О происхождении лактозы
Apr. 4th, 2023 09:27 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
idelsonМолоко большинства млекопитающих содержит специальный сахар - лактозу. Помимо молока, лактоза в живой природе не встречается нигде [3]. Мало того, что биосинтез лактозы — это совершенно новое явление, не виданное никогда до появления млекопитающих, она еще и делается совершенно необычным способом.
В живой природе сахара, как правило, находятся внутри клеток. Примеров, когда клетки выделяют сахара во внеклеточное пространство, немного: нектар покрытосеменных растений и вот молоко. Для полноты картины можно еще добавить секрецию глюкозы в кровь, с тем чтобы глюкоза попадала из одних органов в другие.
Так вот, и при секреции нектара, и при секреции глюкозы в кровь сахара выходят из цитоплазмы при помощи активного транспорта: их выводят из клетки специальные транспортеры. В отличие от этого, лактоза секретируется из клеток через комплекс Гольджи - специальные внутриклеточные органеллы, отделенные от цитоплазмы мембраной. Лактоза и синтезируется внутри комплекса Гольджи. С чем это связано?
Белки, которые клетка секретирует, как правило, синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме и дальше секретируются через комплекс Гольджи. Там с ними происходит много всяких изменений. Среди прочего, многие из внеклеточных белков гликозилируются, т. е. к ним присоединяются сахара. Это сложный и многоступенчатый процесс. Для нас сейчас важно, что в самом конце этого процесса в комплексе Гольджи к уже готовой структуре из N-ацетилглюкозамина и маннозы присоединяется галактоза. Эту реакцию осуществляет фермент UDP-galactose-glycoprotein galactosyltransferase. Красивое название означает, что он берет активированную производную галактозы - УДФ-галактозу - и присоединяет галактозу к гликопротеину - белку, на котором уже сидят другие сахара.
Прошу прощения за эти подробности, для биохимика они очевидны, а для всех остальных представляют собой набор труднопроизносимых слов.
Галактозилтрансфераза есть практически в каждой клетке. Но клетки, специализирующиеся на производстве молока, производят, среди прочего, специальный белок α-лактальбумин. Так вот, когда α-лактальбумин присоединяется к галактозилтрансферазе, он слегка меняет специфичность фермента, и теперь он может присоединять галактозу не к белкам, а к глюкозе или к коротким олигосахаридам, начинающимся с глюкозы. А галактоза, соединенная с глюкозой - это и есть лактоза.
Иными словами, млекопитающие не сделали новый фермент: они взяли подручные средства - повсеместно существующий фермент, немного изменили его специфичность, и получился фермент, который делает лактозу.
α-лактальбумин тоже сделан из подручных средств. Он близкий родственник c-лизоцима, бактерицидного фермента, разрушающего полисахариды клеточной стенки бактерий. Если белки - близкие родственники, то есть возможность посмотреть по молекулярно-биологическим часам, как давно их пути разошлись. Мы бы ожидали, что α-лактальбумин появился примерно тогда, когда появились млекопитающие, т. е. примерно 160 млн лет назад. Но оказалось совершенно не так. Гены α-лактальбумина и c-лизоцима разошлись 310 млн лет назад, когда никаких млекопитающих и близко не было, и молока никто не производил.
Время появления α-лактальбумина примерно соответствует времени расхождения между синапсидами и завропсидами. Синапсиды — это млекопитающие и их вымершие предки, а завропсиды — это большинство пресмыкающихся и птицы. Они отличаются и устройством черепа, и многими другими признаками.
Различия в устройстве черепа синапсид, ранних завропсид и их общих предков.
Синапсиды. Ныне живущие из них - в нижнем ряду, ехидна и тигр.
Завропсиды.
Зачем мог понадобиться α-лактальбумин, когда молока еще не было? По мнению автора статьи [1], дело обстоит так. Всем сухопутным животным нужно заботиться о том, чтобы яйцо не высохло. Птицы, как известно, решают эту проблему тем, что покрывают яйцо водонепроницаемой кальцифицированной скорлупой, и тогда яйцо может хранить внутреннюю воду, пока зародыш развивается. У многих пресмыкающихся оболочка более мягкая и пропускает воду, они сохраняют яйца от высыхания тем, что прячут их во влажном и прохладном месте.
Схема происхождения молочных желез [1]
Но можно пойти и по другому пути: хранить яйца в какой-нибудь закрытой части тела и выделять слизь, чтобы поддерживать их влажными. Так ведут себя сухопутные амфибии, так же, например, ехидна держит яйцо в кармане, похожем на сумку сумчатых, и смачивает его специальной слизью. Такая слизь содержит лизоцим, которым животные защищают яйца от бактерий.
Яйцо ехидны в кармане на животе [4]
Позже, когда появляется детеныш, он сидит в том же кармане, который вместо слизи начинает выделять молоко. Молоко ехидны содержит α-лактальбумин, но не содержит лактозу. То есть α-лактальбумин есть, его функция, как и у млекопитающих, состоит в изменении специфичности галактозилтрансферазы, но продуктом такого изменения оказываются не лактоза, а более длинные олигосахариды. Кишечник детеныша не может их усваивать, но, судя по всему, они защищают его от бактерий и вирусов: вместо того, чтобы связываться с сахарами на поверхности клетки, бактерии и вирусы связываются со свободными олигосахаридами.
Таким образом, складывается такая картина: древние животные выделяли слизь с лизоцимом, чтобы смачивать яйцо и защищать его от бактерий. Затем они стали делать α-лактальбумин, чтобы менять специфичность галактозилтрансферазы, и выделяют в слизь олигосахариды, тоже с защитной функцией. Затем начинают производить молоко и кормить детеныша молоком, но пока еще молоко не содержит лактозы, а питание осуществляется за счет других веществ: белков и жиров. А затем оказывается, что с помощью α-лактальбумина можно синтезировать не только олигосахариды, но и питательное вещество - лактозу. Для этого нужно только, чтобы комплекс Гольджи содержал достаточно глюкозы.
Заметим напоследок, что не у всех млекопитающих молоко содержит лактозу. Я уже писал про однопроходных и сумчатых, но и среди плацентарных у многих представителей собакообразных нет или почти нет лактозы, а вместо нее есть олигосахариды, которые не усваиваются. Помимо защитной функции, они, говорят, еще играют роль пробиотиков.
Исключение - домашняя собака. Удивительным образом, у волков и лис в молоке почти нет лактозы, а у домашних собак - есть. Связано это, конечно, с тем, что диета собак гораздо богаче углеводами, чем диета волков и лис.
Аналогичным образом, у человекообразных обезьян в молоке только лактоза, а у людей - примерно пополам лактозы и олигосахаридов. Это тоже, вероятно, связано с особенностями диеты: люди - гораздо большие хищники, чем человекообразные обезьяны.
А у всех водоплавающих собакообразных: тюленей, котиков, моржей - вообще испорчен ген α-лактальбумина. Их молоко не содержит ни лактозы, ни олигосахаридов, зато очень богато жиром.
В живой природе сахара, как правило, находятся внутри клеток. Примеров, когда клетки выделяют сахара во внеклеточное пространство, немного: нектар покрытосеменных растений и вот молоко. Для полноты картины можно еще добавить секрецию глюкозы в кровь, с тем чтобы глюкоза попадала из одних органов в другие.
Так вот, и при секреции нектара, и при секреции глюкозы в кровь сахара выходят из цитоплазмы при помощи активного транспорта: их выводят из клетки специальные транспортеры. В отличие от этого, лактоза секретируется из клеток через комплекс Гольджи - специальные внутриклеточные органеллы, отделенные от цитоплазмы мембраной. Лактоза и синтезируется внутри комплекса Гольджи. С чем это связано?
Белки, которые клетка секретирует, как правило, синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме и дальше секретируются через комплекс Гольджи. Там с ними происходит много всяких изменений. Среди прочего, многие из внеклеточных белков гликозилируются, т. е. к ним присоединяются сахара. Это сложный и многоступенчатый процесс. Для нас сейчас важно, что в самом конце этого процесса в комплексе Гольджи к уже готовой структуре из N-ацетилглюкозамина и маннозы присоединяется галактоза. Эту реакцию осуществляет фермент UDP-galactose-glycoprotein galactosyltransferase. Красивое название означает, что он берет активированную производную галактозы - УДФ-галактозу - и присоединяет галактозу к гликопротеину - белку, на котором уже сидят другие сахара.
Прошу прощения за эти подробности, для биохимика они очевидны, а для всех остальных представляют собой набор труднопроизносимых слов.
Галактозилтрансфераза есть практически в каждой клетке. Но клетки, специализирующиеся на производстве молока, производят, среди прочего, специальный белок α-лактальбумин. Так вот, когда α-лактальбумин присоединяется к галактозилтрансферазе, он слегка меняет специфичность фермента, и теперь он может присоединять галактозу не к белкам, а к глюкозе или к коротким олигосахаридам, начинающимся с глюкозы. А галактоза, соединенная с глюкозой - это и есть лактоза.
Иными словами, млекопитающие не сделали новый фермент: они взяли подручные средства - повсеместно существующий фермент, немного изменили его специфичность, и получился фермент, который делает лактозу.
α-лактальбумин тоже сделан из подручных средств. Он близкий родственник c-лизоцима, бактерицидного фермента, разрушающего полисахариды клеточной стенки бактерий. Если белки - близкие родственники, то есть возможность посмотреть по молекулярно-биологическим часам, как давно их пути разошлись. Мы бы ожидали, что α-лактальбумин появился примерно тогда, когда появились млекопитающие, т. е. примерно 160 млн лет назад. Но оказалось совершенно не так. Гены α-лактальбумина и c-лизоцима разошлись 310 млн лет назад, когда никаких млекопитающих и близко не было, и молока никто не производил.
Время появления α-лактальбумина примерно соответствует времени расхождения между синапсидами и завропсидами. Синапсиды — это млекопитающие и их вымершие предки, а завропсиды — это большинство пресмыкающихся и птицы. Они отличаются и устройством черепа, и многими другими признаками.
Различия в устройстве черепа синапсид, ранних завропсид и их общих предков.
Синапсиды. Ныне живущие из них - в нижнем ряду, ехидна и тигр.
Завропсиды.
Зачем мог понадобиться α-лактальбумин, когда молока еще не было? По мнению автора статьи [1], дело обстоит так. Всем сухопутным животным нужно заботиться о том, чтобы яйцо не высохло. Птицы, как известно, решают эту проблему тем, что покрывают яйцо водонепроницаемой кальцифицированной скорлупой, и тогда яйцо может хранить внутреннюю воду, пока зародыш развивается. У многих пресмыкающихся оболочка более мягкая и пропускает воду, они сохраняют яйца от высыхания тем, что прячут их во влажном и прохладном месте.
Схема происхождения молочных желез [1]
Но можно пойти и по другому пути: хранить яйца в какой-нибудь закрытой части тела и выделять слизь, чтобы поддерживать их влажными. Так ведут себя сухопутные амфибии, так же, например, ехидна держит яйцо в кармане, похожем на сумку сумчатых, и смачивает его специальной слизью. Такая слизь содержит лизоцим, которым животные защищают яйца от бактерий.
Яйцо ехидны в кармане на животе [4]
Позже, когда появляется детеныш, он сидит в том же кармане, который вместо слизи начинает выделять молоко. Молоко ехидны содержит α-лактальбумин, но не содержит лактозу. То есть α-лактальбумин есть, его функция, как и у млекопитающих, состоит в изменении специфичности галактозилтрансферазы, но продуктом такого изменения оказываются не лактоза, а более длинные олигосахариды. Кишечник детеныша не может их усваивать, но, судя по всему, они защищают его от бактерий и вирусов: вместо того, чтобы связываться с сахарами на поверхности клетки, бактерии и вирусы связываются со свободными олигосахаридами.
Таким образом, складывается такая картина: древние животные выделяли слизь с лизоцимом, чтобы смачивать яйцо и защищать его от бактерий. Затем они стали делать α-лактальбумин, чтобы менять специфичность галактозилтрансферазы, и выделяют в слизь олигосахариды, тоже с защитной функцией. Затем начинают производить молоко и кормить детеныша молоком, но пока еще молоко не содержит лактозы, а питание осуществляется за счет других веществ: белков и жиров. А затем оказывается, что с помощью α-лактальбумина можно синтезировать не только олигосахариды, но и питательное вещество - лактозу. Для этого нужно только, чтобы комплекс Гольджи содержал достаточно глюкозы.
Заметим напоследок, что не у всех млекопитающих молоко содержит лактозу. Я уже писал про однопроходных и сумчатых, но и среди плацентарных у многих представителей собакообразных нет или почти нет лактозы, а вместо нее есть олигосахариды, которые не усваиваются. Помимо защитной функции, они, говорят, еще играют роль пробиотиков.
Исключение - домашняя собака. Удивительным образом, у волков и лис в молоке почти нет лактозы, а у домашних собак - есть. Связано это, конечно, с тем, что диета собак гораздо богаче углеводами, чем диета волков и лис.
Аналогичным образом, у человекообразных обезьян в молоке только лактоза, а у людей - примерно пополам лактозы и олигосахаридов. Это тоже, вероятно, связано с особенностями диеты: люди - гораздо большие хищники, чем человекообразные обезьяны.
А у всех водоплавающих собакообразных: тюленей, котиков, моржей - вообще испорчен ген α-лактальбумина. Их молоко не содержит ни лактозы, ни олигосахаридов, зато очень богато жиром.
- Oftedal O. T. (2020). The Evolution of Lactation in Mammalian Species. Nestle Nutrition Institute workshop series, 94, 1–10. https://doi.org/10.1159/000505577
- Oftedal O. T. (2012). The evolution of milk secretion and its ancient origins. Animal : an international journal of animal bioscience, 6(3), 355–368. https://doi.org/10.1017/S1751731111001935
- Toba T, et al. (1991) Is lactose really present in plants? J. Sci Food Agriculture, 54:305-308 https://doi.org/10.1002/jsfa.2740540217
- Dutton-Regester, K., et al. (2021). Plasma progesterone secretion during gestation of the captive short-beaked echidna, Reproduction, 162, 267-275. https://doi.org/10.1530/REP-21-0110
