Введение
Класс ферментов
Серин-протеазы (или серин-эндопептидазы) — это ферменты, которые расщепляют пептидные связи в белках. Серин выступает в качестве нуклеофильной аминокислоты в активном центре (фермента). Они широко распространены как у эукариот, так и у прокариот. Серин-протеазы делятся на две основные категории в зависимости от их структуры: химотрипсиноподобные (трипсиноподобные) или субтилизиноподобные.
Специфика субстрата
Серин-протеазы характеризуются отличительной структурой, состоящей из двух доменов β-бочкообразной формы, которые сходятся в каталитически активном центре. Эти ферменты можно дополнительно классифицировать в зависимости от специфичности к субстрату на трипсиноподобные, химотрипсиноподобные или эластазоподобные.
Трипсин-подобные
Трипсинподобные протеазы расщепляют пептидные связи после положительно заряженной аминокислоты (лизина или аргинина). Эта специфичность определяется остатком, расположенным в основании S1-кармана фермента (как правило, отрицательно заряженной аспарагиновой или глутаминовой кислотой).
Химотрипсиноподобные
S1 карман химотрипсиноподобных ферментов более гидрофобен, чем S1 карман трипсиноподобных протеаз. Это обуславливает специфичность к гидрофобным остаткам среднего и большого размера, таким как тирозин, фенилаланин и триптофан.
Тромбиноподобные
К ним относятся тромбин, тканевой активатор плазминогена и плазмин. Было обнаружено, что они участвуют в свертывании крови и пищеварении, а также в патофизиологии нейродегенеративных заболеваний, таких как деменция, вызванная болезнью Альцгеймера и болезнью Паркинсона. Многие высокотоксичные серинпротеазные изоформы, подобные тромбину, содержатся в ядах змей.
Эластазоподобные
Эластазоподобные протеазы имеют значительно более узкую S1-щель, чем трипсиноподобные или химотрипсиноподобные протеазы. В результате, такие аминокислотные остатки, как аланин, глицин и валин, как правило, предпочтительны.
Субтилизиноподобные
Субтилизин – серинпротеаза, встречающаяся у прокариот. Субтилизин не имеет эволюционного родства с кланом химотрипсинов, однако использует аналогичный каталитический механизм, основанный на каталитической триаде, для формирования нуклеофильного серина. Это классический пример, иллюстрирующий конвергентную эволюцию, поскольку один и тот же механизм возник дважды независимо в ходе эволюции.
Дополнительные стабилизационные эффекты
Было обнаружено, что дополнительные аминокислоты протеазы, Gly 193 и Ser 195, участвуют в формировании так называемого оксианионного отверстия. И Gly 193, и Ser 195 способны отдавать атомы водорода своей пептидной цепи для образования водородных связей. Когда образуется тетраэдрический интермедиат на этапах 1 и 3, отрицательно заряженный ион кислорода, принявший электроны от карбонильной двойной связи, идеально помещается в оксианионное отверстие. Таким образом, серинпротеазы избирательно связывают переходное состояние, стабилизируя общую структуру и снижая энергию активации реакции. Это "избирательное связывание" обеспечивает значительную часть каталитической эффективности фермента.
Регулирование активности серинпротеазы
Организмы-хозяева должны обеспечивать адекватное регулирование активности сериновых протеаз. Это достигается благодаря необходимости начальной активации протеаз и секреции ингибиторов.
Ингибирование
Существуют определенные ингибиторы, которые структурно схожи с тетраэдрическим промежуточным комплексом и, таким образом, занимают активный центр, препятствуя нормальной работе фермента. Трипсин, мощный пищеварительный фермент, синтезируется в поджелудочной железе. Ингибиторы предотвращают самопереваривание самой поджелудочной железы. Серинпротеазы работают в паре с ингибиторами серинпротеаз, которые выключают их активность, когда она больше не требуется. Серинпротеазы ингибируются разнообразным спектром ингибиторов, включая синтетические химические ингибиторы для исследовательских или терапевтических целей, а также природные белковые ингибиторы. Одно семейство природных ингибиторов, называемое "серпинами" (аббревиатура от ингибиторов серинпротеаз), способно образовывать ковалентную связь с серинпротеазой, подавляя ее функцию. Наиболее изученными серпинами являются антитромбин и альфа-1 антитрипсин, исследуемые в связи с их ролью в коагуляции/тромбозе и эмфиземе/дефиците A1AT соответственно. К искусственным необратимым ингибиторам малых молекул относятся AEBSF и PMSF. Семейство ингибиторов серинпептидаз у членистоногих, называемое пацифастином, было обнаружено у саранчи и раков и предположительно участвует в иммунной системе членистоногих.
Роль в болезни
Мутации могут приводить к снижению или увеличению активности ферментов. Это может иметь различные последствия, в зависимости от нормальной функции серинпротеазы. Например, мутации в белке C могут приводить к дефициту белка C и предрасполагать к тромбозу. Также некоторые протеазы играют важную роль в активации слияния вируса с клеткой-хозяином, подготавливая S-белок вируса для проявления "сливающегося белка" (TMPRSS2 активирует слияние SARS-CoV-2). Экзогенные серинпротеазы змеиного яда вызывают широкий спектр коагулопатий при введении в организм хозяина из-за отсутствия регуляции их активности.