллярная амилаза также используется в стиральных порошках и средствах для мытья посуды для расщепления крахмала на тканях и посуде. Рабочие, контактирующие с амилазой в связи с вышеуказанными видами деятельности, подвергаются повышенному риску развития профессиональной астмы. От пяти до девяти процентов пекарей дают положительный кожный тест, а у четверти – трети пекарей с респираторными проблемами наблюдается гиперчувствительность к амилазе.

Гиперамилемия

Для медицинской диагностики может быть измерена амилаза сыворотки крови. Повышенная концентрация может указывать на ряд заболеваний, включая острый панкреатит (который можно измерить одновременно с более специфической липазой), перфоративную язву желудка или двенадцатиперстной кишки, перекрут кисты яичника, ущемление, кишечную непроходимость, мезентериальную ишемию, макроамилаземию и эпидемический паротит (свинку). Амилазу можно измерять в других биологических жидкостях, таких как моча и асцитическая жидкость. Исследование, проведенное в январе 2007 года в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, показало, что анализ слюны на содержание этого фермента может использоваться для выявления дефицита сна, поскольку активность фермента возрастает в зависимости от продолжительности лишения сна.

История

В 1831 году Эрхард Фридрих Лейхс (1800–1837) описал гидролиз крахмала под действием слюны, что было обусловлено наличием в слюне фермента "птиалина", амилазы. Он был назван по древнегреческому названию слюны: πτύαλον (ptyalon). Современная история ферментов началась в 1833 году, когда французские химики Ансельме Пайен и Жан Франсуа Персо выделили комплекс амилазы из прорастающего ячменя и назвали его "диастазой". От этого термина происходит тенденция заканчивать все последующие названия ферментов суффиксом -аза. В 1862 году русский биохимик Данилевский Александр Яковлевич (1838–1923) отделил панкреатическую амилазу от трипсина.

Слюноамиляза

Сахариды – богатый источник энергии. Крупные полимеры, такие как крахмал, частично гидролизуются в полости рта ферментом амилазой, прежде чем быть расщепленными до сахаров. У многих млекопитающих наблюдается значительное увеличение числа копий гена амилазы. Эти дупликации позволяют панкреатической амилазе AMY2 перенаправляться в слюнные железы, что позволяет животным обнаруживать крахмал на вкус и переваривать его более эффективно и в больших количествах. Это произошло независимо у мышей, крыс, собак, свиней и, что наиболее важно, у людей после неолитической революции. После неолитической революции, 12 000 лет назад, рацион человека начал смещаться в сторону растениеводства и животноводства вместо охоты и собирательства. Крахмал стал основным продуктом питания человека. Несмотря на очевидные преимущества, у ранних людей отсутствовала слюнная амилаза, тенденция, которая также наблюдается у эволюционных родственников человека, таких как шимпанзе и бонобо, у которых имеется либо одна, либо ни одной копии гена, ответственного за выработку слюнной амилазы. Как и у других млекопитающих, панкреатическая альфа-амилаза AMY2 была дуплицирована многократно. Одно из этих событий позволило ей приобрести специфичность к слюне, что привело к выработке амилазы в слюне (обозначаемой у человека как AMY1). Область 1p21.1 на 1-й хромосоме человека содержит множество копий этих генов, с различными названиями, такими как AMY1A, AMY1B, AMY1C, AMY2A, AMY2B и так далее. Однако, не у всех людей одинаковое количество копий гена AMY1. Популяции, в рационе которых преобладают сахариды, имеют большее число копий AMY1, чем популяции, потребляющие мало крахмала. Число копий гена AMY1 у людей может варьироваться от шести копий в земледельческих группах, таких как европейские американцы и японцы (две популяции с высоким потреблением крахмала), до всего двух-трех копий в обществах охотников-собирателей, таких как биака, датог и якуты. В отличие от людей, уровень амилазы которых зависит от содержания крахмала в рационе, дикие животные, питающиеся разнообразной пищей, как правило, имеют больше копий амилазы. Это может быть связано главным образом с обнаружением крахмала, а не с его перевариванием.