Свойства и применение ферментов, превращающих крахмал, семейства α-амилазы

Крахмал служит основным запасным продуктом многих сельскохозяйственных культур, имеющих важное экономическое значение, таких как пшеница, рис, кукуруза, маниок и картофель. В течение прошлого столетия сформировалась крупнотоннажная промышленность по переработке крахмала. В последние десятилетия произошёл переход от кислотного гидролиза крахмала к применению ферментов, превращающих крахмал, для производства мальтодекстрина, модифицированных крахмалов, а также глюкозных и фруктозных сиропов. В настоящее время на долю этих ферментов приходится около 30% мирового производства ферментов. Помимо гидролиза крахмала, ферменты, превращающие крахмал, применяют в ряде других промышленных процессов — например, в составе моющих средств для стирки и фарфора, а также в качестве средств против черствения хлеба. Многие из этих ферментов относятся к одному семейству — семейству α-амилазы, или гликозилгидролазам семейства 13. Для этой группы ферментов характерны общие признаки, включая структуру (β/α)8-бочонка, гидролиз или образование гликозидных связей в α-конфигурации, а также наличие ряда консервативных аминокислотных остатков в активном центре. В этом семействе выявлено до 21 варианта специфичности в отношении различных реакций и продуктов. К настоящему времени методом кристаллизации белков и рентгеновской кристаллографии определены 25 трёхмерных структур нескольких представителей семейства α-амилазы. Эти данные в сочетании с результатами сайт-направленного мутагенеза помогли лучше понять взаимодействие молекул субстрата или продукта с различными аминокислотами, расположенными в активном центре и вокруг него. В настоящем обзоре охарактеризованы разнообразие реакций и продуктов в семействе α-амилазы, механистические принципы, выведенные из исследований взаимосвязи структуры и функции, а также промышленное применение ферментов этого семейства.