Maltaas

Maltaas ehk alfaglükosidaas ehk α-glükosidaas (EC 3.2.1.20, ka glükoinvertaas, glükosidosukraas, maltaas-glükoamülaas, α-D-glükosidaas, α-glükosiid hüdrolaas, α-1,4-glükohüdrolaas, α-glükopüranosidaas, glükosidoinvertaas, α-D-glükosiid glükohüdrolaas) on ensüüm, mis lõhustab oligosahhariidis glükosiidsidet, mille tagajärjel vabaneb glükoos. Maltaas on laialdaselt levinud nii taimedes, loomades kui ka bakterites, kuid ensüümi substraadivalik on erinevates organismides väga erinev. Mikroorganismide α-glükosidaasid osalevad toitainete omastamisel ning valkude posttranslatsioonilisel modifikatsioonil. Ensüüm võib olla nii rakusisene, rakuväline kui ka membraaniseoseline. Maltaas katalüüsib oligosahhariidides 1,4-α-glükosiidsideme hüdrolüüsi, reaktsiooni tagajärjel vabaneb α-D-glükoos. α-glükosidaasid vabastavad α-D-glükoosi substraadi mitteredutseerivast otsast. Ensüüm katalüüsib sideme katkemist glükosüüljäägi anomeerse süsiniku ja glükosiidse hapniku vahelt. Glükosüüli jääk asendatakse näiteks veemolekulist pärineva prootoniga. Maltaaside substraadiks on oligosahhariidid, aga ka sünteetilised α-glükosiidid ja polümeersed α-glükaanid, nagu näiteks lahustuv tärklis ja glükogeen. Erinevatest organismidest pärit maltaasid on erineva substraadivalikuga. Bakterite ja seente α-glükosidaasid lagundavad reeglina maltoosi paremini kui sahharoosi. Erandiks on bakteri Bacillus amyloliquefaciensi ning pärmide maltaasid, mis lagundavad sahharoosi väga hästi. Inimese peensoole maltaas saab hüdrolüüsida polüsahhariide ning 1,6-α-glükosiidsidemega suhkruid. Maltaaside evolutsiooni on uuritud pärmidel kui head valkude evolutsiooni mudelit. Maltaaside geenid on pärmidel korduvalt duplitseerunud ning geenides toimunud muutuste tagajärgi saab lihtsalt hinnata mõõtes maltaaside omadusi, näiteks substraadivalikut. Paljude pärmide genoomid on tänaseks sekveneeritud ning väga paljud neist sisaldavad maltaasi geeni või geene. Lisaks on kindlaks tehtud ühe isomaltaasi – pagaripärmi Saccharomyces cerevisiae Ima1 valgu – kristallstruktuur, mis võimaldas ennustada substraadivalikut mõjutavate aminohapete asukohta ning samuti oletada, kuidas mutatsioonid substraadivalikut muudavad. Pärmi S. cerevisiae genoomis on seitse MALS geeni, mis kodeerivad maltaase ja isomaltaase. Neil ensüümidel on erinev substraadivalik. S. cerevisiae maltaasid kasutavad substraadina maltoosi, maltuloosi, turanoosi ja maltotrioosi; isomaltaasid aga isomaltoosi, α-metüülglükosiidi ja palatinoosi. Sahharoosi kasutavad nii maltaasid kui ka isomaltaasid. On püstitatud hüpotees, et isomaltaaside ja maltaaside geenid pärinevad ühest eellasgeenist, mis kodeeris ebaspetsiifilist valku ancMALS, mis lagundas mõõduka aktiivsusega nii maltoosi- kui ka isomaltoosi-tüüpi suhkruid. Hüpoteesi kohaselt ei ole ühes ja samas valgus võimalik mõlemat tüüpi aktiivsusi maksimaalselt optimeerida. Ürgsest maltaasist ancMALS on evolutsiooni käigus moodustunud palju kitsama substraadivalikuga spetsialiseerunud ensüümid: maltaasid ja isomaltaasid. Selle kõige eelduseks on ancMALS geeni duplitseerimine ja edasine iseseisev evolutsioneerumine. On näidatud, et vaid mõni mutatsioon aktiivtsentris muudab maltaasi substraadivalikut. Mõne tänapäevase pärmi maltaas sarnaneb hüpoteetilise ürgmaltaasiga – see suudab lagundada nii maltoosi- kui ka isomaltoosi-tüüpi suhkruid. Sellise maltaasiga pärmid on Lodderomyces elongisporus ja Ogataea polymorpha. Need pärmid on evolutsiooniliselt "vanad" ehk evolutsioonis teistest pärmidest vara lahknenud. Pärmide ning maltaaside evolutsiooni on mõjutanud ka inimtegevus, nimelt õlle pruulimine. Õlut tehakse odrast ja teistest teraviljadest. Neis sisalduvast tärklisest moodustub terade idandamisel ja virde valmistamisel suurel hulgal maltoosi ja maltotrioosi. Pärmid lagundavad virdes sisalduva maltoosi maltaasiga glükoosiks ning etanoolkäärimise käigus tekib sellest etanool. Tänapäevased õlle pruulimisel kasutatavad pärmid on kodustatud organismid, nad pärinevad vaid paarist eellasest ning nende mitmed geenid, mis on seotud looduses ellujäämise ja sugulise paljunemisega, on sajandite jooksul genoomist kadunud. Samas on õllepärmidel evolutsiooni vältel tõhustunud maltotrioosi lagundamise võime. Vastukaaluks, veinipärmid on evolutsioonis kohanenud marjamahlas sisalduvate suhkrute kasutamiseks ja maltoosi kasutamiseks vajalikud geenid on nende genoomist elimineerunud. Inimesel paikneb maltaas sooles, kus see on kinnitunud enterotsüütide membraani külge. Soole maltaasi kutsutakse täpsemalt maltaas-glükoamülaasiks ning seda kodeerib geen MGAM. Maltaas-glükoamülaas osaleb tärklise ja glükogeeni seedimise viimases etapis. Pankrease toodetud α-amülaas lagundab polümeerid dekstriinideks, maltoosiks ja maltotrioosiks. Neid ei suuda amülaas lõpuni lagundada ja protsessi viib lõpuni maltaas. Inimese soole maltaas lagundab suurima aktiivsusega 5–9 glükoosi jäägist koosnevaid oligomeere. Maltaasi on juba peensoole algusosas, kuid selle kontsentratsioon kasvab piki peensoolt ning kõrgeim ensüümi kontsentratsioon on niudesoole tagaosas. Inimese geen GAA kodeerib samuti maltaasi, täpsemalt lüsosomaalset α-glükosidaasi. Mutatsioon geenis GAA põhjustab rasket haigust, mida nimetatakse Pompe haiguseks. Inimese lüsosomaalne α-glükosidaas lagundab lüsosoomides glükogeeni, hüdrolüüsides terminaalseid α-1,4- ja α-1,6-glükosiidsidemeid. Kui maltaasi ei toodeta piisavas koguses, hakkab lüsosoomidesse akumuleeruma glükogeen, mis takistab normaalset lihasrakkude arengut. Pompe haigus on pärilik autosomaalne retsessiivne haigus. Selle haiguse esinemissagedus on 1 : 40 000. Haiguse sümptomiteks on aja jooksul süvenev lihasnõrkus ning hingamisraskused. Tihti surevad selle haiguse põdejad imikueas. Võimalik ravimeetod on α-glükosidaaside inhibiitorite kasutamine, mis tõstavad muteerunud ensüümi stabiilsust või selle rakusisese transpordi edukust. Inhibiitorina on võimalik kasutada iminosuhkruid, näiteks ühendit DNJ (deoksünojirimütsiin). Maltaaside inhibiitoreid saab kasutada ka II tüüpi diabeediga patsientide haiguse leevendamiseks. Nende patsientide jaoks on veresuhkru taseme stabiilsus esmatähtis, selle säilitamise teeb aga raskeks söömise järgne hüperglükeemia (erakordselt suur vere glükoosisisaldus). See nähtus põhjustab diabeedihaigetel pöördumatuid tüsistusi, näiteks veresoonkonna kahjustusi. Kuna peensoole maltaas lagundab sahharoosi ja viib läbi tärklise seedimise lõppreaktsiooni, saab tema inhibeerimisega aeglustada süsivesikute lagundamist ning hoida ära järsu veresuhkru tõusu pärast söömist. See aitab edasi lükata tüsistuste teket. Praegu on maltaasi inhibiitorina juba kasutusel suukaudse ravimina akarboos. Üheks võimalikuks inhibiitoriks on ka flavonoidid, näiteks luteoniin. Seen Trichoderma viride toodab α-glükosidaasi, mis inaktiveerib Rhizoctonia solani toksiini. R. solani on riisitaime patogeen, mis kahjustab kasvavaid lehti. T. viride maltaasi geeni viimine riisitaime tõstaks taime resistentsust sellele patogeenile. α-glükosidaase saab kasutada oligosahhariidide tööstuslikuks sünteesiks. See on turvaline ja efektiivne viis oligosahhariidide sünteesiks. Näiteks arhe Sulfolobus tokodaii maltaas viib läbi ka transglükosülatsioonireaktsiooni. Tulemusena saab maltoosi konverteerida isomaltoosiks, panoosiks, maltotrioosiks või isomaltotrioosiks. Kuna arhe on termofiil, on tema ensüüm väga termostabiilne, mis on oluline tingimus, et oleks võimalik ensüümi kasutada tööstuslikul ainete sünteesil. α-glükosidaaside inhibiitorid on potentsiaalne viis võitluses viirushaiguste vastu. Selleks, et viiruste glükoproteiinid saaksid peremeesorganismi rakus õigesti pakitud, on vaja šaperone. Šaperonvalkude ühinemiseks glükoproteiiniga peavad α-glükosidaasid eemaldama valgu küljest terminaalse glükoosi, kuna need šaperonid ei seostu glükosüleeritud valkudega. Seega, kui maltaas on inhibeeritud, ei pakita viiruse valku õigesti kokku ning see ei ole funktsionaalne. α-glükosidaasi inhibitsioonile on tundlikud näiteks HI-viirus ja hepatiit B viirus, kuna nende viiruste kapsli valkude vale konformatsioon takistab viiruse elutsükli normaalset kulgu. See on võimalus paljude viirushaiguste vastu võitlemiseks. Chiba, S. (1997). Molecular Mechanism in α-Glucosidase and Glucoamylase, Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 61(8): 1233–1239. "BRENDA The Comprehensive Enzyme Information System". 16.10.2016. Information on EC 3.2.1.20 - alpha-glucosidase. William M. Fogarty, Catherine T. Kelly. 1990. Microbial Enzymes and Biotechnology. 2nd ed., p. 101–103. "ExPASy Bioinformatics Resource Portal". 16.10.2016. ENZYME entry: EC 3.2.1.20. Voordeckers, K., Brown, C.A., Vanneste, K., et al. (2012). Reconstruction of ancestral metabolic enzymes reveals molecular mechanisms underlying evolutionary innovation through gene duplication. PLoS Biol 10: e1001446. "MycoCosm The Fungal Genomics Resource". 16.10.2016. Yamamoto, K., Nakavama, A., Yamamoto, Y, Tabata, Y. (2004) Val216 decides the substrate specificity of α-glucosidase in Saccharomyces cerevisiae. The FEBS Journal. 271: 3414–3420. Viigand, K., Visnapuu, T., Mardo, K., Aasamets, A., Alamäe, T. (2016). Maltase protein of Ogataea (Hansenula) polymorpha is a counterpart to resurrected ancestor protein ancMALS of yeast maltases and isomaltases. Yeast, 33: 415–432. Gallone, B., et al. (2016) Domestication and Divergence of Saccharomyces cerevisiae Beer Yeasts. Cell 166: 1397–1410. Sim, L., Willemsma, C., Mohan, S., Naim, H.Y., Pinto, B.M., Rose, D.R. (2010). Structural Basis for Substrate Selectivity in Human Maltase-Glucoamylase and Sucrase-Isomaltase N-terminal Domains. . The Journal of Biological Chemistry. 285: 17763–17770. Sbrensen, S.H., Noren, O., Sjostrom, H., Danielsen, E.M. (1982). Amphiphilic Pig Intestinal Microvillus Maltase/ Glucoamylase. Structure and Specificity. Eur J Biochem 126: 559–568. "FDA Approves First Treatment for Pompe Disease". 16.10.2016. Yoshimizu, M., Tajima, Y., Matsuzawa, F., Aikawa, S., Iwamoto, K., Kobayashi, T., Edmunds, T., Fujishima, K, Tsuji, D., Itoh, K., Ikekita, M., Kawashima, I., Sugawara, K., Ohyanagi, N., Suzuki, T., Togawa, T., Ohno, K., Sakuraba, H. (2008). Binding parameters and thermodynamics of the interaction of imino sugars with a recombinant human acid α-glucosidase (alglucosidase alfa): Insight into the complex formation mechanism. Clinica Chimica Acta. 391: 68–73. Kim, J.S., Kwon, C.S., Son, K.H. (2000). Inhibition of Alpha-glukosidase and Amylase by Luteonin, a Flavonoid. Biosci. Biotechnol. Biochem. 64(11): 2458–2461. Bischoff, H. (1995). The mechanism of alpha-glucosidase inhibition in the management of diabetes. Clin Invest Med. 18(4): 303–11. Shanmugam, V., Sriram, S., Babu, S. Nandakumar, R., Raguchander,T., Balasubramanian, P., Samiyappan, R. (2001). Purification and characterization of an extracellular α-glucosidase protein from Trichoderma viride which degrades a phytotoxin associated with sheath blight disease in rice. Journal of Applied Microbiology. 90(3): 320–329. Park, J.E., Park, S.H., Woo, J.Y., Hwang, H.S., Cha, J., Lee, H. (2013). Enzymatic Properties of a Thermostable α-Glucosidase from Acidothermophilic Crenarchaeon Sulfolobus tokodaii Strain 7. J. Microbiol. Biotechnol. 23(1): 56–63. Mehta, A., Zitzmann, N., Rudd, P.M., Block, T.M., Dwek, R.A.. (1998) α-Glucosidase inhibitors as potential broad based anti-viral agents. FEBS Letters. 430: 17–22.