Proteaza serynowa - Serine protease
Endopeptydazy serynowe | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identyfikatory | |||||||||
Nr WE | 3.4.21.- | ||||||||
Bazy danych | |||||||||
IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
PRIAM | profil | ||||||||
Struktury WPB | RCSB PDB PDBe Suma PDB | ||||||||
|
Proteazy serynowe (lub endopeptydazy serynowe ) to enzymy, które rozcinają wiązania peptydowe w białkach . Seryna służy jako nukleofilowy aminokwas w miejscu aktywnym (enzymu) . Są wszechobecne zarówno u eukariontów, jak i prokariontów . Proteazy serynowe dzielą się na dwie szerokie kategorie w oparciu o ich strukturę: podobne do chymotrypsyny (trypsynopodobne) lub podobne do subtylizyny .
Klasyfikacja
System klasyfikacji proteaz MEROPS liczy 16 nadrodzin (stan na 2013 r.), z których każda zawiera wiele rodzin . Każdy nadrodziny wykorzystuje triadę katalityczną lub diad w innym białkiem krotnie więc reprezentować zbieżną ewolucję z mechanizmu katalitycznego . Większość należy do rodziny S1 klanu PA (nadrodziny) proteaz.
Dla nadrodzin , P = nadrodzina, zawierająca mieszaninę rodzin klasy nukleofilowej , S = czysto proteazy serynowe. nadrodzina. W każdej nadrodzinie rodziny są oznaczone przez ich katalityczny nukleofil (S = proteazy serynowe).
Rodziny proteaz serynowych
Specyfika podłoża
Proteazy serynowe charakteryzują się charakterystyczną strukturą, składającą się z dwóch domen beta-beczki, które zbiegają się w katalitycznym miejscu aktywnym. Enzymy te można dalej kategoryzować w oparciu o ich specyficzność substratową jako podobne do trypsyny, podobne do chymotrypsyny lub podobne do elastazy.
Trypsynopodobny
Proteazy podobne do trypsyny rozszczepiają wiązania peptydowe po dodatnio naładowanym aminokwasie ( lizynie lub argininie ). Ta specyficzność jest napędzana przez resztę, która leży u podstawy kieszeni S1 enzymu (zazwyczaj ujemnie naładowany kwas asparaginowy lub kwas glutaminowy ).
chymotrypsynopodobny
Kieszeń S1 enzymów podobnych do chymotrypsyny jest bardziej hydrofobowa niż w proteazach podobnych do trypsyny. Powoduje to specyficzność dla reszt hydrofobowych o średniej i dużej wielkości, takich jak tyrozyna , fenyloalanina i tryptofan .
Trombinopodobny
Należą do nich trombina , plazminogen aktywujący tkanki i plazmina . Stwierdzono, że odgrywają one rolę w krzepnięciu i trawieniu, a także w patofizjologii zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak otępienie wywołane chorobą Alzheimera i Parkinsona.
Elastase-jak
Proteazy podobne do elastazy mają znacznie mniejszy rozszczep S1 niż proteazy podobne do trypsyny lub chymotrypsyny. W konsekwencji preferowane są reszty takie jak alanina , glicyna i walina .
Subtylizynopodobny
Subtylizyna jest proteazą serynową u prokariontów . Subtylizyna jest ewolucyjnie niepowiązana z klanem chymotrypsyny, ale ma ten sam mechanizm katalityczny, wykorzystujący triadę katalityczną do tworzenia nukleofilowej seryny . Jest to klasyczny przykład użyty do zilustrowania zbieżnej ewolucji , ponieważ ten sam mechanizm wyewoluował dwukrotnie niezależnie podczas ewolucji .
Mechanizm katalityczny
Głównym graczem w mechanizmie katalitycznym proteaz serynowych jest triada katalityczna. Triada znajduje się w miejscu aktywnym enzymu, gdzie zachodzi kataliza, i jest zachowana we wszystkich nadrodzinach enzymów proteazy serynowej. Triada jest skoordynowaną strukturą składającą się z trzech aminokwasów : His 57, Ser 195 (stąd nazwa „proteaza serynowa”) i Asp 102. Każdy z tych trzech kluczowych aminokwasów odgrywa zasadniczą rolę w zdolności proteaz do cięcia. Podczas gdy aminokwasy należące do triady znajdują się daleko od siebie w sekwencji białka, ze względu na fałdowanie, będą one bardzo blisko siebie w sercu enzymu. Szczególna geometria członów triady jest wysoce charakterystyczna dla ich specyficznej funkcji: wykazano, że położenie zaledwie czterech punktów triady charakteryzuje funkcję enzymu zawierającego.
W przypadku katalizy pojawia się uporządkowany mechanizm, w którym powstaje kilka półproduktów. Katalizę rozszczepiania peptydu można postrzegać jako katalizę ping-pong , w której wiąże się substrat (w tym przypadku rozszczepiany polipeptyd), uwalniany jest produkt (N-końcowa „połowa” peptydu), inny substrat wiąże się (w tym przypadku woda) i uwalniany jest inny produkt (C-końcowa „połowa” peptydu).
Każdy aminokwas w triadzie wykonuje w tym procesie określone zadanie:
- Serynowa posiada grupę -OH, które są w stanie działać jako nukleofil atakując karbonylowego węgla w scissile wiązania peptydowego substratu.
- Para elektronów na azocie histydynowym ma zdolność przyjmowania wodoru z grupy seryna -OH, koordynując w ten sposób atak wiązania peptydowego .
- Karboksylowa Grupa z kwasu asparaginowego z kolei wiązań wodorowych z histydyny , co atom azotu, wymienione powyżej znacznie bardziej elektroujemny .
Całą reakcję można podsumować w następujący sposób:
- W polipeptyd wiąże substrat do powierzchni seryny enzymu proteazy w taki sposób, przecinane wiązanie dodaje się do miejsca aktywnego enzymu z węglem karbonylowym tej związki umieszczony w pobliżu nukleofilowego seryny .
- W seryny ataki -OH karbonylo węgla i azotu w histydyny przyjmuje wodoru z OH w [] seryny i parę elektronów z podwójnym wiązaniu karbonylo ruchów tlenu do tlenu. W rezultacie powstaje tetraedryczny związek pośredni.
- Wiązanie łączące azot i węgiel w wiązaniu peptydowym jest teraz zerwane. Elektrony kowalencyjne tworzące to wiązanie poruszają się, aby zaatakować wodór histydyny , przerywając połączenie. Elektrony, które wcześniej przeniosły się z podwójnego wiązania karbonylowo- tlenowego, cofają się z ujemnego tlenu, aby odtworzyć wiązanie, tworząc związek pośredni acylo-enzym.
- Teraz do reakcji wchodzi woda. Woda zastępuje N-koniec rozszczepionego peptydu i atakuje węgiel karbonylowy . Po raz kolejny elektrony z wiązania podwójnego przemieszczają się do tlenu, czyniąc go ujemnym, ponieważ powstaje wiązanie między tlenem wody a węglem. Jest to koordynowane przez azot histydyny , która przyjmuje proton z wody. Ogólnie prowadzi to do powstania innego tetraedrycznego związku pośredniego.
- W końcowej reakcji wiązanie utworzone w pierwszym etapie między seryną a węglem karbonylowym porusza się, by zaatakować wodór, który właśnie nabyła histydyna . Węgiel karbonylowy z niedoborem elektronów ponownie tworzy podwójne wiązanie z tlenem. W rezultacie C-koniec peptydu jest teraz wyrzucany.
Dodatkowe efekty stabilizujące
Odkryto, że dodatkowe aminokwasy proteazy, Gly193 i Ser195 , biorą udział w tworzeniu tak zwanej dziury oksyanionowej . Zarówno Gly 193, jak i Ser 195 mogą oddawać szkieletowe wodory do tworzenia wiązań wodorowych. Gdy generowany jest tetraedryczny związek pośredni z etapu 1 i etapu 3, ujemny jon tlenu, po przyjęciu elektronów z podwójnego wiązania karbonylowego , pasuje idealnie do dziury oksyanionowej. W efekcie proteazy serynowe preferencyjnie wiążą stan przejściowy i faworyzowana jest ogólna struktura, obniżając energię aktywacji reakcji. To „preferencyjne wiązanie” jest odpowiedzialne za znaczną część wydajności katalitycznej enzymu.
Regulacja aktywności proteazy serynowej
Organizmy gospodarza muszą zapewnić odpowiednią regulację aktywności proteaz serynowych. Osiąga się to poprzez wymóg początkowej aktywacji proteazy i wydzielania inhibitorów.
Aktywacja zymogenu
Zymogeny są zwykle nieaktywnymi prekursorami enzymu. Gdyby enzymy trawienne były aktywne podczas syntezy, natychmiast zaczęłyby żuć syntetyzujące narządy i tkanki. Ostre zapalenie trzustki to taki stan, w którym dochodzi do przedwczesnej aktywacji enzymów trawiennych w trzustce, co prowadzi do samotrawienia (autolizy). Komplikuje to również badania pośmiertne , ponieważ trzustka często trawi się, zanim będzie można ją ocenić wizualnie.
Zymogeny to duże, nieaktywne struktury, które mają zdolność rozpadania się lub przemiany w mniejsze aktywowane enzymy. Różnica między zymogenami a aktywowanymi enzymami polega na tym, że miejsce aktywne katalizy zymogenów jest zniekształcone. W rezultacie polipeptyd substratowy nie może się skutecznie wiązać i proteoliza nie występuje. Dopiero po aktywacji, podczas której zmienia się konformacja i struktura zymogenu oraz otwiera się miejsce aktywne, może nastąpić proteoliza .
Zymogen | Enzym | Uwagi |
Trypsynogen | trypsyna | Gdy trypsynogen dostanie się do jelita cienkiego z trzustki, wydzieliny enteropeptydazy z błony śluzowej dwunastnicy rozszczepiają wiązanie peptydowe lizyna 15-izoleucyna 16 zymogenu. W rezultacie trypsynogen zymogenu rozkłada się na trypsynę. Przypomnijmy, że trypsyna jest również odpowiedzialna za rozszczepianie wiązań peptydowych lizyny , a zatem po wytworzeniu niewielkiej ilości trypsyny bierze udział w rozszczepianiu własnego zymogenu, wytwarzając jeszcze więcej trypsyny. Proces aktywacji trypsyny można zatem nazwać autokatalitycznym . |
Chymotrypsynogen | chymotrypsyna | Po rozszczepieniu wiązania Arg 15 - Ile 16 w zymogenie chymotrypsynogenu przez trypsynę, nowo wytworzona struktura zwana pi-chymotrypsyną ulega autolizie (samotrawienie), dając aktywną chymotrypsynę. |
Proelastaza | elastaza | Jest aktywowany przez rozszczepienie przez trypsynę. |
Jak widać, aktywacja trypsynogenu do trypsyny jest niezbędna, ponieważ aktywuje on własną reakcję, a także reakcję zarówno chymotrypsyny, jak i elastazy . Dlatego ważne jest, aby ta aktywacja nie nastąpiła przedwcześnie. Istnieje kilka środków ochronnych podejmowanych przez organizm, aby zapobiec samotrawieniu:
- Aktywacja trypsynogenu przez trypsynę jest stosunkowo powolna
- Zymogeny są przechowywane w granulkach zymogenu, kapsułkach, których ściany są uważane za odporne na proteolizę.
Zahamowanie
Istnieją pewne inhibitory, które przypominają tetraedryczny związek pośredni, a zatem wypełniają miejsce aktywne, uniemożliwiając prawidłowe działanie enzymu. W trzustce wytwarzana jest trypsyna, silny enzym trawienny. Inhibitory zapobiegają samotrawieniu samej trzustki.
Proteaz serynowych są sparowane z proteaz serynowych inhibitory , które wyłączają aktywność, gdy nie są już potrzebne.
Proteazy serynowe są hamowane przez różnorodną grupę inhibitorów , w tym syntetyczne inhibitory chemiczne do celów badawczych lub terapeutycznych, a także naturalne inhibitory białkowe. Jedna rodzina naturalnych inhibitorów zwanych „serpinami” (w skrócie inhibitory proteazy serynowej ) może tworzyć wiązanie kowalencyjne z proteazą serynową, hamując jej funkcję. Najlepiej zbadanymi serpinami są antytrombina i alfa 1-antytrypsyna , zbadane odpowiednio pod kątem ich roli w krzepnięciu / zakrzepicy i rozedmie / A1AT . Sztuczne nieodwracalne inhibitory drobnocząsteczkowe obejmują AEBSF i PMSF .
Rodzina inhibitorów peptydazy serynowej stawonogów , zwana pacifastyną , została zidentyfikowana u szarańczy i raków i może działać w układzie odpornościowym stawonogów .
Rola w chorobie
Mutacje mogą prowadzić do zmniejszonej lub zwiększonej aktywności enzymów. Może to mieć różne konsekwencje, w zależności od normalnej funkcji proteazy serynowej. Na przykład mutacje w białku C mogą prowadzić do niedoboru białka C i predysponować do zakrzepicy . Ponadto, niektóre proteazy odgrywają istotną rolę w aktywacji fuzji komórka-gospodarz-wirus przez pobudzanie białka Spike wirusa, aby pokazać białko zwane „białkiem fuzyjnym” ( TMPRSS2 aktywuje fuzję SARS-CoV-2 ).
Zastosowanie diagnostyczne
Oznaczanie poziomów proteazy serynowej może być przydatne w kontekście konkretnych chorób.
- Poziomy czynników krzepnięcia mogą być wymagane w diagnostyce stanów krwotocznych lub zakrzepowych.
- Elastazę kałową stosuje się do określenia aktywności zewnątrzwydzielniczej trzustki, np. w mukowiscydozie lub przewlekłym zapaleniu trzustki .
- Swoisty antygen gruczołu krokowego w surowicy jest stosowany w badaniach przesiewowych raka gruczołu krokowego , stratyfikacji ryzyka i monitorowaniu po leczeniu.
- Proteaza serynowa uwalniana przez komórki tuczne jest ważnym markerem diagnostycznym reakcji nadwrażliwości typu 1 (np. anafilaksji ). Bardziej użyteczna niż np. histamina ze względu na dłuższy okres półtrwania , co oznacza, że pozostaje w systemie przez klinicznie użyteczny okres czasu.
Zobacz też
- hydrolaza serynowa
- Proteaza
- Klan PA
- Ewolucja zbieżna
- Proteoliza
- triada katalityczna
- Mapa proteolizy
- Proteazy w angiogenezie
- Proteazy wewnątrzbłonowe
- Inhibitor proteazy (farmakologia)
- Inhibitor proteazy (biologia)
- TopFIND - baza danych o specyficzności proteaz, substratach, produktach i inhibitorach
- MEROPS - Baza danych grup ewolucyjnych proteaz
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Merops bazy danych online peptydaz i ich inhibitorów: seryny peptydazy
- Stanowisko proteaz seryny na Uniwersytecie Saint Louis (SLU)
- Serine+proteases w Narodowej Bibliotece Medycznej USA Medical Subject Headings (MeSH)