BETA-GALACTOSIDASE: KENMERKEN, STRUCTUUR, FUNCTIES - BIOLOGIE - 2025

Het bèta-galactosidase , β-galactosidase, ook wel β-D- of galactohydrolase genoemd, is een enzym dat tot de familie van hydrolasen behoort en in staat is om glycosylgalactosylresiduen van verschillende soorten moleculen te hydrolyseren: polymeren, oligosacchariden en secundaire metabolieten, onder anderen.

Eerder bekend als "lactase", is de distributie ervan, evenals die van de β-galactosidated oligo- en polysacchariden die als substraat dienen, extreem breed. Het wordt aangetroffen in bacteriën, schimmels en gisten; bij planten komt het veel voor in amandelen, perziken, abrikozen en appels, en bij dieren is het aanwezig in organen zoals de maag en darmen.

Grafische weergave van de structuur van het B-galactosidase-enzym (Bron: Jawahar Swaminathan en MSD-personeel van het European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Het meest bestudeerde enzym is dat van het Lac-operon van E. coli, gecodeerd door het lacZ-gen, waarvan de onderzoeken de sleutel zijn geweest tot het begrijpen van de werking van genetische operons en veel regulerende aspecten ervan.

Het behoort momenteel tot de groep van de best bestudeerde enzymen en de bekendste functie is die van hydrolyse van de glycosidebindingen van lactose. Het vervult essentiële metabolische functies in de organismen die het tot expressie brengen en wordt ook gebruikt voor verschillende industriële doeleinden.

Industriële toepassingen zijn onder meer de verwijdering van lactose uit zuivelproducten voor mensen met lactose-intolerantie en de productie van verschillende galactosidaatverbindingen. Ze worden ook gebruikt om de zoetheid, smaak en vertering van veel zuivelproducten te verbeteren.

kenmerken

Naast galactosidated substraten zoals lactose, vereisen de meeste bekende β-galactosidases tweewaardige metaalionen zoals magnesium en natrium. Dit is bewezen met de ontdekking van bindingsplaatsen voor deze metalen in hun structuur.

De β-galactosidasen die in de natuur aanwezig zijn, hebben een breed scala aan pH-bereiken waarop ze kunnen werken. Schimmelenzymen werken in zure omgevingen (2,5 tot 5,4), terwijl gist- en bacteriële enzymen werken tussen 6 en 7 pH-eenheden.

Bacteriële β-galactosidasen

Bacteriën hebben grote galacto-hydrolytische enzymen in vergelijking met andere geanalyseerde galactosidasen. In deze organismen katalyseert hetzelfde enzym drie soorten enzymatische reacties:

- Hydrolyseert lactose tot zijn constitutieve monosacchariden: galactose en glucose.

- Het katalyseert de transgalactosylering van lactose tot allolactose, een disaccharidesuiker die deelneemt aan de positieve regulering van de expressie van de genen die behoren tot het Lac operon, eç.

- Hydrolyseert allolactose op dezelfde manier als lactose.

Schimmel-β-galactosidasen

Schimmels bezitten β-galactosidase-enzymen die gevoeliger zijn voor remming door galactose dan enzymen die tot andere organismen behoren. Ze zijn echter thermostabiel en werken in zure pH-bereiken.

Het metabolisme van lactose dat door deze enzymen in schimmels wordt gemedieerd, is onderverdeeld in extracellulair en cytosolisch, aangezien deze organismen β-galactosidase kunnen gebruiken om lactose extracellulair te hydrolyseren en de producten in de cellen kunnen introduceren, of ze kunnen de disaccharide direct opnemen en intern verwerken.

Structuur

Het bacteriële β-galactosidase-enzym is een tetrameer enzym (van vier identieke subeenheden, AD) en elk van zijn monomeren heeft meer dan 1.000 aminozuurresiduen, wat een molecuulgewicht betekent van meer dan 100 kDa voor elk en meer dan 400 kDa voor het gecomplexeerde eiwit.

In planten daarentegen is het enzym aanzienlijk kleiner in omvang en kan het gewoonlijk worden aangetroffen als een dimeer van identieke subeenheden.

De domeinen van elk monomeer worden onderscheiden door de nummers 1 tot 5. Domein 3 heeft een α / β "TIM" -cilinderstructuur en heeft de actieve plaats aan het C-terminale uiteinde van de cilinder.

Aangenomen wordt dat de actieve plaatsen van het enzymcomplex worden gedeeld door monomeren, dus dit enzym is alleen biologisch actief als het is gecomplexeerd als een tetrameer.

De actieve site heeft het vermogen om te binden aan D-glucose en D-galactose, de twee monosacchariden waaruit lactose bestaat. Het is met name specifiek voor D-galactose, maar het is niet zo specifiek voor glucose, dus het enzym kan inwerken op andere galactosiden.

Kenmerken

Bij dieren

In de menselijke darm heeft de belangrijkste functie van dit enzym te maken met de opname van lactose die met voedsel wordt ingenomen, aangezien het zich aan de luminale zijde van het plasmamembraan van de darmborstelvormige cellen bevindt.

Bovendien is aangetoond dat lysosomale isovormen van dit enzym deelnemen aan de afbraak van veel glycolipiden, mucopolysacchariden en galactosidated glycoproteïnen, die meerdere doelen dienen in verschillende cellulaire routes.

In planten

Planten bezitten β-galactosidase-enzymen in bladeren en zaden. Deze vervullen belangrijke functies bij het katabolisme van galactolipiden, die kenmerkend zijn voor algen en planten in het algemeen.

In deze organismen neemt β-galactosidase deel aan de processen van plantengroei, fruitrijping en, in hogere planten, is dit het enige bekende enzym dat galactosylresten uit de galacosideerde polysacchariden van de celwand kan hydrolyseren.

In de industrie en onderzoek

In de voedingsindustrie met betrekking tot zuivelproducten, wordt het enzym β-galactosidase gebruikt om de hydrolyse van lactose in zuivelproducten te katalyseren, wat verantwoordelijk is voor veel van de defecten die verband houden met de opslag van deze producten.

De hydrolyse van deze suiker tracht de sedimentatie van deeltjes, de kristallisatie van bevroren zuiveldesserts en de aanwezigheid van "zanderige" texturen in de meeste commerciële melkderivaten te vermijden.

De β-galactosidase die industrieel wordt gebruikt, wordt gewoonlijk verkregen uit de schimmel Aspergillus sp., Hoewel het enzym geproduceerd door de gist Kluyveromyces lactis ook veel wordt gebruikt.

De β-galactosidase-activiteit, die in wetenschappelijke termen wordt vertaald als "lactosefermentatie", wordt routinematig getest voor de identificatie van gram-negatieve Enterobacteriaceae die aanwezig zijn in verschillende soorten monsters.

Bovendien wordt het in medische termen gebruikt voor de productie van lactosevrije zuivelproducten en voor de formulering van tabletten die lactose-intolerante mensen gebruiken om melk en zijn derivaten te verteren (yoghurt, kaas, ijs, boter, crèmes, enz.) .

Het wordt gebruikt als "biosensor" of "biomarker" voor verschillende doeleinden, van immunoassays en toxicologische analyses tot analyse van genexpressie en diagnose van pathologieën dankzij de chemische immobilisatie van dit enzym op speciale dragers.

Referenties

1. Henrissat, B., en Daviest, G. (1997). Structurele en sequentie-gebaseerde classificatie van glycosidehydrolasen. Current Biology, 7, 637-644.
2. Huber, R. (2001). Beta (B) -galactosidase. Academic Press, 212-214.
3. Husain, Q. (2010). β Galactosidases en hun mogelijke toepassingen: een overzicht. Critical Reviews in Biotechnology, 30, 41-62.
4. Juers, DH, Matthews, BW en Huber, RE (2012). LacZ B-galactosidase: structuur en functie van een enzym van historisch en moleculair biologisch belang. Protein Science, 21, 1792-1807.
5. Lee, BY, Han, JA, Im, JS, Morrone, A., Johung, K., Goodwin, C.,… Hwang, ES (2006). Veroudering-geassocieerde β-galactosidase is lysosomale β-galactosidase. Aging Cell, 5, 187-195.
6. Matthews, BW (2005). De structuur van E. coli β-galactosidase. CR Biologies, 328, 549-556.
7. McCarter, JD en Withers, SG (1994). Mechanismen van enzymatische glycosidehydrolyse. Current Opinion in Structural Biology, 4, 885-892.
8. Richmond, M., Gray, J., & Stine, C. (1981). Beta-galactosidase: overzicht van recent onderzoek met betrekking tot technologische toepassing, voedingsproblemen en immobilisatie. J Dairy Sci, 64, 1759-1771.
9. Wallenfels, K., & Weil, R. (1972). B-galactosidase.