BETA-GALACTOSIDASE: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die Beta-Galactosidase , β-Galactosidase, auch β-D- oder Galactohydrolase genannt, ist ein Enzym aus der Familie der Hydrolasen, die Glycosylgalactosylreste verschiedener Arten von Molekülen hydrolysieren können: Polymere, Oligosaccharide und Sekundärmetaboliten, unter anderem.

Früher als "Lactase" bekannt, ist seine Verteilung sowie die der β-galactosidierten Oligo- und Polysaccharide, die als Substrat dienen, extrem breit. Es kommt in Bakterien, Pilzen und Hefen vor; In Pflanzen ist es häufig in Mandeln, Pfirsichen, Aprikosen und Äpfeln und in Tieren in Organen wie Magen und Darm vorhanden.

Grafische Darstellung der Struktur des B-Galactosidase-Enzyms (Quelle: Jawahar Swaminathan und MSD-Mitarbeiter am European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Das am meisten untersuchte Enzym ist das des Lac-Operons von E. coli, das vom lacZ-Gen kodiert wird. Seine Studien waren der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise genetischer Operons und vieler regulatorischer Aspekte davon.

Es gehört derzeit zur Gruppe der am besten untersuchten Enzyme und seine bekannteste Funktion ist die Hydrolyse der glykosidischen Bindungen von Laktose. Es erfüllt wesentliche Stoffwechselfunktionen in den Organismen, die es exprimieren, und wird auch für verschiedene industrielle Zwecke verwendet.

Industrielle Anwendungen umfassen die Entfernung von Laktose aus Milchprodukten für Menschen mit Laktoseintoleranz und die Herstellung verschiedener Galaktosidatverbindungen. Sie werden auch verwendet, um die Süße, den Geschmack und die Verdauung vieler Milchprodukte zu verbessern.

Eigenschaften

Zusätzlich zu galactosidierten Substraten wie Lactose benötigen die meisten bekannten β-Galactosidasen zweiwertige Metallionen wie Magnesium und Natrium. Dies wurde mit der Entdeckung von Bindungsstellen für diese Metalle in ihrer Struktur bewiesen.

Die in der Natur vorhandenen β-Galactosidasen weisen eine Vielzahl von pH-Bereichen auf, in denen sie arbeiten können. Pilzenzyme arbeiten in sauren Umgebungen (2,5 bis 5,4), während Hefe- und Bakterienenzyme zwischen 6 und 7 pH-Einheiten arbeiten.

Bakterielle β-Galactosidasen

Bakterien haben im Vergleich zu anderen analysierten Galactosidasen große galaktohydrolytische Enzyme. In diesen Organismen katalysiert dasselbe Enzym drei Arten von enzymatischen Reaktionen:

- Hydrolysiert Lactose zu seinen konstitutiven Monosacchariden: Galactose und Glucose.

- Es katalysiert die Transgalactosylierung von Lactose zu Allolactose, einem Disaccharidzucker, der an der positiven Regulation der Expression der zum Lac-Operon gehörenden Gene beteiligt ist, z.

- Hydrolysiert Allolactose auf ähnliche Weise wie Lactose.

Pilz-β-Galactosidasen

Pilze besitzen β-Galactosidase-Enzyme, die anfälliger für eine Hemmung durch Galactose sind als Enzyme anderer Organismen. Sie sind jedoch thermostabil und arbeiten in sauren pH-Bereichen.

Der durch diese Enzyme in Pilzen vermittelte Laktosestoffwechsel wird in extrazelluläre und zytosolische unterteilt, da diese Organismen β-Galactosidase verwenden können, um Laktose extrazellulär zu hydrolysieren und die Produkte in die Zellen einzuführen, oder sie können das Disaccharid direkt aufnehmen und intern verarbeiten.

Struktur

Das bakterielle β-Galactosidase-Enzym ist ein tetrameres Enzym (von vier identischen Untereinheiten, AD) und jedes seiner Monomere weist mehr als 1.000 Aminosäurereste auf, was ein Molekulargewicht von mehr als 100 kDa für jedes und mehr als 400 bedeutet kDa für das komplexierte Protein.

Im Gegensatz dazu ist das Enzym in Pflanzen erheblich kleiner und kann üblicherweise als Dimer identischer Untereinheiten gefunden werden.

Die Domänen jedes Monomers werden durch die Nummern 1 bis 5 unterschieden. Domäne 3 hat eine α / β "TIM" -Zylinderstruktur und das aktive Zentrum am C-terminalen Ende des Zylinders.

Es wird angenommen, dass die aktiven Stellen des Enzymkomplexes zwischen Monomeren geteilt werden, so dass dieses Enzym nur dann biologisch aktiv ist, wenn es als Tetramer komplexiert ist.

Sein aktives Zentrum hat die Fähigkeit, an D-Glucose und D-Galactose zu binden, die beiden Monosaccharide, aus denen Lactose besteht. Es ist besonders spezifisch für D-Galactose, aber es ist nicht so spezifisch für Glucose, so dass das Enzym auf andere Galactoside wirken kann.

Eigenschaften

Bei Tieren

Im Darm des Menschen hat die Hauptfunktion dieses Enzyms mit der Absorption von Laktose zu tun, die über die Nahrung aufgenommen wird, da sie sich auf der Lumenseite der Plasmamembran der bürstenförmigen Darmzellen befindet.

Darüber hinaus wurde gezeigt, dass lysosomale Isoformen dieses Enzyms am Abbau vieler Glykolipide, Mucopolysaccharide und galactosidierter Glykoproteine ​​beteiligt sind und auf verschiedenen Zellwegen mehreren Zwecken dienen.

In Pflanzen

Pflanzen besitzen β-Galactosidase-Enzyme in Blättern und Samen. Diese erfüllen wichtige Funktionen beim Katabolismus von Galactolipiden, die für Algen und Pflanzen im Allgemeinen charakteristisch sind.

In diesen Organismen ist β-Galactosidase an den Prozessen des Pflanzenwachstums, der Fruchtreife beteiligt, und in höheren Pflanzen ist dies das einzige bekannte Enzym, das Galactosylreste aus den galacosidierten Polysacchariden der Zellwand hydrolysieren kann.

In Industrie und Forschung

In der mit Milchprodukten verbundenen Lebensmittelindustrie wird das Enzym β-Galactosidase verwendet, um die Hydrolyse von in Milchprodukten vorhandener Lactose zu katalysieren, die für viele der mit der Lagerung dieser Produkte verbundenen Mängel verantwortlich ist.

Durch die Hydrolyse dieses Zuckers sollen die Sedimentation von Partikeln, die Kristallisation von gefrorenen Milchdesserts und das Vorhandensein von „sandigen“ Texturen in den meisten kommerziellen Milchderivaten vermieden werden.

Die industriell verwendete β-Galactosidase wird üblicherweise aus dem Pilz Aspergillus sp. Erhalten, obwohl das von der Hefe Kluyveromyces lactis produzierte Enzym ebenfalls weit verbreitet ist.

Die β-Galactosidase-Aktivität, die wissenschaftlich als "Lactose-Fermentation" übersetzt wird, wird routinemäßig auf die Identifizierung von gramnegativen Enterobacteriaceae getestet, die in verschiedenen Arten von Proben vorhanden sind.

Darüber hinaus wird es in medizinischer Hinsicht zur Herstellung von laktosefreien Milchprodukten und zur Formulierung von Tabletten verwendet, mit denen Laktoseintolerante Milch und ihre Derivate (Joghurt, Käse, Eis, Butter, Cremes usw.) verdauen. .

Es wird als "Biosensor" oder "Biomarker" für eine Vielzahl von Zwecken verwendet, von Immunoassays und toxikologischen Analysen bis zur Analyse der Genexpression und Diagnose von Pathologien dank der chemischen Immobilisierung dieses Enzyms auf speziellen Trägern.

Verweise

1. Henrissat, B. & Daviest, G. (1997). Strukturelle und sequenzbasierte Klassifizierung von Glycosidhydrolasen. Current Biology, 7, 637 & ndash; 644.
2. Huber, R. (2001). Beta (B) -Galactosidase. Academic Press, 212–214.
3. Husain, Q. (2010). β-Galactosidasen und ihre möglichen Anwendungen: eine Übersicht. Critical Reviews in Biotechnology, 30, 41–62.
4. Juers, DH, Matthews, BW & Huber, RE (2012). LacZ B-Galactosidase: Struktur und Funktion eines Enzyms von historischer und molekularbiologischer Bedeutung. Protein Science, 21, 1792 & ndash; 1807.
5. Lee, BY, Han, JA, Im, JS, Morrone, A., Johung, K., Goodwin, C.,… Hwang, ES (2006). Seneszenz-assoziierte β-Galactosidase ist lysosomale β-Galactosidase. Aging Cell, 5, 187–195.
6. Matthews, BW (2005). Die Struktur der E. coli β-Galactosidase. CR Biologies, 328, 549 & ndash; 556.
7. McCarter, JD & Withers, SG (1994). Mechanismen der enzymatischen Glykosidhydrolyse. Current Opinion in Structural Biology, 4, 885–892.
8. Richmond, M., Gray, J. & Stine, C. (1981). Beta-Galactosidase: Überblick über aktuelle Forschungsergebnisse in Bezug auf technologische Anwendung, Ernährungsbedenken und Immobilisierung. J Dairy Sci, 64, 1759–1771.
9. Wallenfels, K. & Weil, R. (1972). B-Galactosidase.