Пепсин / ˈpɛp sɪn / — это эндопептидаза , которая расщепляет белки на более мелкие пептиды и аминокислоты . Это один из основных пищеварительных ферментов в пищеварительной системе человека и многих других животных, где он помогает переваривать белки в пище . Пепсин — это аспарагиновая протеаза , использующая каталитический аспартат в своем активном центре . [2]
Это одна из трех основных эндопептидаз (ферментов, разрезающих белки посередине) в пищеварительной системе человека , два других — химотрипсин и трипсин . Существуют также экзопептидазы , которые удаляют 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 , сотрудничают для расщепления пищевых белков на их компоненты, т. е. пептиды и аминокислоты, которые могут легко всасываться тонким кишечником . Специфичность расщепления пепсина широка, но некоторые аминокислоты, такие как тирозин , фенилаланин и триптофан, увеличивают вероятность расщепления. [3]
Зимоген (профермент) пепсина , пепсиноген, выделяется главными клетками желудка в стенке желудка и при смешивании с соляной кислотой желудочного сока активируется, превращаясь в пепсин. [2]
Пепсин был одним из первых ферментов, открытых Теодором Шванном в 1836 году. Шванн придумал его название от греческого слова πέψις pepsis , что означает « пищеварение » (от πέπτειν peptein «переваривать»). [4] [5] [6] [7] Было установлено, что кислое вещество, способное преобразовывать азотсодержащие продукты в водорастворимый материал, является пепсином. [8]
В 1928 году он стал одним из первых ферментов, который удалось кристаллизовать , когда Джон Х. Нортроп кристаллизовал его с помощью диализа, фильтрации и охлаждения. [9]
Пепсин экспрессируется в виде зимогена, называемого пепсиногеном , первичная структура которого содержит на 44 аминокислоты больше, чем у активного фермента.
В желудке главные клетки желудка выделяют пепсиноген. Этот зимоген активируется соляной кислотой (HCl), которая выделяется из париетальных клеток в слизистой оболочке желудка. Гормон гастрин и блуждающий нерв запускают выделение как пепсиногена, так и HCl из слизистой оболочки желудка при приеме пищи. Соляная кислота создает кислую среду, которая позволяет пепсиногену разворачиваться и расщепляться автокаталитическим образом , тем самым генерируя пепсин (активную форму). Пепсин расщепляет 44 аминокислоты из пепсиногена, чтобы создать больше пепсина.
Пепсиногены в основном группируются в 5 различных групп на основе их первичной структуры: пепсиноген А (также называемый пепсиногеном I), пепсиноген B, прогастриксин (также называемый пепсиногеном II и пепсиногеном C), прохимозин (также называемый прореннином) и пепсиноген F (также называемый гликопротеином, связанным с беременностью). [10]
Пепсин наиболее активен в кислой среде при pH от 1,5 до 2,5. [11] [12] Соответственно, его основным местом синтеза и активности является желудок ( pH 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 значительные последствия для заболеваний, связанных с ларингофарингеальным рефлюксом . Пепсин остается в гортани после желудочного рефлюкса. [16] [17] При среднем pH гортаноглотки (pH = 6,8) пепсин будет неактивным, но может быть реактивирован при последующих событиях кислотного рефлюкса, приводящих к повреждению местных тканей.
Пепсин проявляет широкую специфичность расщепления. Пепсин переваривает до 20% поглощенных амидных связей. [18] Остатки в позициях P1 и P1' [19] наиболее важны для определения вероятности расщепления. Как правило, гидрофобные аминокислоты в позициях P1 и P1' увеличивают вероятность расщепления. Фенилаланин , лейцин и метионин в позиции P1, а также фенилаланин , триптофан и тирозин в позиции P1' приводят к самой высокой вероятности расщепления. [3] [18] : 675 Расщеплению препятствуют положительно заряженные аминокислоты гистидин , лизин и аргинин в позиции P1. [3]
Пепсин является одной из основных причин повреждения слизистой оболочки во время ларингофарингеального рефлюкса . [20] [21] Пепсин остается в гортани (pH 6,8) после желудочного рефлюкса. [16] [17] Несмотря на то, что в этой среде пепсин ферментативно неактивен, он остается стабильным и может быть повторно активирован при последующих кислотных рефлюксах. [15] Воздействие ферментативно активного пепсина на слизистую оболочку гортани, но не необратимо инактивированного пепсина или кислоты, приводит к снижению экспрессии защитных белков и, таким образом, увеличивает восприимчивость гортани к повреждению. [15] [16] [17]
Пепсин также может вызывать повреждение слизистой оболочки при слабокислом или некислом желудочном рефлюксе. Слабый или некислый рефлюкс коррелирует с симптомами рефлюкса и повреждением слизистой оболочки. [22] [23] [24] [25] В некислых условиях (нейтральный pH) пепсин усваивается клетками верхних дыхательных путей, таких как гортань и гортаноглотка, посредством процесса, известного как рецепторно-опосредованный эндоцитоз . [26] Рецептор, с помощью которого пепсин эндоцитируется, в настоящее время неизвестен. После клеточного поглощения пепсин хранится во внутриклеточных пузырьках с низким pH, при котором его ферментативная активность восстанавливается. Пепсин сохраняется внутри клетки до 24 часов. [27] Такое воздействие пепсина при нейтральном pH и эндоцитоз пепсина вызывают изменения в экспрессии генов, связанных 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, приписываемом желудочному рефлюксу.
Пепсин в образцах дыхательных путей считается чувствительным и специфичным маркером ларингофарингеального рефлюкса. [31] [32] Исследования по разработке новых терапевтических и диагностических инструментов, нацеленных на пепсин, для желудочного рефлюкса продолжаются. В настоящее время доступна быстрая неинвазивная диагностика пепсина под названием Peptest, которая определяет наличие пепсина в образцах слюны. [33]
Пепсин может быть ингибирован высоким pH (см. Активность и стабильность) или ингибиторными соединениями. Пепстатин является низкомолекулярным соединением и мощным ингибитором, специфичным для кислых протеаз с константой ингибирующей диссоциации (Ki) около 10 −10 M для пепсина. Считается, что остаток статила пепстатина отвечает за ингибирование пепсина пепстатином; статин является потенциальным аналогом переходного состояния для катализа пепсином и другими кислыми протеазами. Пепстатин не связывает ковалентно пепсин, и ингибирование пепсина пепстатином, следовательно, 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 крупным 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 позициями P1' - P3' пепсина. N-конец PI-3 в комплексе PI-3:пепсин позиционируется водородными связями , которые образуют восьмицепочечный β-слой , где три цепи вносятся пепсином и пять - PI-3. [36]
Продукт переваривания белка пепсином ингибирует реакцию. [37] [38]
Сукральфат , препарат, используемый для лечения язвы желудка и других заболеваний, связанных с пепсином, также подавляет активность пепсина. [39]
Коммерческий пепсин извлекается из железистого слоя свиных желудков. Он является компонентом сычужного фермента, используемого для свертывания молока при производстве сыра. Пепсин используется для различных целей в производстве продуктов питания: для модификации и придания взбиваемых качеств соевому белку и желатину, [40] для модификации растительных белков для использования в немолочных закусках, для превращения предварительно приготовленных злаков в быстрорастворимые каши, [41] и для приготовления гидролизатов животных и растительных белков для использования в качестве ароматизаторов для пищевых продуктов и напитков. Он используется в кожевенной промышленности для удаления волос и остатков тканей со шкур и для восстановления серебра из выброшенных фотопленок путем переваривания желатинового слоя, который удерживает серебро. [42] Пепсин исторически был добавкой к жевательной резинке марки Beeman's gum доктора Эдвина Э. Бимана.
Пепсин обычно используется при получении фрагментов F(ab')2 из антител. В некоторых анализах предпочтительно использовать только антигенсвязывающую (Fab) часть антитела . Для этих целей антитела могут быть ферментативно переварены для получения либо фрагмента Fab, либо фрагмента F(ab')2 антитела. Для получения фрагмента F(ab')2 IgG переваривается пепсином, который расщепляет тяжелые цепи вблизи шарнирной области. [43] Одна или несколько дисульфидных связей, которые соединяют тяжелые цепи в шарнирной области, сохраняются, поэтому два участка Fab антитела остаются соединенными вместе, образуя двухвалентную молекулу (содержащую два сайта связывания антитела), отсюда и обозначение F(ab')2. Легкие цепи остаются нетронутыми и прикрепленными к тяжелой цепи. Фрагмент Fc переваривается на небольшие пептиды. Фрагменты Fab образуются путем расщепления IgG папаином вместо пепсина. Папаин расщепляет IgG выше шарнирной области, содержащей дисульфидные связи, которые соединяют тяжелые цепи, но ниже места дисульфидной связи между легкой цепью и тяжелой цепью. Это создает два отдельных моновалентных (содержащих один сайт связывания антитела) фрагмента Fab и неповрежденный фрагмент Fc. Фрагменты можно очистить с помощью гель-фильтрации, ионного обмена или аффинной хроматографии. [44]
Фрагменты антител Fab и F(ab')2 используются в системах анализа, где наличие области Fc может вызывать проблемы. В таких тканях, 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, не содержащих целевой антиген. Использование фрагментов F(ab')2 или Fab 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 может лизировать клетки. Фрагменты F(ab')2 и в большей степени Fab позволяют более точно локализовать целевой антиген, т. е. при окрашивании ткани для электронной микроскопии. Дивалентность фрагмента F(ab')2 позволяет ему перекрестно связывать антигены, что позволяет использовать его для анализов преципитации, клеточной агрегации через поверхностные антигены или анализов розеткообразования. [45]
Следующие три гена кодируют идентичные ферменты пепсиногена А человека:
Четвертый человеческий ген кодирует гастриксин, также известный как пепсиноген С: