بيتا جالاكتوزيداز

إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز (EC 3.2.1.23، بيتا-جال أو بيتا-غال ؛ الاسم النظامي: بيتا- دي -جالاكتوزيد جالاكتوهيدرولاز ) هو إنزيم هيدرولاز جليكوسيدي يحفز تحلل بقايا بيتا -دي -جالاكتوز الطرفية غير المختزلة في بيتا- دي- جالاكتوزيدات. (يهضم هذا الإنزيم العديد من بيتا-جالاكتوزيدات، وليس اللاكتوز فقط. ويُشار إليه أحيانًا بشكل غير دقيق باسم اللاكتاز، ولكن هذا الاسم مخصص عمومًا للإنزيمات الهاضمة لدى الثدييات التي تحلل اللاكتوز تحديدًا).

تشمل بيتا-جالاكتوزيدات الكربوهيدرات التي تحتوي على الجالاكتوز حيث تقع الرابطة الجليكوسيدية فوق جزيء الجالاكتوز. وتشمل ركائز بيتا-جالاكتوزيداز المختلفة الجانجليوزيد GM1، واللاكتوسيل سيراميدات، واللاكتوز ، والعديد من البروتينات السكرية . ^{[ 1 ]}

إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز هو إنزيم خارجي يُحلل الرابطة الجليكوسيدية بيتا المتكونة بين الجالاكتوز وجزيئه العضوي. وقد يُحلل أيضًا الفوكوسيدات والأرابينوسيدات ، ولكن بمعدل أقل بكثير. وهو إنزيم أساسي في جسم الإنسان. ويمكن أن يؤدي نقص هذا البروتين إلى الإصابة بداء الجالاكتوسياليدوز أو متلازمة موركيو ب . في بكتيريا الإشريكية القولونية ، يُعد جين lacZ الجين البنيوي لإنزيم بيتا- جالاكتوزيداز ، وهو موجود كجزء من نظام أوبيرون اللاكتوز القابل للتحفيز ، والذي يُنشط بوجود اللاكتوز عندما يكون مستوى الجلوكوز منخفضًا. ويتوقف تخليق إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز عندما تكون مستويات الجلوكوز كافية. ^{[ 2 ]}

يوجد لإنزيم بيتا-جالاكتوزيداز العديد من النظائر المتشابهة في التسلسل. من بينها بيتا-جالاكتوزيداز المُطوَّر (EBG)، وبيتا-جلوكوزيداز ، و6-فوسفو-بيتا-جالاكتوزيداز، وبيتا-مانوزيداز، وهيدرولاز اللاكتيز-فلوريزين. على الرغم من تشابهها البنيوي، إلا أن لكل منها وظائف مختلفة. ^{[ 3 ]} يُثبَّط بيتا-جالاكتوزيداز بواسطة L- ريبوز ، وبواسطة مثبطات تنافسية مثل 2-فينيل إيثيل 1-ثيو-بيتا- D- جالاكتوبيرانوزيد (PETG)، و D- جالاكتونولاكتون، وإيزوبروبيل ثيو-بيتا- D- جالاكتوزيد (IPTG) ، والجالاكتوز. ^{[ 4 ]}

يُعدّ إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز ضروريًا للكائنات الحية، فهو مصدر رئيسي للطاقة والكربون من خلال تحليل اللاكتوز إلى جالاكتوز وجلوكوز. كما أنه مهم للأشخاص الذين يعانون من عدم تحمل اللاكتوز ، إذ يُستخدم في إنتاج الحليب الخالي من اللاكتوز ومنتجات الألبان الأخرى. يفتقر العديد من البالغين إلى إنزيم اللاكتاز ، الذي يؤدي نفس وظيفة بيتا-جالاكتوزيداز، مما يُعيق قدرتهم على هضم منتجات الألبان بشكل سليم. يُستخدم بيتا-جالاكتوز في منتجات الألبان مثل الزبادي والقشدة الحامضة وبعض أنواع الجبن، حيث يُعالج بهذا الإنزيم لتحليل اللاكتوز قبل استهلاكه. في السنوات الأخيرة، دُرِسَ إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز كعلاج محتمل لعدم تحمل اللاكتوز من خلال العلاج الجيني، حيث يُمكن إدخاله في الحمض النووي البشري ليتمكن الأفراد من تحليل اللاكتوز بأنفسهم. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

تم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية الـ 1023 لإنزيم بيتا-جالاكتوزيداز في بكتيريا الإشريكية القولونية عام 1983، ^{[ 7 ]} وتم تحديد بنيته بعد أحد عشر عامًا في عام 1994. يتكون البروتين من أربع وحدات متماثلة (هوموتاترامر) بوزن 464 كيلو دالتون ، ويتميز بتناظر ثنائي النقاط (2،2،2) . ^{[ 8 ]} تتكون كل وحدة من بيتا-جالاكتوزيداز من خمسة نطاقات ؛ النطاق الأول عبارة عن برميل بيتا من نوع "جيلي رول "، والنطاقان الثاني والرابع عبارة عن براميل شبيهة بالفيبرونيكتين من النوع الثالث ، والنطاق الخامس عبارة عن بنية بيتا ساندويتشية جديدة، بينما النطاق الثالث المركزي عبارة عن برميل مشوه من نوع TIM ، يفتقر إلى اللولب الخامس مع تشوه في الشريط السادس. ^{[ 8 ]}

يحتوي النطاق الثالث على الموقع النشط. ^{[ 9 ]} يتكون الموقع النشط من عناصر من وحدتين فرعيتين من الرباعي، ويؤدي تفكك الرباعي إلى ثنائيات إلى إزالة عناصر أساسية من الموقع النشط. يشارك التسلسل الأميني الطرفي لإنزيم بيتا-جالاكتوزيداز، وهو الببتيد ألفا المتورط في التكامل ألفا، في سطح التفاعل بين الوحدات الفرعية. تساعد بقايا الأحماض الأمينية من 22 إلى 31 على تثبيت حزمة من أربعة حلزونات تُشكل الجزء الأكبر من سطح التفاعل هذا، كما تُساهم البقايا 13 و15 أيضًا في سطح التفاعل المُنشط. تُقدم هذه الخصائص البنيوية تفسيرًا منطقيًا لظاهرة التكامل ألفا، حيث يؤدي حذف الجزء الأميني الطرفي إلى تكوين ثنائي غير نشط.

يستطيع إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز تحفيز ثلاثة تفاعلات مختلفة في الكائنات الحية. في أحدها، يخضع لعملية تُسمى نقل الجالاكتوزيل لإنتاج الألولاكتوز ، مما يُنشئ حلقة تغذية راجعة إيجابية لإنتاج بيتا-جالاكتوز. كما يمكن شطر الألولاكتوز لتكوين السكريات الأحادية. ويستطيع أيضًا تحلل اللاكتوز إلى جالاكتوز وجلوكوز ، اللذين يدخلان في عملية تحلل الجلوكوز . ^{[ 3 ]} يحفز الموقع النشط لإنزيم بيتا-جالاكتوزيداز تحلل ركيزته ثنائية السكاريد عبر ارتباط "سطحي" (موقع غير منتج) و"عميق" (موقع منتج). ترتبط الجالاكتوزيدات، مثل PETG وIPTG، بالموقع السطحي عندما يكون الإنزيم في هيئة "مفتوحة"، بينما ترتبط نظائر حالة الانتقال ، مثل L- ريبوز و D- جالاكتونولاكتون، بالموقع العميق عندما تكون الهيئة "مغلقة". ^{[ 4 ]}

يتكون التفاعل الإنزيمي من خطوتين كيميائيتين: الغلكزة وإزالة الغلكزة. الغلكزة هي الخطوة الكيميائية الأولى في التفاعل، حيث يتبرع الحمض الأميني غلوتامات 461 (Glu461) ببروتون إلى ذرة أكسجين في الرابطة الغليكوسيدية، مما يؤدي إلى ارتباط جزيء غالاكتوز برابطة تساهمية مع غلوتامات 537 (Glu537). في الخطوة الثانية، وهي إزالة الغلكزة، تنكسر الرابطة التساهمية عندما يستقبل غلوتامات 461 بروتونًا، ليحل الماء محل جزيء الغالاكتوز. تحدث حالتان انتقاليتان في الموقع العميق للإنزيم أثناء التفاعل، مرة بعد كل خطوة. عندما يشارك الماء في التفاعل، يتكون الغالاكتوز، وإلا، عندما يعمل D- غلوكوز كمستقبل في الخطوة الثانية، تحدث عملية نقل الغلكزة. ^{[ 4 ]} وقد تم قياس حركية أن رباعيات البروتين المفردة تحفز التفاعلات بمعدل 38500 ± 900 تفاعل في الدقيقة. ^{[ 10 ]} أيونات البوتاسيوم أحادية التكافؤ (K ⁺ ) وأيونات المغنيسيوم ثنائية التكافؤ (Mg2 ⁺ ) ضرورية لنشاط الإنزيم الأمثل. يتم كسر الرابطة بيتا للركيزة بواسطة مجموعة الكربوكسيل الطرفية على السلسلة الجانبية لحمض الجلوتاميك .

الصورة على اليسار عبارة عن رسم تخطيطي شريطي لإنزيم بيتا-جالاكتوزيداز يوضح موقع الأحماض الأمينية Glu 461 و Glu 537 و Gly 794. أما الصورة على اليمين فهي نسخة مكبرة توضح التفاعل بين الأحماض الأمينية.

في بكتيريا الإشريكية القولونية ، كان يُعتقد أن حمض الجلوتاميك-461 هو النيوكليوفيل في تفاعل الاستبدال . ^{[ 11 ]} ومع ذلك، من المعروف الآن أن حمض الجلوتاميك-461 هو عامل حفاز حمضي . في المقابل، يُعد حمض الجلوتاميك-537 هو النيوكليوفيل الفعلي، ^{[ 12 ]} حيث يرتبط بمركب غالاكتوزيل وسيط. في البشر ، يُعد حمض الجلوتاميك-268 هو النيوكليوفيل في تفاعل التحلل المائي . ^{[ 13 ]} يُعد حمض الجلايسين-794 مهمًا لنشاط بيتا-غالاكتوزيداز. فهو مسؤول عن وضع الإنزيم في هيئة "مغلقة" مرتبطة بالرابط، أو هيئة "مفتوحة"، ويعمل كمفصل لحلقة الموقع النشط. تضمن الهيئات المختلفة حدوث ارتباط تفضيلي فقط في الموقع النشط. في وجود ركيزة بطيئة، ازداد نشاط حمض الجلايسين-794، بالإضافة إلى زيادة في عملية الغلكزة وانخفاض في عملية إزالة الغلكزة. ^{[ 4 ]}

يُستخدم اختبار بيتا-جالاكتوزيداز بشكل متكرر في علم الوراثة ، وعلم الأحياء الجزيئي ، وعلوم الحياة الأخرى . ^{[ 14 ]} يمكن الكشف عن الإنزيم النشط باستخدام الركيزة الكروموجينية الاصطناعية 5-برومو-4-كلورو-3-إندوليل-بيتا- دي -جالاكتوبيرانوزيد، X-gal . يقوم بيتا-جالاكتوزيداز بكسر الرابطة الجليكوسيدية في X-gal ، مُكَوِّنًا الجالاكتوز و5-برومو-4-كلورو-3-هيدروكسي إندول، الذي يتحد ويتأكسد إلى 5،5'-ثنائي برومو-4،4'-ثنائي كلورو-إنديجو، وهو منتج أزرق داكن يسهل التعرف عليه وقياسه. ^{[ 15 ]} يُستخدم هذا الاختبار، على سبيل المثال، في تقنية الشاشة الزرقاء البيضاء . ^{[ 16 ]} يمكن تحفيز إنتاجه بواسطة نظير غير قابل للتحلل المائي من الألولاكتوز ، IPTG ، الذي يرتبط ويحرر مثبط اللاكتوز من مشغل اللاكتوز، مما يسمح ببدء عملية النسخ.

يُستخدم هذا الإنزيم بشكل شائع في البيولوجيا الجزيئية كعلامة مُبلِّغة لمراقبة التعبير الجيني. كما يُظهر ظاهرة تُسمى التكامل ألفا، والتي تُشكِّل أساس الفحص الأزرق/الأبيض للمستنسخات المُعاد تركيبها. يمكن تقسيم هذا الإنزيم إلى ببتيدين، LacZ α و LacZ Ω ، لا يكون أي منهما نشطًا بمفرده، ولكن عند وجودهما معًا، يتحدان تلقائيًا لتكوين إنزيم وظيفي. تُستغل هذه الخاصية في العديد من نواقل الاستنساخ ، حيث يُمكن لوجود جين lacZα في البلازميد أن يُكمِّل، بشكل غير مباشر ، جينًا طافرًا آخر يُشفِّر LacZΩ في سلالات مُحددة من بكتيريا الإشريكية القولونية . مع ذلك، عند إدخال شظايا الحمض النووي في الناقل، يتعطل إنتاج LacZα، وبالتالي لا تُظهر الخلايا أي نشاط لإنزيم بيتا-جالاكتوزيداز. يمكن الكشف عن وجود أو غياب إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز النشط باستخدام X-gal ، الذي يُنتج صبغة زرقاء مميزة عند انقسامه بواسطة بيتا-جالاكتوزيداز، مما يوفر وسيلة سهلة للتمييز بين وجود أو غياب المنتج المستنسخ في البلازميد. في دراسات حول عمليات الانتقال الكروموسومي في سرطان الدم، استخدم دوبسون وزملاؤه بروتينًا اندماجيًا من LacZ في الفئران، ^{[ 17 ]} مستغلين ميل بيتا-جالاكتوزيداز إلى تكوين قليل الوحدات، مما يشير إلى دور محتمل لتعدد الوحدات في وظيفة بروتين MLL الاندماجي. ^{[ 18 ]}

أظهرت دراسة حديثة أُجريت في الفترة 2020-2021 وجود ارتباط بين نشاط إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز وشيخوخة الخلايا . شيخوخة الخلايا هي عملية لا تنقسم فيها الخلايا، ولكنها لا تموت أيضًا. في الخلايا الهرمة، قد يزداد نشاط إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز بشكل مفرط، مما قد يؤدي إلى أمراض متنوعة تصيب العديد من أجهزة الجسم، بما في ذلك الجهاز القلبي الوعائي والجهاز الهيكلي، وغيرها. يمكن الكشف عن الخلايا الهرمة بقياس نشاط إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز في الليزوزومات. ^{[ 19 ]}

افترض الباحثون وجود نظير إنزيمي محدد من بيتا-جالاكتوزيداز يُعبَّر عنه حصريًا في الخلايا الهرمة، نظرًا لأن هذه الخلايا وحدها هي التي أظهرت نشاط بيتا-جالاكتوزيداز عند درجة حموضة 6.0 (بيتا-جالاكتوزيداز المرتبط بالشيخوخة أو بيتا-جالاكتوزيداز المرتبط بالشيخوخة ). ^{[ 20 ]} وقد طُوِّرت فحوصات كمية خاصة للكشف عنه. ^{[ 21 ] [ 15 ] [ 22 ]} ومع ذلك، من المعروف الآن أن هذه الظاهرة تحدث نتيجةً لفرط التعبير عن بيتا-جالاكتوزيداز الداخلي الليزوزومي وتراكمه، ^{[ 23 ]} وبالتالي فهو لا يُمثِّل نظيرًا إنزيميًا مميزًا من بيتا-جالاكتوزيداز، كما أنه ليس نمطًا ظاهريًا ضروريًا لتطور حالة الشيخوخة أو استمرارها. ومع ذلك، يبقى هذا النظير الإنزيمي المؤشر الحيوي الأكثر استخدامًا للخلايا الهرمة والمتقدمة في العمر، نظرًا لموثوقيته وسهولة الكشف عنه.

تمتلك بعض أنواع البكتيريا، بما في ذلك الإشريكية القولونية ، جينات إضافية لإنزيم بيتا-جالاكتوزيداز. وقد اكتُشف جين ثانٍ، يُسمى جين بيتا-جالاكتوزيداز المُطوَّر ( ebgA )، عند زراعة سلالات محذوفة منها جين lacZ (مع احتفاظها بجين ناقل الجالاكتوزيد، lacY ) على وسط يحتوي على اللاكتوز (أو غيره من 3-جالاكتوزيدات) كمصدر وحيد للكربون. بعد فترة، بدأت بعض المستعمرات بالنمو. مع ذلك، فإن بروتين EbgA لاكتاز غير فعال، ولا يسمح بالنمو على اللاكتوز. تعمل فئتان من الطفرات النقطية المفردة على تحسين نشاط إنزيم ebg بشكل كبير تجاه اللاكتوز. ^{[ 24 ] [ 25 ]} ونتيجة لذلك، يستطيع الإنزيم الطافر أن يحل محل بيتا-جالاكتوزيداز lacZ. ^{[ 26 ]} يتشابه كل من EbgA وLacZ بنسبة 50% على مستوى الحمض النووي، وبنسبة 33% على مستوى الأحماض الأمينية. ^{[ 27 ]} يتكون إنزيم ebg النشط من نواتج جيني ebgA وebgC بنسبة 1:1، ويكون الشكل النشط لإنزيمات ebg عبارة عن ثماني وحدات غير متجانسة من نوع α4β4 . ^{[ 28 ]}

معظم الأبحاث التي أُجريت على إنزيم بيتا-جالاكتوزيداز مستمدة من بكتيريا الإشريكية القولونية. مع ذلك، يوجد هذا الإنزيم في العديد من النباتات (وخاصة الفواكه)، والثدييات، والخميرة، والبكتيريا، والفطريات. ^{[ 29 ]} تختلف جينات بيتا-جالاكتوزيداز في طول تسلسلها المشفر وطول البروتينات المكونة من الأحماض الأمينية. ^{[ 30 ]} هذا يُصنف بيتا-جالاكتوزيداز إلى أربع عائلات: GHF-1، وGHF-2، وGHF-35، وGHF-42. ^{[ 31 ]} تنتمي الإشريكية القولونية إلى GHF-2، وجميع النباتات إلى GHF-35، وبكتيريا ثيرموس ثيرموفيلوس إلى GHF-42. ^{[ 31 ] [ 30 ]} يمكن أن تُعبر أنواع مختلفة من الفواكه عن جينات متعددة لبيتا-جالاكتوزيداز. يوجد ما لا يقل عن سبعة جينات لبيتا-جالاكتوزيداز تُعبر عنها ثمار الطماطم أثناء نموها، وتتراوح نسبة تشابه الأحماض الأمينية فيها بين 33% و79%. ^{[ 32 ]} وجدت دراسة استهدفت تحديد أسباب تليين ثمار الخوخ 17 تعبيرًا جينيًا مختلفًا لإنزيمات بيتا-جالاكتوزيداز. ^{[ 30 ]} البنية البلورية الوحيدة الأخرى المعروفة لإنزيم بيتا-جالاكتوزيداز هي تلك المستخلصة من بكتيريا ثيرموس ثيرموفيلوس . ^{[ 31 ]}

• بيتا-جالاكتوزيداز في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب