Пепсин / ˈ p ɛ p s ɪ n / — эндопептидаза , расщепляющая белки на более мелкие пептиды и аминокислоты. Его зимоген, пепсиноген , вырабатывается в главных клетках слизистой оболочки желудка. Это один из основных пищеварительных ферментов в пищеварительной системе человека и многих других животных, который помогает переваривать белки пищи . Пепсин представляет собой аспарагиновую протеазу , использующую каталитический аспартат в своем активном центре . [2]
Это одна из трех основных эндопептидаз (ферментов, разрезающих белки посередине) в пищеварительной системе человека, две другие — химотрипсин и трипсин . Существуют также экзопептидазы , удаляющие отдельные аминокислоты с обоих концов белков ( карбоксипептидазы, вырабатываемые поджелудочной железой, и аминопептидазы, секретируемые тонким кишечником). В процессе пищеварения эти ферменты, каждый из которых специализируется на разрыве связей между определенными типами аминокислот , совместно расщепляют пищевые белки на их компоненты, то есть пептиды и аминокислоты, которые могут легко всасываться в тонком кишечнике. . Специфичность расщепления пепсина широка, но некоторые аминокислоты, такие как тирозин , фенилаланин и триптофан , увеличивают вероятность расщепления. [3]
Профермент пепсина , пепсиноген , высвобождается главными клетками желудка в стенке желудка, и при смешивании с соляной кислотой желудочного сока пепсиноген активируется, превращаясь в пепсин. [2]
Пепсин был одним из первых ферментов, открытых Теодором Шванном в 1836 году. Шванн придумал свое название от греческого слова πέψις pepsis , что означает « переваривание » (от πέπτειν peptein «переваривать»). [4] [5] [6] [7] Было установлено, что кислым веществом, способным превращать азотсодержащие продукты в водорастворимый материал, является пепсин. [8]
В 1928 году он стал одним из первых ферментов, кристаллизованных, когда Джон Х. Нортроп кристаллизовал его с помощью диализа, фильтрации и охлаждения. [9]
Пепсин выражается в виде фермента , называемого пепсиногеном, первичная структура которого имеет дополнительные 44 аминокислоты по сравнению с активным ферментом.
В желудке главные клетки желудка выделяют пепсиноген. Этот зимоген активируется соляной кислотой (HCl), которая выделяется из париетальных клеток слизистой оболочки желудка. Гормон гастрин и блуждающий нерв вызывают высвобождение пепсиногена и HCl из слизистой оболочки желудка при приеме пищи. Соляная кислота создает кислую среду, которая позволяет пепсиногену разворачиваться и расщепляться автокаталитически , образуя тем самым пепсин (активную форму). Пепсин отщепляет 44 аминокислоты от пепсиногена, образуя больше пепсина.
Пепсиногены в основном сгруппированы в 5 различных групп в зависимости от их первичной структуры: пепсиноген A (также называемый пепсиногеном I), пепсиноген B, прогастриксин (также называемый пепсиногеном II и пепсиногеном C), прохимозин (также называемый прореннином) и пепсиноген F (также называемый пепсиногеном беременности). -ассоциированный гликопротеин). [10]
Пепсин наиболее активен в кислой среде с pH от 1,5 до 2,5. [11] [12] Соответственно, его основным местом синтеза и активности является желудок ( рН от 1,5 до 2). У человека концентрация пепсина в желудке достигает 0,5 – 1 мг/мл. [13] [14]
Пепсин неактивен при pH 6,5 и выше, однако пепсин не полностью денатурируется или необратимо инактивируется до pH 8,0. [11] [15] Таким образом, пепсин в растворах с pH до 8,0 может быть реактивирован при повторном подкислении. Стабильность пепсина при высоком pH имеет существенное значение для развития заболеваний, связанных с ларингофарингеальным рефлюксом . Пепсин остается в гортани после желудочного рефлюкса. [16] [17] При среднем pH гортаноглотки (pH = 6,8) пепсин будет неактивен, но может реактивироваться при последующих явлениях кислотного рефлюкса, что приводит к повреждению местных тканей.
Пепсин обладает широкой специфичностью расщепления. Пепсин переваривает до 20% поступивших в организм амидных связей. [18] Остатки в положениях P1 и P1' [19] наиболее важны для определения вероятности расщепления. Как правило, гидрофобные аминокислоты в положениях P1 и P1' увеличивают вероятность расщепления. Фенилаланин , лейцин и метионин в положении P1, а также фенилаланин , триптофан и тирозин в положении P1' приводят к наибольшей вероятности расщепления. [3] [18] : 675 Расщеплению препятствуют положительно заряженные аминокислоты гистидин , лизин и аргинин в положении P1. [3]
Пепсин является одной из основных причин повреждения слизистой оболочки при ларингофарингеальном рефлюксе . [20] [21] Пепсин остается в гортани (pH 6,8) после желудочного рефлюкса. [16] [17] Несмотря на то, что пепсин ферментативно неактивен в этой среде, он остается стабильным и может быть реактивирован при последующих явлениях кислотного рефлюкса. [15] Воздействие на слизистую гортани ферментативно активного пепсина, а не необратимо инактивированного пепсина или кислоты, приводит к снижению экспрессии защитных белков и тем самым увеличивает восприимчивость гортани к повреждению. [15] [16] [17]
Пепсин также может вызывать повреждение слизистой оболочки при слабокислом или некислотном желудочном рефлюксе. Слабый или некислотный рефлюкс коррелирует с симптомами рефлюкса и повреждением слизистой оболочки. [22] [23] [24] [25] В некислотных условиях (нейтральный pH) пепсин интернализуется клетками верхних дыхательных путей, таких как гортань и гортаринг, посредством процесса, известного как рецептор-опосредованный эндоцитоз . [26] Рецептор, с помощью которого происходит эндоцитоз пепсина, в настоящее время неизвестен. После клеточного поглощения пепсин сохраняется во внутриклеточных везикулах с низким pH, при котором его ферментативная активность восстанавливается. Пепсин сохраняется в клетке до 24 часов. [27] Такое воздействие пепсина при нейтральном pH и эндоцитоз пепсина вызывает изменения в экспрессии генов, связанные с воспалением, которое лежит в основе признаков и симптомов рефлюкса, [28] и прогрессирования опухоли. [29] Это и другие исследования [30] указывают на участие пепсина в канцерогенезе, связанном с желудочным рефлюксом.
Пепсин в образцах дыхательных путей считается чувствительным и специфичным маркером ларингофарингеального рефлюкса. [31] [32] Исследования по разработке новых терапевтических и диагностических средств, нацеленных на пепсин, для лечения желудочного рефлюкса продолжаются. Теперь доступен быстрый неинвазивный пепсиновый метод диагностики под названием «Пептест», который определяет наличие пепсина в образцах слюны. [33]
Пепсин может ингибироваться высоким pH (см. «Активность и стабильность») или соединениями-ингибиторами. Пепстатин представляет собой низкомолекулярное соединение и мощный ингибитор, специфичный для кислых протеаз, с константой ингибирующей диссоциации (Ki) около 10-10 М для пепсина. Считается, что статический остаток пепстатина отвечает за ингибирование пепстатином пепсина; статин является потенциальным аналогом переходного состояния для катализа пепсином и другими кислыми протеазами. Пепстатин не связывает ковалентно пепсин, поэтому ингибирование пепсина пепстатином обратимо. [34] 1-бис(диазоацетил)-2-фенилэтан обратимо инактивирует пепсин при pH 5, реакция, которая ускоряется в присутствии Cu(II). [35]
Свиной пепсин ингибируется ингибитором пепсина-3 (PI-3), вырабатываемым большим круглым червем свиньи ( Ascaris suum ). [36] PI-3 занимает активный сайт пепсина, используя его N-концевые остатки, и тем самым блокирует связывание субстрата . Аминокислотные остатки 1–3 (Gln-Phe-Leu) зрелого PI-3 связываются с положениями P1’–P3’ пепсина. N-конец PI-3 в комплексе PI-3:пепсин расположен за счет водородных связей , которые образуют восьмицепочечный β-лист , где три цепи принадлежат пепсину, а пять - PI-3. [36]
Продукт переваривания белка пепсином тормозит реакцию. [37] [38]
Сукральфат , препарат, используемый для лечения язв желудка и других состояний, связанных с пепсином, также ингибирует активность пепсина. [39]
Коммерческий пепсин добывают из железистого слоя желудков свиней. Это компонент сычужного фермента , используемый для свертывания молока при производстве сыра. Пепсин используется для различных применений в производстве продуктов питания: для модификации и придания взбиваемости соевому белку и желатину, [40] для модификации растительных белков для использования в немолочных закусках, для превращения предварительно приготовленных круп в горячие каши быстрого приготовления, [41] и для приготовления гидролизатов белков животного и растительного происхождения для использования в ароматизаторах пищевых продуктов и напитков. Он используется в кожевенной промышленности для удаления волос и остатков тканей со шкур, а также для восстановления серебра из выброшенных фотопленок путем переваривания слоя желатина, удерживающего серебро. [42] Пепсин исторически был добавкой к жевательной резинке марки Beeman's, созданной доктором Эдвином Э. Биманом.
Пепсин обычно используется при получении фрагментов F(ab')2 из антител. В некоторых анализах предпочтительно использовать только антигенсвязывающую (Fab) часть антитела . Для этих применений антитела могут быть ферментативно расщеплены с получением либо Fab, либо F(ab')2-фрагмента антитела. Для получения фрагмента F(ab')2 IgG расщепляется пепсином, который расщепляет тяжелые цепи вблизи шарнирной области. [43] Одна или несколько дисульфидных связей, которые соединяют тяжелые цепи в шарнирной области, сохраняются, поэтому две Fab-области антитела остаются соединенными вместе, образуя двухвалентную молекулу (содержащую два сайта связывания антитела), отсюда и обозначение F. (аб')2. Легкие цепи остаются неповрежденными и прикреплены к тяжелой цепи. Фрагмент Fc расщепляется на небольшие пептиды. Fab-фрагменты образуются путем расщепления IgG папаином вместо пепсина. Папаин расщепляет IgG выше шарнирной области, содержащей дисульфидные связи, соединяющие тяжелые цепи, но ниже места дисульфидной связи между легкой цепью и тяжелой цепью. При этом образуются два отдельных моновалентных (содержащих один сайт связывания антитела) Fab-фрагмента и интактный Fc-фрагмент. Фрагменты можно очистить гель-фильтрацией, ионообменной или аффинной хроматографией. [44]
Фрагменты антител Fab и F(ab')2 используются в аналитических системах, где присутствие области Fc может вызвать проблемы. В тканях, таких как лимфатические узлы или селезенка, или в препаратах периферической крови присутствуют клетки с рецепторами Fc (макрофаги, моноциты, В-лимфоциты и естественные клетки-киллеры), которые могут связывать область Fc интактных антител, вызывая фоновое окрашивание в областях, которые не содержат целевого антигена. Использование F(ab')2 или Fab-фрагментов гарантирует, что антитела связываются с антигеном, а не с рецепторами Fc. Эти фрагменты также могут быть желательны для окрашивания клеточных препаратов в присутствии плазмы, поскольку они не способны связывать комплемент, который мог бы лизировать клетки. F(ab')2 и в большей степени Fab-фрагменты позволяют более точно локализовать целевой антиген, т.е. при окрашивании ткани для электронной микроскопии. Двухвалентность фрагмента F(ab')2 позволяет ему сшивать антигены, что позволяет использовать его для анализов преципитации, клеточной агрегации посредством поверхностных антигенов или анализов розеток. [45]
Следующие три гена кодируют идентичные ферменты пепсиногена А человека:
Четвертый ген человека кодирует гастриксин, также известный как пепсиноген С: