stringtranslate.com

Протеаза

Ленточная диаграмма протеазы ( TEV-протеазы ) в комплексе с ее пептидным субстратом (черный цвет) и каталитическими остатками (красный цвет). ( PDB : 1LVB ​)

Протеаза (также называемая пептидазой , протеиназой или протеолитическим ферментом ) [1] — это фермент , который катализирует протеолиз , расщепляя белки на более мелкие полипептиды или отдельные аминокислоты и стимулируя образование новых белковых продуктов. [2] Они делают это, расщепляя пептидные связи внутри белков путем гидролиза , реакции, в которой вода разрывает связи . Протеазы участвуют в многочисленных биологических путях, включая переваривание потребляемых белков, катаболизм белков (расщепление старых белков), [3] [4] и передачу сигналов в клетках .

При отсутствии функциональных ускорителей протеолиз был бы очень медленным и занял бы сотни лет . [5] Протеазы можно найти во всех формах жизни и вирусах . Они независимо эволюционировали несколько раз , и разные классы протеаз могут выполнять одну и ту же реакцию с помощью совершенно разных каталитических механизмов .

Классификация

На основе каталитического остатка

Протеазы можно разделить на семь основных групп: [6]

Протеазы были впервые сгруппированы в 84 семейства в соответствии с их эволюционными отношениями в 1993 году и классифицированы по четырем каталитическим типам: сериновые , цистеиновые , аспарагиновые и металлопротеазы . [7] Треониновые и глутаминовые протеазы не были описаны до 1995 и 2004 годов соответственно. Механизм, используемый для расщепления пептидной связи, включает создание аминокислотного остатка , который имеет цистеин и треонин (протеазы) или молекулу воды (аспарагиновая, глутаминовая и металлопротеазы) нуклеофильными, так что они могут атаковать карбонильную группу пептида. Один из способов создания нуклеофила — это каталитическая триада , где остаток гистидина используется для активации серина , цистеина или треонина в качестве нуклеофила. Однако это не эволюционная группировка, поскольку типы нуклеофилов эволюционировали конвергентно в различных суперсемействах , а некоторые суперсемейства демонстрируют дивергентную эволюцию к нескольким различным нуклеофилам. Металлопротеазы, аспарагиновая и глутаминовая протеазы используют остатки своего активного центра для активации молекулы воды, которая затем атакует разрывную связь. [8]

Пептидные лиазы

Седьмой каталитический тип протеолитических ферментов, аспарагиновая пептидная лиаза , был описан в 2011 году. Его протеолитический механизм необычен, поскольку вместо гидролиза он выполняет реакцию элиминации . [9] Во время этой реакции каталитический аспарагин образует циклическую химическую структуру, которая расщепляет себя на остатки аспарагина в белках при правильных условиях. Учитывая его принципиально иной механизм, его включение в качестве пептидазы может быть спорным. [9]

На основе эволюционной филогении

Современная классификация эволюционных суперсемейств протеаз находится в базе данных MEROPS. [10] В этой базе данных протеазы классифицируются в первую очередь по «клану» ( суперсемейству ) на основе структуры, механизма и порядка каталитических остатков (например, клан PA , где P обозначает смесь семейств нуклеофилов). Внутри каждого «клана» протеазы классифицируются по семействам на основе сходства последовательностей (например, семейства S1 и C3 внутри клана PA). Каждое семейство может содержать многие сотни родственных протеаз (например , трипсин , эластаза , тромбин и стрептогризин внутри семейства S1).

В настоящее время известно более 50 кланов, каждый из которых указывает на независимое эволюционное происхождение протеолиза. [10]

На основе оптимального pH

Альтернативно протеазы можно классифицировать по оптимальному значению pH , при котором они активны:

Ферментативная функция и механизм

Сравнение двух гидролитических механизмов, используемых для протеолиза . Фермент показан черным цветом, субстратный белок красным, а вода синим. Верхняя панель показывает одноэтапный гидролиз , где фермент использует кислоту для поляризации воды, которая затем гидролизует субстрат. Нижняя панель показывает двухэтапный гидролиз, где остаток внутри фермента активируется, чтобы действовать как нуклеофил ( Nu) и атаковать субстрат. Это образует промежуточное соединение, где фермент ковалентно связан с N-концевой половиной субстрата. На втором этапе вода активируется для гидролиза этого промежуточного соединения и завершения катализа. Другие остатки фермента (не показаны) отдают и принимают водороды и электростатически стабилизируют накопление заряда вдоль механизма реакции.

Протеазы участвуют в переваривании длинных белковых цепей на более короткие фрагменты путем расщепления пептидных связей , которые соединяют аминокислотные остатки. Некоторые отсоединяют концевые аминокислоты от белковой цепи ( экзопептидазы , такие как аминопептидазы , карбоксипептидаза А ); другие атакуют внутренние пептидные связи белка ( эндопептидазы , такие как трипсин , химотрипсин , пепсин , папаин , эластаза ).

Катализ

Катализ достигается одним из двух механизмов:

Специфичность

Протеолиз может быть крайне беспорядочным, так что гидролизуется широкий спектр белковых субстратов. Это касается пищеварительных ферментов, таких как трипсин , которые должны быть способны расщеплять массив поглощенных белков на более мелкие пептидные фрагменты. Беспорядочные протеазы обычно связываются с одной аминокислотой на субстрате и поэтому имеют специфичность только для этого остатка. Например, трипсин специфичен для последовательностей ...K\... или ...R\... ('\'=сайт расщепления). [12]

Напротив, некоторые протеазы являются высокоспецифичными и расщепляют только субстраты с определенной последовательностью. Свертывание крови (например, тромбин ) и обработка вирусных полипротеинов (например, протеаза TEV ) требуют этого уровня специфичности для достижения точных событий расщепления. Это достигается за счет того, что протеазы имеют длинную связывающую щель или туннель с несколькими карманами, которые связываются с определенными остатками. Например, протеаза TEV специфична для последовательности ...ENLYFQ\S... ('\'=сайт расщепления). [13]

Деградация и автолиз

Протеазы, будучи сами по себе белками, расщепляются другими молекулами протеаз, иногда того же сорта. Это действует как метод регуляции активности протеаз. Некоторые протеазы менее активны после автолиза (например, протеаза TEV ), тогда как другие более активны (например, трипсиноген ).

Биоразнообразие протеаз

Протеазы встречаются во всех организмах, от прокариот до эукариот и вирусов . Эти ферменты участвуют во множестве физиологических реакций от простого переваривания пищевых белков до высокорегулируемых каскадов (например, каскад свертывания крови , система комплемента , пути апоптоза и каскад активации профенолоксидазы беспозвоночных). Протеазы могут либо разрывать определенные пептидные связи ( ограниченный протеолиз ), в зависимости от аминокислотной последовательности белка, либо полностью расщеплять пептид до аминокислот ( неограниченный протеолиз ). Активность может быть деструктивным изменением (отмена функции белка или переваривание его до основных компонентов), это может быть активация функции или это может быть сигнал в сигнальном пути.

Растения

Геномы растений кодируют сотни протеаз, в основном с неизвестной функцией. Те, у которых известна функция, в основном участвуют в регуляции развития . [14] Растительные протеазы также играют роль в регуляции фотосинтеза . [15]

Животные

Протеазы используются во всем организме для различных метаболических процессов. Кислые протеазы, секретируемые в желудке (например, пепсин ), и сериновые протеазы, присутствующие в двенадцатиперстной кишке ( трипсин и химотрипсин ), позволяют нам переваривать белок в пище. Протеазы, присутствующие в сыворотке крови ( тромбин , плазмин , фактор Хагемана и т. д.), играют важную роль в свертывании крови, а также в лизисе сгустков и правильном действии иммунной системы. Другие протеазы присутствуют в лейкоцитах ( эластаза , катепсин G ) и играют несколько различных ролей в регуляции метаболизма. Некоторые змеиные яды также являются протеазами, например, гемотоксин ямкоголовой змеи , и вмешиваются в каскад свертывания крови жертвы. Протеазы определяют продолжительность жизни других белков, играющих важные физиологические роли, такие как гормоны, антитела или другие ферменты. Это один из самых быстро «включающихся» и «выключающихся» регуляторных механизмов в физиологии организма.

Благодаря сложному кооперативному действию протеазы могут катализировать каскадные реакции, которые приводят к быстрому и эффективному усилению реакции организма на физиологический сигнал.

Бактерии

Бактерии выделяют протеазы для гидролиза пептидных связей в белках и, следовательно, расщепления белков на составляющие их аминокислоты . Бактериальные и грибковые протеазы особенно важны для глобальных циклов углерода и азота в переработке белков, и такая активность, как правило, регулируется пищевыми сигналами в этих организмах. [16] Чистое влияние регуляции питания на активность протеаз среди тысяч видов, присутствующих в почве, можно наблюдать на уровне всего микробного сообщества, поскольку белки расщепляются в ответ на ограничение углерода, азота или серы. [17]

Бактерии содержат протеазы, отвечающие за общий контроль качества белков (например, протеасома ААА+ ) путем деградации несвернутых или неправильно свернутых белков .

Секретируемая бактериальная протеаза может также действовать как экзотоксин и быть примером фактора вирулентности в бактериальном патогенезе (например, эксфолиативный токсин ). Бактериальные экзотоксичные протеазы разрушают внеклеточные структуры.

Вирусы

Геномы некоторых вирусов кодируют один массивный полипротеин , которому нужна протеаза для расщепления его на функциональные единицы (например, вирус гепатита С и пикорнавирусы ). [18] Эти протеазы (например, протеаза TEV ) обладают высокой специфичностью и расщепляют только очень ограниченный набор последовательностей субстрата. Поэтому они являются общей целью для ингибиторов протеазы . [19] [20]

Археи

Археи используют протеазы для регуляции различных клеточных процессов, от клеточной сигнализации , метаболизма , секреции и контроля качества белка. [21] [22] У архей обнаружены только две АТФ-зависимые протеазы: мембранно-ассоциированная протеаза LonB и растворимый комплекс протеосомы 20S . [21]

Использует

Область исследования протеазы огромна. С 2004 года ежегодно публикуется около 8000 статей, относящихся к этой области. [23] Протеазы используются в промышленности, медицине и в качестве основного инструмента биологических исследований. [24] [25]

Пищеварительные протеазы входят в состав многих моющих средств для стирки , а также широко используются в хлебопекарной промышленности в качестве улучшителя хлеба . Различные протеазы используются в медицине как для их собственной функции (например, контроль свертываемости крови), так и для полностью искусственных функций ( например, для целенаправленной деградации патогенных белков). Высокоспецифичные протеазы, такие как протеаза TEV и тромбин, обычно используются для расщепления белков слияния и аффинных меток контролируемым образом. Растительные растворы, содержащие протеазу, называемые вегетарианским сычужным ферментом, уже сотни лет используются в Европе и на Ближнем Востоке для приготовления кошерных и халяльных сыров . Вегетарианский сычужный фермент из Withania coagulans уже тысячи лет используется в качестве аюрведического средства для пищеварения и диабета на индийском субконтиненте. Он также используется для приготовления панира .

Ингибиторы

Активность протеаз подавляется ингибиторами протеаз . [26] Одним из примеров ингибиторов протеаз является суперсемейство серпинов . Оно включает альфа-1-антитрипсин (который защищает организм от чрезмерного воздействия его собственных воспалительных протеаз), альфа-1-антихимотрипсин (который делает то же самое), С1-ингибитор (который защищает организм от чрезмерной активации собственной системы комплемента , вызванной протеазой ), антитромбин (который защищает организм от чрезмерной коагуляции ), ингибитор активатора плазминогена-1 (который защищает организм от недостаточной коагуляции, блокируя фибринолиз , вызванный протеазой ) и нейросерпин . [27]

Естественные ингибиторы протеазы включают семейство белков липокалина , которые играют роль в регуляции и дифференциации клеток. Было обнаружено, что липофильные лиганды, прикрепленные к белкам липокалина, обладают свойствами ингибирования опухолевой протеазы. Естественные ингибиторы протеазы не следует путать с ингибиторами протеазы, используемыми в антиретровирусной терапии. Некоторые вирусы , в том числе ВИЧ/СПИД , зависят от протеаз в своем репродуктивном цикле. Таким образом, ингибиторы протеазы разрабатываются как противовирусные терапевтические средства.

Другие природные ингибиторы протеазы используются в качестве защитных механизмов. Обычными примерами являются ингибиторы трипсина, обнаруженные в семенах некоторых растений, наиболее заметными для людей являются соевые бобы, основная продовольственная культура, где они действуют, отпугивая хищников. Сырые соевые бобы токсичны для многих животных, включая людей, пока содержащиеся в них ингибиторы протеазы не денатурируются.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Протеолитические ферменты | Описание, типы и функции | Britannica».
  2. ^ López-Otín C, Bond JS (ноябрь 2008 г.). «Протеазы: многофункциональные ферменты в жизни и болезнях». Журнал биологической химии . 283 (45): 30433–30437. doi : 10.1074/jbc.R800035200 . PMC 2576539. PMID  18650443 . 
  3. ^ ab King JV, Liang WG, Scherpelz KP, Schilling AB, Meredith SC, Tang WJ (июль 2014 г.). «Молекулярная основа распознавания и деградации субстрата человеческой пресеквенционной протеазой». Структура . 22 (7): 996–1007. doi :10.1016/j.str.2014.05.003. PMC 4128088. PMID 24931469  . 
  4. ^ ab Shen Y, Joachimiak A, Rosner MR, Tang WJ (октябрь 2006 г.). «Структуры человеческого инсулин-деградирующего фермента раскрывают новый механизм распознавания субстрата». Nature . 443 (7113): 870–874. Bibcode :2006Natur.443..870S. doi :10.1038/nature05143. PMC 3366509 . PMID  17051221. 
  5. ^ Radzicka A, Wolfenden R (июль 1996 г.). "Скорости некатализируемого гидролиза пептидных связей в нейтральном растворе и сродство протеаз к переходному состоянию". Журнал Американского химического общества . 118 (26): 6105–6109. doi :10.1021/ja954077c. Для оценки относительной эффективности ферментов, катализирующих гидролиз внутренних и С-концевых пептидных связей [...]
  6. ^ Ода К (январь 2012). «Новые семейства карбоксильных пептидаз: серин-карбоксильные пептидазы и глутаминовые пептидазы». Журнал биохимии . 151 (1): 13–25. doi : 10.1093/jb/mvr129 . PMID  22016395.
  7. ^ Rawlings ND, Barrett AJ (февраль 1993). «Эволюционные семейства пептидаз». The Biochemical Journal . 290 (Pt 1): 205–218. doi :10.1042/bj2900205. PMC 1132403. PMID  8439290 . 
  8. ^ Санман, Лора Э. (июнь 2014 г.). «Профилирование протеаз на основе активности». Annual Review of Biochemistry . 83 : 249–273. doi :10.1146/annurev-biochem-060713-035352. PMID  24905783.
  9. ^ ab Rawlings ND, Barrett AJ, Bateman A (ноябрь 2011 г.). «Аспарагиновые пептидные лиазы: седьмой каталитический тип протеолитических ферментов». Журнал биологической химии . 286 (44): 38321–38328. doi : 10.1074/jbc.M111.260026 . PMC 3207474. PMID  21832066 . 
  10. ^ ab Rawlings ND, Barrett AJ, Bateman A (январь 2010 г.). "MEROPS: база данных пептидаз". Nucleic Acids Research . 38 (выпуск базы данных): D227–D233. doi : 10.1093/nar/gkp971. PMC 2808883. PMID  19892822. 
  11. ^ Митчелл RS, Кумар V, Аббас AK, Фаусто N (2007). Robbins Basic Pathology (8-е изд.). Филадельфия: Saunders. стр. 122. ISBN 978-1-4160-2973-1.
  12. ^ Rodriguez J, Gupta N, Smith RD, Pevzner PA (январь 2008 г.). «Разрезает ли трипсин до пролина?». Journal of Proteome Research . 7 (1): 300–305. doi :10.1021/pr0705035. PMID  18067249.
  13. ^ Renicke C, Spadaccini R, Taxis C (2013-06-24). "Протеаза вируса гравировки табака с повышенной толерантностью к субстрату в позиции P1'". PLOS ONE . ​​8 (6): e67915. Bibcode :2013PLoSO...867915R. doi : 10.1371/journal.pone.0067915 . PMC 3691164 . PMID  23826349. 
  14. ^ van der Hoorn RA (2008). «Растительные протеазы: от фенотипов до молекулярных механизмов». Annual Review of Plant Biology . 59 : 191–223. doi : 10.1146/annurev.arplant.59.032607.092835. hdl : 11858/00-001M-0000-0012-37C7-9 . PMID  18257708.
  15. ^ Zelisko A, Jackowski G (октябрь 2004 г.). «Деградация Lhcb3, зависящая от старения, опосредуется протеазой, связанной с тилакоидной мембраной». Journal of Plant Physiology . 161 (10): 1157–1170. doi :10.1016/j.jplph.2004.01.006. PMID  15535125.
  16. ^ Sims GK (2006). «Азотное голодание способствует биодеградации N-гетероциклических соединений в почве». Soil Biology & Biochemistry . 38 (8): 2478–2480. doi :10.1016/j.soilbio.2006.01.006. Архивировано из оригинала 28.04.2021 . Получено 29.12.2018 .
  17. ^ Sims GK, Wander MM (2002). «Протеолитическая активность при ограничении азота или серы». Appl. Soil Ecol . 568 (3): 1–5. Bibcode : 2002AppSE..19..217S. doi : 10.1016/S0929-1393(01)00192-5.
  18. ^ Tong L (декабрь 2002 г.). «Вирусные протеазы». Chemical Reviews . 102 (12): 4609–4626. doi :10.1021/cr010184f. PMID  12475203.
  19. ^ Скореньски М., Сенчик М. (2013). «Вирусные протеазы как цели для разработки лекарств». Current Pharmaceutical Design . 19 (6): 1126–1153. doi :10.2174/13816128130613. PMID  23016690.
  20. ^ Курт Йилмаз Н., Свонстром Р., Шиффер КА (июль 2016 г.). «Улучшение ингибиторов вирусной протеазы для борьбы с лекарственной устойчивостью». Тенденции в микробиологии . 24 (7): 547–557. doi :10.1016/j.tim.2016.03.010. PMC 4912444. PMID  27090931 . 
  21. ^ ab Giménez MI, Cerletti M, De Castro RE (2015). "Архейные мембранно-ассоциированные протеазы: взгляд на Haloferax volcanii и другие галоархеи". Frontiers in Microbiology . 6 : 39. doi : 10.3389/fmicb.2015.00039 . PMC 4343526. PMID  25774151 . 
  22. ^ Maupin-Furlow JA (декабрь 2018 г.). Robinson NP (ред.). «Протеолитические системы архей: нарезка, измельчение и измельчение в экстремальных условиях». Emerging Topics in Life Sciences . 2 (4): 561–580. doi :10.1042/ETLS20180025. PMC 7497159 . PMID  32953999. 
  23. ^ Barrett AJ, Rawlings ND, Woessnerd JF (2004). Справочник по протеолитическим ферментам (2-е изд.). Лондон, Великобритания: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0-12-079610-6.
  24. ^ Hooper NM, ред. (2002). Протеазы в биологии и медицине . Лондон: Portland Press. ISBN 978-1-85578-147-4.
  25. ^ Feijoo-Siota L, Villa TG (28 сентября 2010 г.). «Местные и биотехнологически разработанные растительные протеазы с промышленным применением». Food and Bioprocess Technology . 4 (6): 1066–1088. doi :10.1007/s11947-010-0431-4. S2CID  84748291.
  26. ^ Southan C (июль 2001 г.). «Геномная перспектива человеческих протеаз как мишеней для лекарств». Drug Discovery Today . 6 (13): 681–688. doi :10.1016/s1359-6446(01)01793-7. PMID  11427378.
  27. ^ Puente XS, López-Otín C (апрель 2004 г.). «Геномный анализ протеаз и ингибиторов протеаз крыс». Genome Research . 14 (4): 609–622. doi :10.1101/gr.1946304. PMC 383305. PMID  15060002 . 

Внешние ссылки

Найдите слово «протеаза» в Викисловаре, бесплатном словаре.
Библиотечные ресурсы о
протеазе
  • Ресурсы в вашей библиотеке
  • Ресурсы в других библиотеках