Сериновые протеазы (или сериновые эндопептидазы ) — это ферменты , которые расщепляют пептидные связи в белках . Серин служит нуклеофильной аминокислотой в активном центре (фермента) . [1] Они повсеместно встречаются как у эукариот , так и у прокариот . Сериновые протеазы делятся на две большие категории в зависимости от их структуры: химотрипсин -подобные (трипсин-подобные) или субтилизин -подобные. [2]
Система классификации протеаз MEROPS насчитывает 16 суперсемейств (по состоянию на 2013 год), каждое из которых содержит множество семейств . Каждое суперсемейство использует каталитическую триаду или диаду в другой белковой укладке и, таким образом, представляет собой конвергентную эволюцию каталитического механизма . Большинство принадлежит к семейству S1 клана PA (суперсемейства) протеаз.
Для суперсемейств , P: суперсемейство, содержащее смесь семейств класса нуклеофилов , S: чисто сериновые протеазы. суперсемейство. Внутри каждого суперсемейства семейства обозначаются их каталитическим нуклеофилом, (S: сериновые протеазы).
Сериновые протеазы характеризуются отличительной структурой, состоящей из двух доменов бета-бочки, которые сходятся в каталитически активном центре. Эти ферменты могут быть далее классифицированы на основе их субстратной специфичности как трипсиноподобные, химотрипсиноподобные или эластазоподобные. [5]
Трипсиноподобные протеазы расщепляют пептидные связи, следующие за положительно заряженной аминокислотой ( лизином или аргинином ). [6] Эта специфичность обусловлена остатком, который лежит в основании S1-кармана фермента (обычно это отрицательно заряженная аспарагиновая кислота или глутаминовая кислота ).
Карман S1 химотрипсин-подобных ферментов более гидрофобен, чем в трипсиноподобных протеазах. Это приводит к специфичности для гидрофобных остатков среднего и большого размера, таких как тирозин , фенилаланин и триптофан .
К ним относятся тромбин , активирующий ткани плазминоген и плазмин . Было обнаружено, что они играют роль в коагуляции и пищеварении, а также в патофизиологии нейродегенеративных расстройств, таких как деменция, вызванная болезнью Альцгеймера и Паркинсона. Многие высокотоксичные тромбиноподобные сериновые протеазы изоформы обнаружены в змеиных ядах. [7]
Протеазы, подобные эластазы, имеют гораздо меньшую щель S1, чем протеазы, подобные трипсину или химотрипсину. Следовательно, такие остатки, как аланин , глицин и валин, имеют тенденцию быть предпочтительными.
Субтилизин — это сериновая протеаза прокариот . Субтилизин эволюционно не связан с кланом химотрипсина, но имеет тот же каталитический механизм, использующий каталитическую триаду для создания нуклеофильного серина . Это классический пример, используемый для иллюстрации конвергентной эволюции , поскольку один и тот же механизм развивался дважды независимо в ходе эволюции .
Главным игроком в каталитическом механизме сериновых протеаз является каталитическая триада. Триада расположена в активном центре фермента, где происходит катализ, и сохраняется во всех суперсемействах ферментов сериновых протеаз. Триада представляет собой координированную структуру, состоящую из трех аминокислот : His 57, Ser 195 (отсюда название «сериновая протеаза») и Asp 102. Эти три ключевые аминокислоты играют важную роль в расщепляющей способности протеаз. Хотя аминокислотные члены триады расположены далеко друг от друга в последовательности белка, из-за сворачивания они будут очень близки друг к другу в сердце фермента. Особая геометрия членов триады в высшей степени характерна для их специфической функции: было показано, что положение всего четырех точек триады характеризует функцию содержащего фермента. [8]
В случае катализа происходит упорядоченный механизм, в котором генерируется несколько промежуточных продуктов. Катализ расщепления пептида можно рассматривать как катализ пинг-понга , в котором субстрат связывается (в данном случае расщепляемый полипептид), продукт высвобождается (C-концевая «половина» пептида с видимой аминогруппой), другой субстрат связывается (в данном случае вода), и другой продукт высвобождается (N-концевая «половина» пептида с видимой карбоксильной группой).
Каждая аминокислота в триаде выполняет определенную задачу в этом процессе:
Всю реакцию можно резюмировать следующим образом:
Было обнаружено, что дополнительные аминокислоты протеазы, Gly 193 и Ser 195 , участвуют в создании так называемой оксианионовой дырки . Как Gly 193, так и Ser 195 могут отдавать водороды основной цепи для водородной связи. Когда образуется тетраэдрический промежуточный продукт шага 1 и шага 3, отрицательный ион кислорода, приняв электроны от карбонильной двойной связи, идеально вписывается в оксианионную дырку. По сути, сериновые протеазы предпочтительно связывают переходное состояние , и общая структура благоприятствует, снижая энергию активации реакции. Это «предпочтительное связывание» отвечает за большую часть каталитической эффективности фермента.
Организмы-хозяева должны обеспечить адекватную регуляцию активности сериновых протеаз. Это достигается за счет необходимости начальной активации протеазы и секреции ингибиторов.
Зимогены — это обычно неактивные предшественники фермента. Если бы пищеварительные ферменты были активны при синтезе, они бы немедленно начали жевать синтезирующие органы и ткани. Острый панкреатит — это такое состояние, при котором происходит преждевременная активация пищеварительных ферментов в поджелудочной железе, что приводит к самоперевариванию (аутолизу). Это также усложняет посмертные исследования , поскольку поджелудочная железа часто переваривает сама себя до того, как ее можно будет оценить визуально.
Зимогены — это большие неактивные структуры, которые способны распадаться или превращаться в более мелкие активированные ферменты. Разница между зимогенами и активированными ферментами заключается в том, что активный центр катализа зимогенов искажен. В результате субстратный полипептид не может эффективно связываться, и протеолиз не происходит. Только после активации, во время которой изменяются конформация и структура зимогена и активный центр открывается, может произойти протеолиз .
Как можно видеть, активация трипсиногена в трипсин необходима, поскольку она активирует свою собственную реакцию, а также реакцию как химотрипсина, так и эластазы . Поэтому важно, чтобы эта активация не произошла преждевременно. Существует несколько защитных мер, принимаемых организмом для предотвращения самопереваривания:
Существуют определенные ингибиторы , которые напоминают тетраэдрический интермедиат и таким образом заполняют активный центр, не давая ферменту работать должным образом. Трипсин, мощный пищеварительный фермент, вырабатывается в поджелудочной железе. Ингибиторы предотвращают самопереваривание самой поджелудочной железы.
Сериновые протеазы работают в паре с ингибиторами сериновых протеаз , которые отключают их активность, когда они больше не нужны. [9] [ самостоятельно опубликованный источник? ]
Сериновые протеазы ингибируются разнообразной группой ингибиторов , включая синтетические химические ингибиторы для исследовательских или терапевтических целей, а также природные белковые ингибиторы. Одно семейство природных ингибиторов, называемых «серпинами» (сокращенно от ингибиторов сериновой протеазы ), может образовывать ковалентную связь с сериновой протеазой, ингибируя ее функцию. Наиболее изученными серпинами являются антитромбин и альфа-1-антитрипсин , изученные на предмет их роли в коагуляции / тромбозе и эмфиземе / A1AT , соответственно. Искусственные необратимые ингибиторы малых молекул включают AEBSF и PMSF .
Семейство ингибиторов сериновой пептидазы членистоногих , называемых пацифастином , было обнаружено у саранчи и раков и может функционировать в иммунной системе членистоногих . [10]
Мутации могут приводить к снижению или повышению активности ферментов. Это может иметь разные последствия в зависимости от нормальной функции сериновой протеазы. Например, мутации в протеине C могут приводить к дефициту протеина C и предрасполагать к тромбозу . Кроме того, некоторые протеазы играют жизненно важную роль в активации слияния клетки-вируса хозяина, заставляя белок Spike вируса показывать белок, называемый «белком слияния» ( TMPRSS2 активирует слияние SARS-CoV-2 ). Экзогенные сериновые протеазы змеиного яда вызывают широкий спектр коагулопатий при инъекции хозяину из-за отсутствия регуляции их активности. [7]
Определение уровня сериновой протеазы может быть полезным в контексте определенных заболеваний.
Благодаря своей каталитической активности некоторые сериновые протеазы обладают мощными антимикробными свойствами. Несколько исследований in vitro продемонстрировали эффективность некоторых протеаз в снижении вирулентности путем расщепления вирусных поверхностных белков. Проникновение вируса в клетки хозяина опосредовано взаимодействием этих поверхностных белков с клеткой хозяина. Когда эти белки фрагментированы или инактивированы на вирусной поверхности, проникновение вируса нарушается, что приводит к снижению инфекционности широкого спектра патологически значимых микроорганизмов, таких как грипп , hRSV и другие. [11] [12]
