Кіріспе
Басқа белоктарды кіші пептидтерге бөліп ыдырататын фермент. Протеаза (пептидаза, протеиназа немесе протеолиттік фермент деп те аталады) – протеолизді катализдейтін, ақуыздарды кіші полипептидтерге немесе жекелеген аминқышқылдарына бөліп, жаңа ақуыз өнімдерінің түзілуін күшейтетін фермент. Олар бұл жұмысты судың көмегімен байланыстарды үзу арқылы жүзеге асырады – гидролиз, яғни судың байланыстарды бұзу реакциясы арқылы белоктердегі пептидтік байланыстарды кеседі. Протеаздар көптеген биологиялық процестерге қатысады, оның ішінде қабылдаған ақуыздардың қорытылуы, ақуыз катаболизмі (ескі ақуыздардың ыдырауы) және жасушалық сигнализация. Функционалдық жылдамдатқыштардың болмауы жағдайында протеолиз өте баяу болады, жүздеген жылдарға созылуы мүмкін. Протеаздар барлық тіршілік нысандары мен вирустарда кездеседі. Олар бірнеше рет тәуелсіз түрде пайда болды, және әртүрлі протеаза кластары бірдей реакцияны мүлдем басқа каталитикалық механизмдер арқылы орындай алады.
A protease (also called a peptidase, proteinase, or proteolytic enzyme) is an enzyme that catalyzes proteolysis, breaking down proteins into smaller polypeptides or single amino acids, and spurring the formation of new protein products. They do this by cleaving the peptide bonds within proteins by hydrolysis, a reaction where water breaks bonds. Proteases are involved in numerous biological pathways, including digestion of ingested proteins, protein catabolism (breakdown of old proteins), and cell signaling. In the absence of functional accelerants, proteolysis would be very slow, taking hundreds of years. Proteases can be found in all forms of life and viruses. They have independently evolved multiple times, and different classes of protease can perform the same reaction by completely different catalytic mechanisms.
Ферменттік функция және механизм
Протеаздар аминқышқылдарының қалдықтарын байланыстыратын пептидтік байланыстарды бөліп, ұзақ ақуыз тізбектерін қысқарақ фрагменттерге ыдыратады. Бір түрлері ақуыз тізбегінен терминалды аминқышқылдарын айырып шығарады (экзопептидазалар, мысалы, аминопептидазалар, карбоксипептидаза А), ал екіншілері ақуыздың ішкі пептидтік байланыстарын кеседі (эндопептидазалар, мысалы, трипсин, химотрипсин, пепсин, папаин, эластаза).
Өзіндік ерекшелігі
Протеолиз өте кең спектрлі болуы мүмкін, нәтижесінде көптеген белок субстраттары гидролизденеді. Бұл трипсин сияқты ас қорыту ферменттеріне тән, олардың жұтылған ақуыздарды кіші пептидтік фрагменттерге бөлуге қабілетті болуы керек. Көптеген белоктарды таңдамайтын протеазалар әдетте субстраттағы бір ғана аминқышқылымен байланысады, сондықтан олардың таңдамалығы тек сол қалдыққа ғана қатысты болады. Мысалы, трипсин K\ немесе R\ ('\'=жарылу орны) тізбектеріне қатысты таңдамалы. Керісінше, кейбір протеазалар өте таңдамалы болады және тек белгілі бір тізбектердегі субстраттарды ғана кеседі. Қан ұю (мысалы, тромбин) және вирус полипротеиндерін өңдеу (мысалы, TEV протеазасы) дәл кесу оқиғаларын қамтамасыз ету үшін осы деңгейдегі таңдамалылықты қажет етеді. Бұл протеазалардың бірнеше қалталары бар ұзын байланысу ойығы немесе туннелі арқылы жүзеге асырылады, олар белгілі бір қалдықтармен байланысады. Мысалы, TEV протеазасы ENLYFQ\S ('\'=жарылу орны) тізбегіне қатысты таңдамалы.
Деградация және автолиз
Протеаздар, өзі де ақуыздар болатындықтан, басқа протеаз молекулаларымен, кейде бірдей түрімен кесіледі. Бұл протеаздың активтілігін реттеу механизмі болып табылады. Кейбір протеаздар автолизден кейін аз активті болады (мысалы, TEV протеазасы), ал басқалары көбірек активті болады (мысалы, трипсиноген).
Протеазалардың биологиялық әртүрлілігі
Протеаздар барлық организмдерде кездеседі – прокариоттардан еукариоттарға және вирустарға дейін. Бұл ферменттер тамақ ақуыздарын қарапайым түрде қорытудан бастап, күрделі реттелетін каскадтарға дейін (мысалы, қан ұю каскады, комплемент жүйесі, апоптоз жолдары және жұмырқакөздердің профенолоксидазасын белсендіру каскады) көптеген физиологиялық реакцияларға қатысады. Протеаздар белоктың аминқышқылдық тізбегіне байланысты нақты пептидтік байланыстарды (шектеулі протеолиз) бөліп жіберуге немесе пептидті аминқышқылдарына толыққанды ыдыратуға (шексіз протеолиз) қабілді. Бұл белсенділік құрылымды бұзу (белоктың қызметін жою немесе оны құраушы бөліктеріне дейін ыдырату), функцияны белсендіру немесе сигналдық жолдардағы сигнал бола алады.
cascade, the complement system, apoptosis pathways, and the invertebrate prophenoloxidase activating cascade). Proteases can either break specific peptide bonds (limited proteolysis), depending on the amino acid sequence of a protein, or completely break down a peptide to amino acids (unlimited proteolysis). The activity can be a destructive change (abolishing a protein's function or digesting it to its principal components), it can be an activation of a function, or it can be a signal in a signalling pathway.
Өсімдіктер
Өсімдік геномдары жүздеген протеазаларды кодтайды, олардың көпшілігінің функциясы белгісіз. Функциясы белгілі протеазалар көбінесе даму процесін реттеуге қатысады. Өсімдік протеазалары фотосинтездік процесті реттеуде де маңызды рөл атқарады.
Жануарлар
Протеаздар организмде әртүрлі метаболизм процестерінде қолданылады. Асқазанға секрецияланатын қышқыл протеаздар (мысалы, пепсин) және он екі елі ішегіндегі серин протеаздары (трипсин және химотрипсин) бізге тамақтағы ақуызды қорытуға мүмкіндік береді. Қан сарысуында кездесетін протеаздар (тромбин, плазмин, Хагеман факторы және т.б.) қан ұю процесінде, ұюдың лизисінде және иммундық жүйенің дұрыс жұмыс істеуінде маңызды рөл атқарады. Лейкоциттердегі басқа протеаздар (эластаза, G катепсині) метаболизмді бақылауда әртүрлі рөлдер атқарады. Кейбір жылан улары да протеаздар болып табылады, мысалы, шұңқыр жыланның гемотоксині, ол құрбанның қан ұю каскадына кедергі келтіреді. Протеаздар гормондар, антиденелер немесе басқа ферменттер сияқты маңызды физиологиялық қызмет атқаратын басқа ақуыздардың өмір сүру мерзімін анықтайды. Бұл организм физиологиясындағы ең жылдам "қосу" және "өшіру" реттеуші механизмдерінің бірі. Күрделі кооперативтік әрекет арқылы протеаздар каскадтық реакцияларды катализдей алады, нәтижесінде организмнің физиологиялық сигналға жауабы жылдам және тиімді күшейеді.
Бактериялар
Бактериялар протеиндердегі пептидтік байланыстарды гидролиздеу үшін протеазаларды бөліп шығарады, соның салдарынан протеиндерді құрамына кіретін аминқышқылдарына дейін ыдыратады. Бактериялық және саңырауқұлақтық протеазалар ақуыздарды қайта өңдеудегі жаһандық көміртек және азот айналымы үшін аса маңызды, ал осындай белсенділік осы организмдердегі қоректік сигналдармен реттеледі. Топырақтағы мыңдаған түрлер арасында протеаза белсенділігін қоректік заттармен реттеудің жалпы әсерін микробтық қоғамдастықтың деңгейінде байқауға болады, себебі белоктар көміртек, азот немесе күкірт тапшылығына жауап ретінде ыдырайды. Бактериялар ақуыздың жалпы сапасын бақылауға жауапты протеазаларды (мысалы, AAA+ протеазомасын) қамтиды, олар бұзылған немесе дұрыс бүгілмеген ақуыздарды ыдыратады. Секреттелетін бактериялық протеаза экзотоксин ретінде де әрекет ете алады және бактериялық патогенезде вируленттілік факторының мысалы болуы мүмкін (мысалы, эксфолиативті токсин). Бактериялық экзотоксикалық протеазалар жасушадан тыс құрылымдарды жояды.
Вирустар
Кейбір вирустардың геномдары бір үлкен полибелокты кодтайды, оны функционалдық бөліктерге жіктеу үшін протеаза қажет (мысалы, гепатит С вирусы және пикорнавирустар). Бұл протеазалар (мысалы, TEV протеазасы) жоғары таңдаулылыққа ие және өте шектеулі субстрат тізбектерін ғана кеседі. Сондықтан олар протеаза ингибиторларының жиі кездесетін нысанасы болып табылады.
Археялар
Археялар жасушалық сигнализация, метаболизм, секреция және ақуыз сапасын бақылау сияқты әртүрлі жасушалық процестерді реттеу үшін протеазаларды пайдаланады. Археяларда тек екі АТФ-ге тәуелді протеаза табылады: мембранамен байланысқан LonB протеазасы және ерігіш 20S протеасомалық кешені. Протеазалар өнеркәсіпте, медицинада және негізгі биологиялық зерттеу құралы ретінде қолданылады. Ас қорыту протеазалары көптеген кір жуғыш заттардың құрамына кіреді және нан өндірісінде нанның сапасын жақсартушы ретінде кеңінен қолданылады. Әртүрлі протеазалар медицинада олардың табиғи функциялары үшін (мысалы, қан ұюын бақылау) немесе толыққанды жасанды функциялары үшін (мысалы, патогенді ақуыздарды бағытталған түрде ыдырату үшін) қолданылады. TEV протеазасы және тромбин сияқты жоғары селективті протеазалар біріктірілген ақуыздар мен аффиниттік таңбаларды бақыланатын түрде кесу үшін жиі қолданылады. Вегетариандық пепсин деп аталатын өсімдіктерден алынған протеазалар жүздеген жылдар бойы Еуропа мен Таяу Шығыста кошер және халал ірімшік жасау үшін қолданылып келеді. Withania coagulans өсімдігінен алынған құрт мыңдаған жылдар бойы Үнді субконтинентінде Аюрведада ас қорыту және қант диабетіне ем ретінде қолданылып келеді. Ол сондай-ақ панир жасауға да қолданылады.
Ингибиторлар
Протеазалардың активтілігі протеаза ингибиторларымен тежеледі. Протеаза ингибиторларының бір мысалы – серпин суперайылы. Оған альфа-1 антитрипсин (ағзаны өз қабыну протеазаларының артық әсерінен қорғайды), альфа-1 антихимотрипсин (сол сияқты әрекет етеді), С1 ингибиторы (ағзаны өз комплемент жүйесінің протеазалармен шақырылған артық белсенділігінен қорғайды), антитромбин (ағзаны артық коагуляциядан қорғайды), плазминоген активаторының ингибиторы 1 (протеазалармен шақырылған фибринолизді тоқтату арқылы ағзаны жеткіліксіз коагуляциядан қорғайды) және нейросерпин кіреді. Табиғи протеаза ингибиторларына липокалин ақуыздарының отбасы жатады, олар жасушаларды реттеу және дифференциациялауда маңызды рөл атқарады. Липокалин ақуыздарына бекітілген липофильді лигандтардың ісікке қарсы протеазаларды тежеу қасиеттері бар екені анықталды. Табиғи протеаза ингибиторларын антиретровирустық терапияда қолданылатын протеаза ингибиторларымен шатастырмау керек. Кейбір вирустар, соның ішінде ЖИТС/АИДС, өмірлік циклында протеазаларға тәуелді. Сондықтан, протеаза ингибиторлары вирустық емдік заттар ретінде жасалған. Басқа табиғи протеаза ингибиторлары қорғаныс механизмі ретінде қолданылады. Көптеген өсімдіктердің тұқымдарында кездесетін трипсин ингибиторлары оның кең таралған мысалы, ал адам үшін ең танымал соя – маңызды азық өнімі, ол жануарларды қорғау үшін әрекет етеді. Шикі соя, құрамындағы протеаза ингибиторлары денатурацияланғанға дейін, көптеген жануарлар үшін, соның ішінде адамдар үшін де уытты болып табылады.