Биохимический механизм расщепления лактозы

Лактоза представляет собой сложный дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы. Молекулы соединены между собой гликозидной связью. Из-за крупного размера молекула дисахарида не способна пройти сквозь мембраны кишечных клеток и попасть напрямую в кровеносное русло.

Для всасывания требуется гидролиз. За эту реакцию отвечает мембранный фермент лактаза-флоризингидролаза. Он синтезируется энтероцитами и фиксируется на их апикальной мембране, образующей щеточную кайму тонкого кишечника. Фермент расщепляет связь между моносахаридами, после чего свободные глюкоза и галактоза быстро транспортируются белками-переносчиками в кровь.

Если лактазы вырабатывается недостаточно, молекулы дисахарида минуют тонкую кишку в неизменном виде и достигают толстого кишечника. Здесь запускаются сразу два патофизиологических процесса.

  • Нерасщепленный сахар резко повышает осмотическое давление внутри просвета кишки, притягивая воду из окружающих тканей и вызывая диарею
  • Бактерии толстого кишечника начинают активно сбраживать избыток углевода с образованием водорода, метана, углекислого газа и короткоцепочечных жирных кислот
  • Скопление газов растягивает стенки кишечника, провоцируя боли, вздутие и спазмы гладкой мускулатуры

Генетический переключатель и регуляция фермента

Сам фермент кодируется геном LCT, который расположен на длинном плече второй хромосомы человека. Структура этого гена одинакова практически у всех людей независимо от их толерантности к молоку. Различия кроются не в самом кодирующем участке, а в регуляторной зоне.

Участок контроля экспрессии находится примерно на четырнадцать тысяч пар нуклеотидов выше старта гена LCT. Он расположен внутри интронов соседнего гена MCM6. Этот регуляторный участок работает как молекулярный переключатель.

В детстве промотор гена LCT открыт, к нему свободно присоединяются факторы транскрипции, и синтез фермента идет на максимуме. С возрастом у большинства людей происходит постепенное эпигенетическое метилирование ДНК и модификация гистонов в промоторной зоне. Хроматин уплотняется, блокируя посадку ферментов транскрипции. Синтез матричной РНК лактазы падает до пяти или десяти процентов от уровня новорожденного.

Эволюционная норма против мутации толерантности

Снижение активности лактазы после прекращения грудного вскармливания свойственно всем диким млекопитающим. Синтез сложного белкового фермента требует постоянных энергозатрат. В дикой природе взрослые животные никогда не контактируют с материнским молоком, поэтому поддержание постоянной выработки лактазы эволюционно невыгодно.

Примерно девять или десять тысяч лет назад в популяциях Ближнего Востока и Европы зародилось молочное скотоводство. Люди получили доступ к новому источнику чистой жидкости, животного белка, жиров и кальция. В периоды засух и неурожаев способность пить молоко без риска смертельного обезвоживания от диареи давала колоссальное преимущество в выживании.

В популяциях скотоводов закрепились точечные однонуклеотидные мутации. В европейских популяциях возник полиморфизм C/T-13910. Замена цитозина на тимин создает новую точку связывания для белка-активатора Oct-1, препятствуя возрастному угасанию гена. В Африке и на Аравийском полуострове сформировались другие независимые мутации в том же регуляторном районе MCM6. Это яркий пример конвергентной эволюции под действием культурного фактора.

Разновидности лактазной недостаточности

В клинической практике разделяют несколько типов снижения активности фермента, исходя из причин их появления.

  • Первичная гиполактазия взрослого типа обусловлена генетически запрограммированным возрастным угасанием гена LCT при полностью сохранной слизистой оболочке кишки
  • Вторичная недостаточность возникает из-за физического повреждения энтероцитов при целиакии, болезни Крона, химиотерапии или острых вирусных энтеритах, но после восстановления эпителия синтез лактазы возвращается к норме
  • Врожденная алактазия представляет собой чрезвычайно редкую аутосомно-рецессивную мутацию самого гена LCT, при которой фермент отсутствует с момента рождения, что без специального вскармливания несовместимо с жизнью младенца
  • Транзиторная недостаточность встречается у недоношенных детей из-за функциональной незрелости кишечника на сроках беременности менее 34 недель

Частые вопросы

Почему кисломолочные продукты переносятся легче цельного молока?

В процессе сквашивания молочнокислые бактерии Lactobacillus и Streptococcus thermophilus самостоятельно расщепляют до половины всей лактозы на моносахариды. Кроме того, созревшие твердые сыры теряют почти всю лактозу вместе с отделяемой сывороткой.

Почему в Восточной Азии молоко почти никто не пьет?

В странах Юго-Восточной Азии и Китая исторически практически не развивалось пастбищное молочное скотоводство. Мутации персистенции лактазы там не имели адаптивной ценности и не закрепились отбором, поэтому до девяноста пяти процентов взрослого населения сохранили исконный дикий генотип с возрастным выключением фермента.

Можно ли натренировать выработку лактазы, если пить молоко понемногу?

Заставить собственный промотор гена LCT синтезировать больше молекул фермента невозможно. Регулярный прием небольших порций молока лишь адаптирует микробиоту толстого кишечника. Популяция полезных бактерий разрастается и утилизирует дисахарид с меньшим газообразованием, слегка сглаживая симптомы.

Как подтверждают наличие лактазной недостаточности в лаборатории?

Диагностика включает водородный дыхательный тест с нагрузкой лактозой, измерение кривой глюкозы в плазме крови и молекулярно-генетическое тестирование мутаций в гене MCM6.