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Lactasa

La lactasa ( EC 3.2.1.108 ) es una enzima producida por muchos organismos y es esencial para la digestión completa de la leche entera . Descompone el azúcar lactosa en sus compo...

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La lactasa ( EC 3.2.1.108 ) es una enzima producida por muchos organismos y es esencial para la digestión completa de la leche entera . Descompone el azúcar lactosa en sus componentes, galactosa y glucosa , azúcares simples que pueden ser absorbidos por el torrente sanguíneo a través de los intestinos del animal. La lactasa es un tipo de β-galactosidasa porque rompe el enlace β-glucosídico de la D -lactosa. La reacción química que cataliza es:

C 12 H 22 O 11 + H 2 O → C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 + calor.
lactosa + H 2 O → β- D -galactosa + D -glucosa

El único gen humano que codifica una lactasa es LCT o lactasa-florizina hidrolasa (símbolo alternativo LPH). LCT tiene un dominio de lactasa y un dominio de florizina hidrolasa . Está codificado en el cromosoma 2. [ 1 ] [ 2 ] La lactasa se encuentra en el borde en cepillo del intestino delgado de los humanos y otros mamíferos. Las personas sin la mutación que permite que la producción de LCT funcional continúe después de la infancia pueden experimentar síntomas de intolerancia a la lactosa después de consumir productos lácteos . [ 3 ]

Las β-galactosidasas microbianas que hidrolizan la lactosa (es decir, lactasas en sentido amplio) [ a ] se pueden adquirir como suplemento alimenticio y se añaden a la leche para producir productos lácteos "sin lactosa". Esta enzima puede descomponer directamente la lactosa al añadirse a los lácteos. Algunas variantes pueden sobrevivir al paso por el estómago humano y descomponer la lactosa de cualquier alimento ingerido antes de que llegue al colon.

Las versiones animales (incluidos los humanos)

Como se mencionó anteriormente, la lactasa humana es una proteína con dos dominios de β-galactosidasa. El dominio de lactasa funciona como tal, mientras que el dominio de florizina hidrolasa cataliza la conversión de florizina en floretina y glucosa.

Estructura y biosíntesis

La preprolactasa, el producto primario de la traducción, tiene una estructura primaria de un solo polipéptido que consta de 1927 aminoácidos. [ 1 ] Se puede dividir en cinco dominios: (i) una secuencia señal escindida de 19 aminoácidos ; (ii) un gran dominio de prosecuencia que no está presente en la lactasa madura; (iii) el segmento de lactasa madura; (iv) un anclaje hidrofóbico transmembrana; y (v) un extremo carboxilo hidrofílico corto. [ 1 ] La secuencia señal se escinde en el retículo endoplasmático , y la pro-LPH resultante de 215 kDa se envía al aparato de Golgi , donde se glicosila intensamente y se procesa proteolíticamente a su forma madura. [ 4 ] Se ha demostrado que el prodominio actúa como una chaperona intramolecular en el RE, impidiendo la escisión por tripsina y permitiendo que LPH adopte la estructura 3-D necesaria para ser transportada al aparato de Golgi. [ 5 ]

Esquema del procesamiento y localización del producto de traducción de la lactasa humana

La lactasa humana madura consta de una única cadena polipeptídica de 160 kDa que se localiza en la membrana del borde en cepillo de las células epiteliales intestinales. Está orientada con el extremo N-terminal hacia fuera de la célula y el extremo C-terminal hacia el citosol. [ 1 ] La LPH contiene dos sitios catalíticos de ácido glutámico. En la enzima humana, la actividad lactasa se ha relacionado con Glu-1749, mientras que Glu-1273 es el sitio de la función florizina hidrolasa. [ 6 ]

Expresión y regulación genética

En los seres humanos, la lactasa está codificada por un único locus genético en el cromosoma 2. [ 7 ] Se expresa exclusivamente en los enterocitos del intestino delgado de los mamíferos y en niveles muy bajos en el colon durante el desarrollo fetal. [ 7 ] Los seres humanos nacen con altos niveles de expresión de lactasa. En la mayor parte de la población mundial, la transcripción de la lactasa se regula negativamente después del destete, lo que resulta en una expresión reducida de lactasa en el intestino delgado, [ 7 ] lo que causa los síntomas comunes de la hipolactasia de tipo adulto o intolerancia a la lactosa. [ 8 ] El gen LCT proporciona las instrucciones para la producción de lactasa. La intolerancia a la lactosa en los lactantes (deficiencia congénita de lactasa) es causada por mutaciones en el gen LCT . Se cree que las mutaciones interfieren con la función de la lactasa, lo que provoca que los lactantes afectados tengan una capacidad gravemente comprometida para digerir la lactosa en la leche materna o la fórmula. [ 9 ]

Algunos segmentos de población presentan persistencia de lactasa como resultado de una mutación que se postula que ocurrió hace 5000-10000 años, coincidiendo con el auge de la domesticación del ganado. [ 10 ] Esta mutación ha permitido que casi la mitad de la población mundial metabolice la lactosa sin síntomas. Los estudios han vinculado la aparición de la persistencia de lactasa con dos polimorfismos de un solo nucleótido diferentes , aproximadamente a 14 y 22 kilobases río arriba del extremo 5' del gen LPH. [ 11 ] Ambas mutaciones, C→T en la posición -13910 y G→A en la posición -22018, se han vinculado independientemente con la persistencia de lactasa. [ 12 ]

El promotor de la lactasa tiene 150 pares de bases de longitud y se encuentra corriente arriba del sitio de inicio de la transcripción. [ 12 ] La secuencia está altamente conservada en mamíferos, lo que sugiere que los reguladores cis-transcripcionales críticos se encuentran cerca. [ 12 ] Se han identificado Cdx-2 , HNF-1α y GATA como factores de transcripción. [ 12 ] Los estudios sobre el inicio de la hipolactasia han demostrado que, a pesar de los polimorfismos, existe poca diferencia en la expresión de la lactasa en lactantes, lo que muestra que las mutaciones se vuelven cada vez más relevantes durante el desarrollo. [ 13 ] Las proteínas de unión al ADN reguladas durante el desarrollo pueden regular negativamente la transcripción o desestabilizar los transcritos de ARNm, causando una disminución de la expresión de LPH después del destete. [ 13 ]

Mecanismo

El mecanismo catalítico de la hidrólisis de D -lactosa conserva la configuración anomérica del sustrato en los productos. [ 14 ] Si bien los detalles del mecanismo son inciertos, la retención estereoquímica se logra mediante una reacción de doble desplazamiento. Estudios de la lactasa de E. coli han propuesto que la hidrólisis se inicia cuando un nucleófilo de glutamato en la enzima ataca desde el lado axial del carbono galactosilo en el enlace β-glucosídico. [ 15 ] La eliminación del grupo saliente D -glucosa puede ser facilitada por la catálisis ácida dependiente de Mg. [ 15 ] La enzima se libera de la porción α-galactosilo tras el ataque nucleofílico ecuatorial del agua, lo que produce D- galactosa. [ 14 ]

Estudios de modificación del sustrato han demostrado que los grupos 3′-OH y 2′-OH del anillo de galactopiranosa son esenciales para el reconocimiento y la hidrólisis por la lactasa de mamíferos. [ 16 ] El grupo 3′-hidroxilo participa en la unión inicial al sustrato, mientras que el grupo 2′-hidroxilo no es necesario para el reconocimiento, pero sí para las etapas posteriores. Esto se demuestra por el hecho de que un análogo 2-desoxi es un inhibidor competitivo eficaz (K i = 10 mM). [ 16 ] La eliminación de grupos hidroxilo específicos en la porción de glucopiranosa no elimina la catálisis. [ 16 ]

La temperatura óptima para la lactasa humana es de aproximadamente 37  °C [ 17 ] y el pH óptimo es 6. [ 18 ]

Mecanismo propuesto de hidrólisis de la lactosa por la enzima lactasa.

Lactasas no animales y sus usos

La lactasa producida comercialmente se extrae tanto de levaduras como Kluyveromyces fragilis y Kluyveromyces lactis como de mohos, como Aspergillus niger y Aspergillus oryzae . [ 19 ]

Como se mencionó anteriormente, la lactasa es una enzima que algunas personas no pueden producir en su intestino delgado. [ 20 ] Sin lactasa, las personas con intolerancia a la lactosa la pasan sin digerir al colon, donde las bacterias la descomponen, generando dióxido de carbono que produce hinchazón y flatulencia. [ 21 ] Las formas comerciales de lactasa pueden descomponer la lactosa cuando se agregan a los alimentos o se introducen en el tracto digestivo humano.

Añadido a los alimentos

Se añade lactasa a los productos lácteos, hidrolizando así la lactosa que contienen, dejándolos ligeramente dulces pero digeribles para todos. [ 22 ]

La tecnología para producir leche, helado y yogur sin lactosa fue desarrollada por el Servicio de Investigación Agrícola del USDA en 1985. [ 23 ] La lactasa de ciertas especies de moho es considerada GRAS por la FDA de EE. UU.; por lo tanto, se permite agregarla a los alimentos en cantidades limitadas como coadyuvante en el procesamiento . Este es uno de los principales usos comerciales de la lactasa. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

Ingerido

Los suplementos de lactasa pueden utilizarse para tratar la intolerancia a la lactosa . La Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) no ha evaluado estos productos de forma independiente, pero existe consenso en que son eficaces siempre que la potencia indicada coincida con la que se afirma en la etiqueta. Suelen venderse bajo el nombre comercial de Lactaid. [ 26 ] [ 27 ]

La lactasa comercial se utiliza como medicamento para la intolerancia a la lactosa. Al ser una enzima, su función puede verse inhibida por la acidez del estómago. Sin embargo, se presenta en comprimidos resistentes a los ácidos, lo que permite que la enzima atraviese el estómago intacta y permanezca en el intestino delgado. Allí, actúa sobre las moléculas de lactosa ingeridas, permitiendo que el cuerpo absorba el azúcar digerido, que de otro modo causaría cólicos y diarrea. Dado que la enzima no se absorbe, se excreta.

Biotecnología

La lactasa (técnicamente, β-galactosidasa) también se utiliza para detectar colonias blanco-azuladas en los sitios de clonación múltiple de diversos vectores plasmídicos en Escherichia coli u otras bacterias. Además de los tipos fúngicos de β-galactosidasa mencionados anteriormente, la biotecnología también utiliza la β-galactosidasa lacZ de E. coli que se encuentra en el operón lac . [ 28 ] [ 29 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Tanto las lactasas humanas como las fúngicas son β-galactosidasas con capacidad para hidrolizar la lactosa. Sin embargo, la Comisión de Enzimas clasifica las enzimas fúngicas como β-galactosidasas porque hidrolizan una gama más amplia de azúcares, no limitada a la lactosa y sus análogos cercanos.

Referencias

  1. 1 2 3 4 Mantei N, Villa M, Enzler T, Wacker H, Boll W, James P, Hunziker W, Semenza G (septiembre de 1988). "Estructura primaria completa de la lactasa-florizina hidrolasa humana y de conejo: implicaciones para la biosíntesis, el anclaje a la membrana y la evolución de la enzima" . The EMBO Journal . 7 (9): 2705–13 . doi : 10.1002/j.1460-2075.1988.tb03124.x . PMC 457059. PMID 2460343 .  
  2. ↑ Harvey CB, Fox MF, Jeggo PA, Mantei N, Povey S, Swallow DM (julio de 1993). "Localización regional del gen de la lactasa-florizina hidrolasa, LCT, en el cromosoma 2q21". Annals of Human Genetics . 57 (Pt 3): 179–85 . doi : 10.1111/j.1469-1809.1993.tb01593.x . PMID 8257087. S2CID 38604778 .  
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  • La proteína lactasa
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  • Ontología genética para la lactasa
  • La creación de los más aptos: ¿Tienes lactasa? La coevolución de genes y cultura.
  • La persistencia de la lactasa muestra indicios de asociación con la obesidad.
  • PDBe-KB proporciona una descripción general de toda la información estructural disponible en el PDB para la beta-galactosidasa humana.
  • PDBe-KB proporciona una descripción general de toda la información estructural disponible en el PDB para la beta-galactosidasa de Escherichia coli.