Введение
Класс ферментов
Фитаза (мио-инозитолгексакисфосфатфосфогидролаза) – это любой тип фермента фосфатазы, который катализирует гидролиз фитиновой кислоты (мио-инозитолгексакисфосфата) – неперевариваемой органической формы фосфора, содержащейся во многих растительных тканях, особенно в зерновых и масличных семенах, – и высвобождает усвояемую форму неорганического фосфора. Хотя фитазы обнаружены у животных, растений, грибов и бактерий, наиболее часто фитазы обнаруживаются и характеризуются у грибов.
История
Первая фитаза была обнаружена в 1907 году в рисовых отрубях, а в 1908 году – в печени и крови теленка. В 1962 году была предпринята первая попытка коммерциализации фитаз для повышения питательной ценности кормов для животных, когда компания International Minerals & Chemicals (IMC) изучила более 2000 микроорганизмов в поисках наиболее подходящих для производства фитазы. Этот проект был начат отчасти из-за опасений по поводу исчерпания запасов неорганического фосфора, добываемого из месторождений (см. пиковый фосфор), который IMC поставляла для кормовой промышленности в то время. Грибной штамм Aspergillus (ficuum) niger NRRL 3135 (ATCC 66876) был определен как перспективный кандидат, поскольку он способен производить большое количество внеклеточных фитаз. Однако эффективность организма оказалась недостаточной для коммерциализации, и проект завершился в 1968 году неудачей. Позже, в 1993 году, был клонирован полный ген и осуществлена его сверхэкспрессия в A. niger. В 1991 году компания BASF начала продавать первую коммерческую фитазу, произведенную из A. niger, под торговой маркой Natuphos, которая использовалась для повышения питательной ценности кормов для животных. Впоследствии это привело к использованию в кормах для животных нового поколения бактериальных фитаз, которые во многих отношениях превосходили грибковые фитазы.
Гистидинокислотные фосфатазы (HAP)
Большинство известных фитаз относятся к классу ферментов, называемых гистидин-кислотными фосфатазами (HAP). HAP были выделены из нитчатых грибов, бактерий, дрожжей и растений. HAP также были сверхэкспрессированы в нескольких трансгенных растениях как потенциальный альтернативный метод производства фитазы для индустрии кормов для животных, и совсем недавно ген HAP-фитазы из *E. coli* был успешно экспрессирован в трансгенной свинье.
β-пропеллерные фитазы
β-пропеллерные фитазы составляют недавно открытый класс фитаз. Первые примеры этого класса ферментов были изначально клонированы из видов рода Bacillus.
Фиолетовые кислотные фосфатазы
Недавно из семядолей прорастающих соевых бобов была выделена фитаза, обладающая мотивом активного центра фиолетовой кислой фосфатазы (PAP). Этот класс металлоферментов хорошо изучен, и поиск в геномных базах данных выявляет последовательности, подобные PAP, у растений, млекопитающих, грибов и бактерий. Однако значительной фитазной активностью обладает только PAP из соевых бобов. Трехмерная структура, мотив последовательности активного центра и предполагаемый механизм катализа для PAP были установлены.
Фитазы, подобные тирозинфосфатазе белка
Только немногие известные фитазы принадлежат к суперсемейству ферментов, называемых протеинтирозинфосфатазами (PTP). PTP-подобные фитазы, относительно недавно открытый класс фитаз, были выделены из бактерий, обычно обитающих в кишечнике жвачных животных. Все изученные PTP-подобные фитазы имеют общий мотив активного центра последовательности (His Cys (X)5 Arg), двухстадийный кислотно-основной механизм дефосфорилирования и активность в отношении фосфорилированных тирозиновых остатков – характеристики, общие для всех ферментов суперсемейства PTP. Как и у многих ферментов суперсемейства PTP, точные биологические субстраты и функции бактериальных PTP-подобных фитаз пока не были четко установлены. Изученные PTP-подобные фитазы из бактерий рубца демонстрируют последовательную и структурную гомологию с млекопитающей PTP-подобной фосфоинозитид/инозитолфосфатазой PTEN, и было установлено, что фитазы, относящиеся к классу PTP-подобных фитаз, а также PTP-подобная фитаза из Selenomonas ruminantium subsp. lactilytica, являются пятью различными фитазами.
Биологическая значимость
Фитиновая кислота и ее метаболиты выполняют несколько важных функций в семенах и зернах, в частности, фитиновая кислота служит хранилищем фосфора, источником энергии, катионов и миоинозитола (предшественника клеточной стенки). Фитиновая кислота является основной формой запасания фосфора в семенах растений и основным источником фосфора в рационе, основанном на зерновых, используемом в интенсивном животноводстве. Органический фосфат, содержащийся в фитиновой кислоте, в значительной степени недоступен для животных, потребляющих его, но неорганический фосфат, высвобождаемый фитазами, легко усваивается. Пережевывающие животные могут использовать фитиновую кислоту как источник фосфора, поскольку бактерии, обитающие в их кишечнике, являются хорошо изученными продуцентами различных типов фитаз. Однако у животных с одним желудком отсутствуют бактерии, производящие фитазу, поэтому они не могут использовать фитиновую кислоту в качестве основного источника фосфора, и она выводится с фекалиями. Тем не менее, у людей, особенно у вегетарианцев и веганов, благодаря повышенной адаптации кишечной микробиоты, могут присутствовать микробы в кишечнике, способные вырабатывать фитазу, расщепляющую фитиновую кислоту. Фитиновая кислота и ее метаболиты играют ряд других важных ролей в физиологических процессах эукариот. Соответственно, фитазы, гидролизующие фитиновую кислоту и ее метаболиты, также играют важную роль. Фитиновая кислота и ее метаболиты вовлечены в репарацию ДНК, рециркуляцию везикул, покрытых клатрином, регуляцию нейротрансмиссии и пролиферацию клеток. Точная роль фитаз в регуляции фитиновой кислоты и ее метаболитов, а также их влияние на вышеописанные физиологические процессы, до сих пор в значительной степени неизвестна и является предметом активных исследований. Сообщалось о случаях гиперчувствительного пневмонита у человека, подвергшегося воздействию фитазы при добавлении фермента в корм для крупного рогатого скота.
Сельскохозяйственное и промышленное использование
Фитаза вырабатывается бактериями, обитающими в кишечнике жвачных животных (крупного рогатого скота, овец), что позволяет им использовать фитиновую кислоту, содержащуюся в зерновых, в качестве источника фосфора. Нежвачные (одножелудочные) животные, такие как люди, собаки, свиньи, птицы и т.д., не вырабатывают фитазу. Исследования в области питания животных показали, что добавление фитазы в корм позволяет высвободить питательные вещества, связанные с фитатами, такие как кальций, фосфор, минералы, углеводы, аминокислоты и белки, делая их доступными для усвоения животным. В Канаде была разработана и одобрена для ограниченного производства генетически модифицированная свинья под названием Enviropig, способная производить фитазу преимущественно в слюнных железах. Фитаза используется в качестве кормовой добавки для животных, особенно в птицеводстве и свиноводстве, для повышения питательной ценности растительных кормов за счет высвобождения неорганического фосфата из фитиновой кислоты (мио-инозитол гексакисфосфат). Фитазу можно очищать из трансгенных микроорганизмов, и в последнее время ее стали получать в трансгенных растениях рапса, люцерны и риса. Фитазу также производят из культивируемого Rhizopus oligosporus.