Аминопептидазы — это ферменты , катализирующие отщепление аминокислот от N-конца (начала) белков или пептидов . Они встречаются во многих организмах; в клетке они встречаются во многих органеллах , в цитозоле (внутренней клеточной жидкости) и в качестве мембранных белков . Аминопептидазы используются в основных клеточных функциях и часто являются цинковыми металлоферментами , содержащими цинковый кофактор . [2]
Аминопептидазы встречаются как в водорастворимой, так и в мембраносвязанной форме и могут быть обнаружены как в различных клеточных компартментах , так и во внеклеточной среде (вне клеток). [3] Их широкая субстратная специфичность , их способность прочно связываться со своими мишенями, позволяет им удалять начальные N-концевые аминокислоты почти из всех незамещенных олигопептидов . [4] Например, аминопептидаза N (AP-N) особенно распространена в мембранах щеточной каймы почек, тонкого кишечника и плаценты, а также обнаружена в печени. [4] AP-N участвует в окончательном переваривании пептидов, образующихся в результате гидролиза (расщепления) белков желудочными и панкреатическими протеазами . [5]
Некоторые аминопептидазы являются мономерными , а другие встречаются в виде агрегатов субъединиц относительно высокой массы (50 кДа). Для нескольких аминопептидаз доступны последовательности кДНК , а также доступна кристаллическая структура открытого состояния аминопептидазы 1 эндоплазматического ретикулума человека. [1]
Открытие и характеристика аминопептидаз относятся к началу 20 века. Термин «аминопептидаза» был впервые введен в 1929 году Линдерстрём-Лангом и Сато для описания ферментов , которые отщепляют аминокислоты от N-конца пептидов. [6] [ требуется лучший источник ]
В 1950-х и 1960-х годах открытие лейцинаминопептидазы (LAP) и аминопептидазы N (APN) ознаменовало важные вехи в этой области. Было обнаружено, что LAP имеет решающее значение для переваривания белков, в то время как APN была признана за ее роль в регуляции пептид-опосредованных эффектов. [4] [7] Эти открытия сыграли решающую роль в понимании физиологических функций аминопептидаз и их участия в здоровье и болезнях. [ необходима цитата ]
Последующие десятилетия [ которые? ] были отмечены обширными исследованиями структуры, функции и механизмов действия различных аминопептидаз. Например, семейство аминопептидаз M1, которое включает чувствительную к пуромицину аминопептидазу (PSA), характеризовалось консервативными цинк-зависимыми сайтами и экзопептидазными мотивами. [7] [ необходим лучший источник ] Изучение PSA в различных модельных организмах выявило его существенные роли в росте и поведении. Мутации в ортологах PSA у разных видов были связаны с ошибками в мейозе и снижением жизнеспособности эмбрионов. [7] Аминопептидаза N, также известная как AP-N или CD13, была широко охарактеризована на предмет ее широкой субстратной специфичности (способности связываться со своими мишенями) и ее присутствия в различных тканях, таких как мембраны щеточной каймы почек, тонкого кишечника и плаценты. [4] Роль фермента в функционировании мозга и его идентификация как человеческого кластерного дифференцировочного антигена CD13 на поверхности миелоидных клеток еще больше подчеркнули его биологическое значение. [ необходима ссылка ]
Аминопептидазы — это разнообразная группа ферментов, которые играют важную роль в различных биологических процессах, включая переваривание белков , рост клеток и иммунный ответ . Они классифицируются на основе их субстратной специфичности (прочности связывания) и каталитического механизма (способа катализировать их реакцию) на две основные категории: металлоаминопептидазы и цистеиновые аминопептидазы. [ необходима цитата ] Металлоаминопептидазы используют ион металла для выполнения своей функции, а цистеиновые аминопептидазы используют определенную аминокислоту цистеина .
Структура аминопептидаз различается в зависимости от конкретного фермента, но они обычно состоят из каталитического домена , где происходит катализ, и дополнительных доменов, которые способствуют распознаванию цели и регуляции их функций. Например, аминопептидаза N (APN), металлопротеаза типа II, состоит из 967 аминокислот с коротким N-концевым цитоплазматическим доменом в цитоплазме, одной трансмембранной частью, проходящей через клеточную мембрану, и большим клеточным эктодоменом, торчащим из клетки, содержащим активный сайт. [8]
Металлоаминопептидазы требуют ионы металлов, таких как цинк или марганец , для функционирования. Эти ферменты можно идентифицировать по консервативному мотиву HEXXH в их активном центре . Этот мотив имеет решающее значение для функционирования фермента, так как аминокислоты гистидина в мотиве координируют (связывают) ион металла, который затем использует гидролиз для разрыва пептидной связи между первой аминокислотой и остальной частью белка. [9] Металлоаминопептидазы являются крупнейшим и наиболее однородным классом аминопептидаз; база данных MEROPS идентифицирует более 35 семейств, являющихся частью клана MA. Эта классификация, основанная на структурном сходстве и эволюционных связях, указывает на общее предковое происхождение этих ферментов. [9] Примерами металлоаминопептидаз являются аминопептидаза N (APN), лейцинаминопептидаза (LAP) и аминопептидаза A (APA). [8] [10]
С другой стороны, цистеиновые аминопептидазы полагаются на аминокислоту цистеина для выполнения катализа. Эти ферменты являются частью более широкой группы цистеиновых протеаз , все из которых разрезают белки, используя нуклеофильный тиол цистеина вместе с одной или двумя другими каталитическими аминокислотами в диаде или триаде. Триада обычно состоит из аминокислот цистеина , гистидина и аспартата , где цистеин действует как нуклеофил , гистидин действует как химическое основание , а аспартат стабилизирует гистидин. [11] Примерами цистеиновых аминопептидаз являются катепсин H и аминопептидаза B. [ 8]
В целом, аминопептидазы играют важную роль в метаболизме как белков, так и пептидов. Аминопептидазы в желудочно-кишечном тракте, такие как APN и APA, необходимы для переваривания пищевых белков. Они облегчают всасывание и использование аминокислот, отщепляя их от N-конца пептидов. [12] Эти ферменты также играют роль в метаболизме биоактивных пептидов, включая гормоны и факторы роста. Регулируя уровни этих пептидов, аминопептидазы способствуют гомеостазу и модуляции физиологических процессов. [12]
У бактерий аминопептидазы продуцируются как факультативно-анаэробными штаммами, которые могут дышать с кислородом или без него, так и облигатными штаммами, которые либо нуждаются в кислороде воздуха, либо погибают от него. [13] Их можно обнаружить во многих различных местах клетки, например, в цитоплазме , в мембранах , связанных с клеточной оболочкой , [ необходимо разъяснение ] или секретируемых во внеклеточную среду. [13] Эти ферменты участвуют в расщеплении поставляемых извне пептидов (очень коротких белков) и необходимы для конечных этапов оборота и замены белков . Они также участвуют в специфических функциях, таких как расщепление N-концевого (начального) метионина из вновь синтезированных пептидных цепей ( метионинаминопептидазы ), стабилизация многокопийных плазмид на основе ColE1 (например, аминопептидаза А ) и расщепление N-концевого пироглутамата (например, пироглутамиламинопептидаза . [13]
Грибы, особенно такие виды, как Aspergillus oryzae и Aspergillus sojae , производят аминопептидазы, которые применяются в пищевой промышленности в качестве агентов, снижающих горечь. [14] Эти ферменты также представляют интерес для их потенциального биотехнологического применения. Например, было обнаружено, что лейцинаминопептидаза (LAP) из видов Aspergillus является термостабильной и теоретически может использоваться для контроля степени гидролиза и развития вкуса в широком диапазоне веществ. [14]
У млекопитающих аминопептидазы вырабатываются в различных тканях и органах, таких как печень , почки и кишечник . Благодаря своей способности расщеплять белки и пептиды , они используются для помощи в переваривании белков, регуляции пептид-опосредованных эффектов и расщеплении биоактивных пептидов. [4] Аминопептидаза N (AP-N) особенно распространена в мембранах щеточной каймы почек, тонкого кишечника и плаценты, а также богата печенью. [4] Она обладает широкой субстратной специфичностью (способностью связываться со своими мишенями) и участвует в конечных стадиях переваривания пептидов, образующихся при расщеплении и гидролизе белков желудочными и панкреатическими протеазами . [4]
Аминопептидаза изучалась для использования в лечении гипертонии, воспаления и некоторых видов рака. Аминопептидаза A (APA) участвует в регуляции артериального давления путем преобразования ангиотензина II в ангиотензин III . Ингибиторы APA изучаются как потенциальные антигипертензивные средства, предлагая новый подход к лечению гипертонии. [12] Аминопептидаза N (APN) была связана с патогенезом воспалительных заболеваний, таких как ревматоидный артрит и воспалительное заболевание кишечника. Ингибиторы APN продемонстрировали противовоспалительное действие на животных моделях, что позиционирует их как потенциальные терапевтические средства для этих состояний. [12] Несколько аминопептидаз, включая APN, APA и лейцинаминопептидазу (LAP), сверхэкспрессируются при различных видах рака. Их участие в росте опухоли, инвазии и ангиогенезе делает их привлекательными мишенями для терапии рака. Ингибиторы аминопептидазы показали себя многообещающими в доклинических исследованиях как потенциальные противораковые средства. [12]
Активность и уровни экспрессии аминопептидаз были исследованы в качестве диагностических маркеров для таких заболеваний, как заболевания печени и рак. Изменения этих параметров могут указывать на патологические состояния, помогая в диагностике и мониторинге заболеваний. [12]
Аминопептидазы использовались при создании биосенсоров для обнаружения определенных аминокислот или пептидов. Эти биосенсоры генерируют измеряемый сигнал в присутствии целевого аналита, используя каталитическую активность аминопептидаз. [12]
В секвенировании белков аминопептидазы используются в методе деградации Эдмана . Этот метод включает последовательное удаление и идентификацию N-концевой аминокислоты белков, что облегчает выяснение их аминокислотной последовательности. [15]
В пищевой промышленности аминопептидазы из Aspergillus oryzae и Aspergillus sojae используются для удаления горечи из гидролизатов белков, включая те, которые используются в производстве соевого соуса и мисо. Эти ферменты помогают удалить горькие пептиды, улучшая вкус и вкусовые качества этих продуктов. [15] Аминопептидазы также играют важную роль в созревании сыра, участвуя в протеолизе молочных белков. Это ферментативное действие вносит значительный вклад в развитие вкуса и текстуры сыра, что делает аминопептидазы необходимыми в процессе изготовления сыра. [15]
Когда аминопептидазы используются в пищевой промышленности, крайне важно убедиться, что они являются пищевыми и безопасными для потребления. Например, аминопептидазы из A. oryzae и A. sojae были тщательно изучены и считаются безопасными для использования в пищевых продуктах. [16] Важно работать с этими ферментами в условиях, которые предотвращают загрязнение и деградацию, которые могут повлиять как на безопасность, так и на качество пищевых продуктов.
Аминопептидазы требуют особых условий хранения для поддержания своей стабильности и ферментативной активности. Например, человеческая аминопептидаза А стабильна в диапазоне pH 7,0-8,5 и может храниться при -20 °C в течение нескольких месяцев без значительной потери активности. Аналогично, галотолерантная внутриклеточная протеаза из штамма Bacillus subtilis FP-133, которая проявляет аминопептидазную активность, сохраняет полную активность после хранения в 7,5% (w/v) NaCl при 4 °C в течение 24 часов. [17] Эти примеры показывают, что аминопептидазы, как правило, требуют нейтральных условий pH и могут храниться при низких температурах, таких как -20 °C или -80 °C, в течение длительных периодов времени для сохранения своей активности.
