Цистеиновые протеазы , также известные как тиоловые протеазы , являются гидролазными ферментами , которые расщепляют белки . Эти протеазы имеют общий каталитический механизм , который включает нуклеофильный цистеиновый тиол в каталитической триаде или диаде. [1]
Открытая Гопалом Чандером Роем в 1873 году, первая цистеиновая протеаза, которая была выделена и охарактеризована, была папаином , полученным из Carica papaya . [1] Цистеиновые протеазы обычно встречаются во фруктах, включая папайю , ананас , инжир и киви . Доля протеазы, как правило, выше, когда фрукт незрелый. Фактически, известно, что латекс десятков различных семейств растений содержит цистеиновые протеазы. [2] Цистеиновые протеазы используются в качестве ингредиента в размягчителях мяса.
Система классификации протеаз MEROPS насчитывает 14 суперсемейств плюс несколько в настоящее время нераспределенных семейств (по состоянию на 2013 год), каждое из которых содержит много семейств . Каждое суперсемейство использует каталитическую триаду или диаду в другой белковой складке и, таким образом, представляет собой конвергентную эволюцию каталитического механизма .
Для суперсемейств P обозначает суперсемейство, содержащее смесь семейств классов нуклеофилов , а C обозначает чисто цистеиновые протеазы. суперсемейство. Внутри каждого суперсемейства семейства обозначаются их каталитическим нуклеофилом (C обозначает цистеиновые протеазы).
Первым шагом в механизме реакции, посредством которого цистеиновые протеазы катализируют гидролиз пептидных связей, является депротонирование тиола в активном центре фермента соседней аминокислотой с основной боковой цепью , обычно остатком гистидина . Следующим шагом является нуклеофильная атака анионной серы депротонированного цистеина на карбонильный углерод субстрата . На этом этапе фрагмент субстрата высвобождается с аминным концом, остаток гистидина в протеазе восстанавливается до своей депротонированной формы, и образуется тиоэфирный интермедиат, связывающий новый карбокси-конец субстрата с цистеиновым тиолом . Поэтому их также иногда называют тиоловыми протеазами. Тиоэфирная связь впоследствии гидролизуется с образованием карбоксильной кислотной группы на оставшемся фрагменте субстрата, при этом восстанавливая свободный фермент. [6]
Цистеиновые протеазы играют многогранную роль, практически в каждом аспекте физиологии и развития. В растениях они важны для роста и развития, а также для накопления и мобилизации запасных белков, таких как семена. Кроме того, они участвуют в сигнальных путях и в ответе на биотические и абиотические стрессы. [7] У людей и других животных они отвечают за старение и апоптоз (запрограммированную гибель клеток), иммунные реакции MHC класса II , обработку прогормонов и ремоделирование внеклеточного матрикса , важные для развития костей. Способность макрофагов и других клеток мобилизовать эластолитические цистеиновые протеазы на свои поверхности в особых условиях может также приводить к ускоренной деградации коллагена и эластина в местах воспаления при таких заболеваниях , как атеросклероз и эмфизема . [8] Некоторые вирусы (например, полиомиелит и гепатит С ) экспрессируют весь свой геном в виде одного массивного полипротеина и используют протеазу для расщепления его на функциональные единицы (например, протеаза вируса табачной гравировки ).
Активность цистеиновых протеаз регулируется несколькими общими механизмами, которые включают в себя продукцию зимогенов , селективную экспрессию, изменение pH, клеточную компартментализацию и регуляцию их ферментативной активности эндогенными ингибиторами , что, по-видимому, является наиболее эффективным механизмом, связанным с регуляцией активности цистеиновых протеаз. [6]
Протеазы обычно синтезируются в виде крупных белков-предшественников, называемых зимогенами , например, предшественники сериновой протеазы трипсиноген и химотрипсиноген , а также предшественник аспарагиновой протеазы пепсиноген . Протеаза активируется путем удаления ингибирующего сегмента или белка. Активация происходит, когда протеаза попадает в определенное внутриклеточное пространство (например, лизосому ) или внеклеточную среду (например, желудок ). Эта система предотвращает повреждение клетки , которая производит протеазу.
Ингибиторы протеазы обычно представляют собой белки с доменами , которые входят в активный сайт протеазы или блокируют его , чтобы предотвратить доступ субстрата . При конкурентном ингибировании ингибитор связывается с активным сайтом, тем самым предотвращая взаимодействие фермента и субстрата. При неконкурентном ингибировании ингибитор связывается с аллостерическим сайтом , что изменяет активный сайт и делает его недоступным для субстрата.
Примеры ингибиторов протеазы включают:
В настоящее время цистеиновые протеазы не получили широкого распространения в качестве одобренных и эффективных антигельминтных средств, но исследования в этой области являются многообещающей областью исследований. Было обнаружено, что растительные цистеиновые протеазы, выделенные из этих растений, обладают высокой протеолитической активностью , которая, как известно, переваривает кутикулы нематод , с очень низкой токсичностью. [9] Успешные результаты были зарегистрированы против нематод, таких как Heligmosomoides bakeri , Trichinella spiralis , Nippostrongylus brasiliensis , Trichuris muris и Ancylostoma ceylanicum ; ленточного червя Rodentolepis microstoma и паразита свиного скребня Macracanthorhynchus hirundinaceus . [10] Полезным свойством цистеиновых протеаз является устойчивость к кислотному пищеварению, что позволяет применять их перорально . Они обеспечивают альтернативный механизм действия по сравнению с существующими антигельминтными средствами, и считается, что развитие резистентности маловероятно, поскольку для этого потребовалось бы полное изменение структуры кутикулы гельминта .
В ряде традиционных лекарственных средств плоды или латекс папайи, ананаса и инжира широко используются для лечения кишечных глистов как у людей, так и у скота .
Цистеиновые протеазы используются в качестве кормовых добавок для скота для улучшения усвояемости белков и аминокислот. [11]
