Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Структура протеазы (протеаза TEV ) в комплексе с пептидным субстратом черного цвета с каталитическими остатками красного цвета ( PDB : 1LVB )

Протеазы (также называемые пептидазами или протеиназой ) представляет собой фермент , который катализирует (увеличивает скорость) протеолиз , расщепление белков на более мелкие полипептиды или отдельные аминокислоты . Они делают это, расщепляя пептидные связи в белках путем гидролиза - реакции, при которой вода разрывает связи. Протеазы участвуют во многих биологических функциях, включая переваривание проглоченных белков, катаболизм белков (расщепление старых белков) [1] [2] иклеточная сигнализация .

Без дополнительных вспомогательных механизмов протеолиз был бы очень медленным, на сотни лет. [3] 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 .

Иерархия протеаз [ править ]

На основе каталитического остатка [ править ]

Протеазы можно разделить на семь широких групп: [4]

  • Сериновые протеазы - с использованием серинового спирта
  • Цистеиновые протеазы - использование цистеинтиола
  • Треониновые протеазы - использование вторичного спирта треонина
  • Аспарагиновые протеазы - использование аспартат- карбоновой кислоты
  • Глутаминовые протеазы - с использованием глутаматкарбоновой кислоты
  • Металлопротеиназы - с использованием металла, обычно цинка [1] [2]
  • Пептидные лиазы аспарагина - использование аспарагина для проведения реакции элиминации (не требует воды)

В 1993 году протеазы были впервые сгруппированы в 84 семейства в соответствии с их эволюционным родством и классифицированы по четырем каталитическим типам: сериновые, цистеиновые, аспарагиновые и металлопротеазы. [5] В треонин и глутамат-кислые протеазы не были описаны до 1995 и 2004 соответственно. Механизм, используемый для расщепления пептидной связи, включает превращение аминокислотного остатка, который имеет цистеин и треонин (протеазы) или молекулу воды ( аспарагиновая кислота , металло- и кислотные протеазы), нуклеофильными, чтобы он мог атаковать карбоксильную группу пептида . Один из способов сделать нуклеофил - каталитическая триада, где остаток гистидина используется для активации серина , цистеина или треонина в качестве нуклеофила. Это не эволюционная группировка, однако, поскольку типы нуклеофилов эволюционировали конвергентно в разных суперсемействах , а некоторые суперсемейства демонстрируют дивергентную эволюцию к множеству разных нуклеофилов.

Пептидные лиазы [ править ]

Седьмой каталитический тип протеолитических ферментов, аспарагинпептидлиаза, был описан в 2011 году. Его протеолитический механизм необычен, поскольку вместо гидролиза он выполняет реакцию элиминации . [6] Во время этой реакции каталитический аспарагин образует циклическую химическую структуру, которая при правильных условиях расщепляет себя по остаткам аспарагина в белках. Учитывая его принципиально иной механизм, его включение в качестве пептидазы может быть спорным. [6]

Эволюционная филогения [ править ]

Современная классификация эволюционных суперсемейств протеаз находится в базе данных MEROPS. [7] В этой базе данных протеазы классифицируются в первую очередь по «кланам» ( суперсемейству ) на основе структуры, механизма и порядка каталитических остатков (например, клан PA, где P обозначает смесь семейств нуклеофилов). Внутри каждого «клана» протеазы классифицируются на семейства на основе сходства последовательностей (например, семейства S1 и C3 в клане PA). Каждое семейство может содержать многие сотни родственных протеаз (например, трипсин , эластаза , тромбин и стрептогризин в семействе S1).

В настоящее время известно более 50 кланов, каждый из которых указывает на независимое эволюционное происхождение протеолиза. [7]

Классификация на основе оптимального pH [ править ]

В качестве альтернативы протеазы можно классифицировать по оптимальному pH, при котором они активны:

  • Кислотные протеазы
  • Нейтральные протеазы, участвующие в гиперчувствительности 1 типа . Здесь он высвобождается тучными клетками и вызывает активацию комплемента и кининов . [8] В эту группу входят кальпаины .
  • Основные протеазы (или щелочные протеазы )

Ферментативная функция и механизм [ править ]

Сравнение двух гидролитических механизмов, используемых для протеолиза . Фермент показан черным цветом, белок- субстрат - красным, а вода - синим. На верхней панели показан одностадийный гидролиз, когда фермент использует кислоту для поляризации воды, которая затем гидролизует субстрат. На нижней панели показан двухэтапный гидролиз, при котором остаток внутри фермента активируется, чтобы действовать как нуклеофил.(Ню) и атаковать субстрат. Это образует промежуточное соединение, в котором фермент ковалентно связан с N-концевой половиной субстрата. На втором этапе вода активируется для гидролиза этого промежуточного продукта и завершения катализа. Остатки других ферментов (не показаны) отдают и принимают водороды и электростатически стабилизируют накопление заряда по механизму реакции.
Смотрите также: Каталитическая триада

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

Катализ [ править ]

Катализ достигается одним из двух механизмов:

  • Аспарагиновая, глутаминовая и металлопротеазы активируют молекулу воды, которая выполняет нуклеофильную атаку на пептидную связь с целью ее гидролиза.
  • Сериновые, треониновые и цистеиновые протеазы используют нуклеофильный остаток (обычно в каталитической триаде ). Этот остаток выполняет нуклеофильную атаку, ковалентно связывая протеазу с белком-субстратом, высвобождая первую половину продукта. Этот ковалентный промежуточный ацил-фермент затем гидролизуется активированной водой для завершения катализа путем высвобождения второй половины продукта и регенерации свободного фермента.

Специфика [ править ]

Протеолиз может быть очень беспорядочным , так что гидролизуется широкий спектр белковых субстратов. Так обстоит дело с пищеварительными ферментами, такими 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 обладают специфичностью только в отношении этого остатка. Например, трипсин специфичен для последовательностей ... K \ ... или ... R \ ... ('\' = сайт расщепления). [9]

И наоборот, некоторые протеазы высокоспецифичны и расщепляют только субстраты с определенной последовательностью. Свертывание крови (например, тромбин ) и процессинг вирусного полипротеина (например, протеаза TEV ) требует такого уровня специфичности для достижения точных событий расщепления. Это достигается за счет протеаз, имеющих длинную щель для связывания или туннель с несколькими карманами вдоль него, которые связывают указанные остатки. Например, протеаза TEV специфична для последовательности ... ENLYFQ \ S ... ('\' = сайт расщепления). [10]

Деградация и автолиз [ править ]

Протеазы, которые сами по себе являются белками, расщепляются другими молекулами протеаз, иногда той же разновидности. 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 [ править ]

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

Растения [ править ]

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 использовался в течение тысяч лет в качестве аюрведического средства от пищеварения и диабета на Индийском субконтиненте. Он также используется для изготовления Paneer .

Геномы растений кодируют сотни протеаз, функция которых в основном неизвестна. Люди с известной функцией в значительной степени участвуют в регуляции развития . [11] Протеазы растений также играют роль в регуляции фотосинтеза . [12]

Животные [ править ]

Протеазы используются во всем организме для различных метаболических процессов. Кислотные протеазы, секретируемые в желудок (например, пепсин ), и сериновые протеазы, присутствующие в двенадцатиперстной кишке ( трипсин и химотрипсин ), позволяют нам переваривать белок, содержащийся 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 метаболическом контроле. Некоторые змеиные ядытакже являются протеазами, такими как гемотоксин гадюки, и мешают каскаду свертывания крови жертвы. Протеазы определяют время жизни других белков, играющих важную физиологическую роль, таких как гормоны, антитела или другие ферменты. Это один из самых быстрых «включений» и «выключений» регуляторных механизмов в физиологии организма.

Путем комплексного кооперативного действия протеазы могут протекать как каскадные реакции, которые приводят к быстрому и эффективному усилению реакции организма на физиологический сигнал.

Бактерии [ править ]

Бактерии выделяют протеазы для гидролиза пептидных связей в белках и, следовательно, расщепляют белки на составляющие их аминокислоты . Бактериальные и грибковые протеазы особенно важны для глобальных циклов углерода и азота в рециркуляции белков, и такая активность, как правило, регулируется сигналами питания в этих организмах. [13] Чистое влияние пищевой регуляции активности протеаз среди тысяч видов, присутствующих в почве, можно наблюдать на общем уровне микробного сообщества, поскольку белки расщепляются в ответ на ограничение углерода, азота или серы. [14]

Бактерии содержат протеазы, отвечающие за общий контроль качества белков (например, протеасомы AAA + ) за счет разрушения развернутых или неправильно свернутых белков .

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

Вирусы [ править ]

Геномы некоторых вирусов кодируют один массивный полипротеин , которому нужна протеаза, чтобы расщепить его на функциональные единицы (например, вирус вируса гепатита С и пикорнавирусы ). [15] Эти протеазы (например, протеаза TEV ) обладают высокой специфичностью и расщепляют только очень ограниченный набор последовательностей субстрата. Следовательно, они являются общей мишенью для ингибиторов протеаз . [16] [17]

Использует [ редактировать ]

Основная статья: Протеазы (медицинское и родственное применение)

Область исследования протеаз огромна. С 2004 г. ежегодно публиковалось около 8000 статей в этой области. [18] Протеазы используются в промышленности, медицине и в качестве основного инструмента биологических исследований. [19] [20]

Пищеварительные протеазы входят в состав многих моющих средств для стирки, а также широко используются в хлебопекарной промышленности в улучшителях хлеба . В медицине используются различные протеазы как для их естественной функции (например, для контроля свертывания крови), так и для полностью искусственных функций ( например, для целенаправленной деградации патогенных белков). Высокоспецифичные протеазы, такие как протеаза TEV и тромбин , обычно используются для контролируемого расщепления слитых белков и аффинных меток .

Ингибиторы [ править ]

Основные статьи: ингибитор протеазы (биология) и ингибитор протеазы (фармакология)

Активность протеаз подавляется ингибиторами протеаз . [21] Одним из примеров ингибиторов протеаз является суперсемейство серпинов . Он включает альфа-1-антитрипсин (который защищает организм от чрезмерного воздействия собственных воспалительных протеаз), альфа-1-антихимотрипсин (который делает то же самое), C1-ингибитор (который защищает организм от чрезмерной активации его собственной системы комплемента, вызванной протеазой. ), антитромбин (защищает организм от чрезмерной коагуляции ), ингибитор активатора плазминогена-1(который защищает организм от недостаточной коагуляции, блокируя фибринолиз, запускаемый протеазой ) и нейросерпин . [22]

Природные ингибиторы протеаз включают семейство белков липокалина , которые играют роль в регуляции и дифференцировке клеток. Было обнаружено, что липофильные лиганды, присоединенные к белкам липокалина, обладают свойствами ингибирования опухолевых протеаз. Не следует путать естественные ингибиторы протеазы с ингибиторами протеазы, используемыми в антиретровирусной терапии. Некоторые вирусы , в том числе ВИЧ / СПИД , зависят от протеаз в репродуктивном цикле. Таким образом, ингибиторы протеаз разработаны как противовирусные средства.

Другие природные ингибиторы протеаз используются в качестве защитных механизмов. Распространенными примерами являются ингибиторы трипсина, содержащиеся в семенах некоторых растений, наиболее заметными для человека являются соевые бобы, основная продовольственная культура, где они действуют, чтобы отпугнуть хищников. Сырые соевые бобы токсичны для многих животных, включая человека, до тех пор, пока содержащиеся в них ингибиторы протеазы не будут денатурированы.

См. Также [ править ]

  • Лигаза
  • Протеаза
    • цистеин-
    • серин
    • треонин
    • аспарагиновая кислота
    • глутаминовый
    • металло-
  • Клан ПА
  • Конвергентная эволюция
  • Протеолиз
  • Каталитическая триада
  • Карта протеолиза
  • Протеазы в ангиогенезе
  • Интрамембранные протеазы
  • Ингибитор протеазы (фармакология)
  • Ингибитор протеазы (биология)
  • TopFIND - база данных специфичности протеаз, субстратов, продуктов и ингибиторов
  • MEROPS - База данных эволюционных групп протеаз

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Кинг, Джон V .; Liang, Wenguang G .; Scherpelz, Kathryn P .; Шиллинг, Александр Б .; Мередит, Стивен С .; Тан, Вэй-Джен (2014-07-08). «Молекулярные основы распознавания и деградации субстрата протеазой предпоследовательности человека» . Структура . 22 (7): 996–1007. DOI : 10.1016 / j.str.2014.05.003 . ISSN  1878-4186 . PMC  4128088 . PMID  24931469 .
  2. ^ а б Шэнь, Юэцюань; Иоахимиак, Анджей; Рознер, Марша Рич; Тан, Вэй-Джен (19.10.2006). «Структуры человеческого разлагающего инсулин фермента раскрывают новый механизм распознавания субстрата» . Природа . 443 (7113): 870–874. DOI : 10,1038 / природа05143 . ISSN 1476-4687 . PMC 3366509 . PMID 17051221 .   
  3. ^ Radzicka A, Вулфенден R (июль 1996). "Скорости некаталитического гидролиза пептидных связей в нейтральном растворе и переходное состояние сродства протеаз". JACS . 118 (26): 6105–6109. DOI : 10.1021 / ja954077c .
  4. Перейти ↑ Oda K (2012). «Новые семейства карбоксилпептидаз: серин-карбоксилпептидазы и глутаминовые пептидазы» . Журнал биохимии . 151 (1): 13–25. DOI : 10.1093 / Jb / mvr129 . PMID 22016395 . 
  5. Перейти ↑ Rawlings ND, Barrett AJ (февраль 1993). «Эволюционные семейства пептидаз» . Биохимический журнал . 290 (Pt 1) (Pt 1): 205–18. DOI : 10.1042 / bj2900205 . PMC 1132403 . PMID 8439290 .  
  6. ^ a b Роулингс Н.Д., Барретт А.Дж., Бейтман А. (ноябрь 2011 г.). «Аспарагиновые пептидные лиазы: седьмой каталитический тип протеолитических ферментов» . Журнал биологической химии . 286 (44): 38321–8. DOI : 10.1074 / jbc.M111.260026 . PMC 3207474 . PMID 21832066 .  
  7. ^ a b Роулингс Н.Д., Барретт А.Дж., Бейтман А. (январь 2010 г.). «MEROPS: база данных пептидаз» . Nucleic Acids Res . 38 (Выпуск базы данных): D227–33. DOI : 10.1093 / NAR / gkp971 . PMC 2808883 . PMID 19892822 .  
  8. Перейти ↑ Mitchell RS, Kumar V, Abbas AK, Fausto N (2007). Базовая патология Роббинса (8-е изд.). Филадельфия: Сондерс. п. 122. ISBN 978-1-4160-2973-1.
  9. Перейти ↑ Rodriguez J, Gupta N, Smith RD, Pevzner PA (январь 2008 г.). «Режет ли трипсин раньше, чем пролин?». Журнал протеомных исследований . 7 (1): 300–5. DOI : 10.1021 / pr0705035 . PMID 18067249 . 
  10. ^ Renicke С, Spadaccini Р, Таксомоторы С (2013-06-24). «Протеаза вируса травления табака с повышенной устойчивостью к субстрату в положении P1 '» . PLOS One . 8 (6): e67915. DOI : 10.1371 / journal.pone.0067915 . PMC 3691164 . PMID 23826349 .  
  11. ^ Ван дер Хорн Р. (2008). «Протеазы растений: от фенотипов к молекулярным механизмам» (PDF) . Ежегодный обзор биологии растений . 59 : 191–223. DOI : 10.1146 / annurev.arplant.59.032607.092835 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0012-37C7-9 . PMID 18257708 .  
  12. ^ Zelisko A, Jackowski G (октябрь 2004). «Зависимая от старения деградация Lhcb3 опосредуется тилакоидной мембрано-связанной протеазой». Журнал физиологии растений . 161 (10): 1157–70. DOI : 10.1016 / j.jplph.2004.01.006 . PMID 15535125 . 
  13. Перейти ↑ Sims GK (2006). «Азотное голодание способствует биоразложению N-гетероциклических соединений в почве» . Биология и биохимия почвы . 38 (8): 2478–2480. DOI : 10.1016 / j.soilbio.2006.01.006 .
  14. Перейти ↑ Sims GK, Wander MM (2002). «Протеолитическая активность при ограничении азота или серы». Appl. Soil Ecol . 568 : 1–5.
  15. Перейти ↑ Tong L (2002). «Вирусные протеазы». Химические обзоры . 102 (12): 4609–4626. DOI : 10.1021 / cr010184f . PMID 12475203 . 
  16. ^ Skoreński M, Sieńczyk M (2013). «Вирусные протеазы как мишени для дизайна лекарств». Текущий фармацевтический дизайн . 19 (6): 1126–53. DOI : 10.2174 / 13816128130613 . PMID 23016690 . 
  17. ↑ Yilmaz NK, Swanstrom R, Schiffer CA (июль 2016 г.). «Улучшение ингибиторов вирусных протеаз для противодействия лекарственной устойчивости» . Тенденции в микробиологии . 24 (7): 547–557. DOI : 10.1016 / j.tim.2016.03.010 . PMC 4912444 . PMID 27090931 .  
  18. ^ Barrett AJ, Роулингс Н.Д., Woessnerd JF (2004). Справочник протеолитических ферментов (2-е изд.). Лондон, Великобритания: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0-12-079610-6.
  19. ^ Хупер Н.М., изд. (2002). Протеазы в биологии и медицине . Лондон: Портленд Пресс. ISBN 978-1-85578-147-4.
  20. ^ Feijoo-Siota L, Villa TG (28 сентября 2010). "Природные и созданные с помощью биотехнологии растительные протеазы промышленного применения". Пищевая и биотехнологическая промышленность . 4 (6): 1066–1088. DOI : 10.1007 / s11947-010-0431-4 .
  21. ^ Southan C (июль 2001). «Геномный взгляд на протеазы человека как мишени для лекарств». Открытие наркотиков сегодня . 6 (13): 681–688. DOI : 10.1016 / s1359-6446 (01) 01793-7 . PMID 11427378 . 
  22. ^ Puente XS, Лопез-Otin C (апрель 2004). «Геномный анализ протеаз и ингибиторов протеаз крыс» . Геномные исследования . 14 (4): 609–22. DOI : 10.1101 / gr.1946304 . PMC 383305 . PMID 15060002 .  

Внешние ссылки [ править ]

Библиотечные ресурсы о
протеазе
  • Ресурсы в вашей библиотеке
  • Ресурсы в других библиотеках
  • Международное общество протеолиза
  • MEROPS - база данных пептидаз
  • Список ингибиторов протеаз
  • Прогнозирующее воздействие протеазы
  • Список протеаз и их особенности (см. Также [1] )
  • Протеолиз MAP от Центра протеолитических путей
  • База данных сайта Proteolysis Cut - тщательно отобранные экспертные комментарии пользователей
  • Графический интерфейс сайтов, вырезанных Protease
  • База данных протеаз TopFIND, охватывающая сайты разрезов, субстраты и концы белков
  • Proteases в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)