Введение

Энзим, который расщепляет другие белки на более мелкие пептиды.

Протеаза (также называемая пептидазой, протеиназой или протеолитическим ферментом) – это фермент, который катализирует протеолиз, расщепляя белки на меньшие полипептиды или отдельные аминокислоты и способствуя образованию новых белковых продуктов. Они осуществляют это, разрывая пептидные связи внутри белков посредством гидролиза – реакции, в которой вода разрывает связи. Протеазы участвуют в многочисленных биологических путях, включая переваривание потребленных белков, катаболизм белков (разложение старых белков) и клеточную сигнализацию. Без функциональных катализаторов протеолиз протекал бы крайне медленно, занимая сотни лет. Протеазы встречаются во всех формах жизни и вирусах. Они независимо эволюционировали многократно, и различные классы протеаз могут выполнять одну и ту же реакцию с помощью совершенно различных каталитических механизмов.

Функция и механизм ферментации

Протеазы участвуют в расщеплении длинных белковых цепей на более короткие фрагменты, разрывая пептидные связи между аминокислотными остатками. Некоторые отщепляют концевые аминокислоты от белковой цепи (экзопептидазы, такие как аминопептидазы, карбоксипептидаза А), другие расщепляют внутренние пептидные связи в белке (эндопептидазы, такие как трипсин, химотрипсин, пепсин, папаин, эластаза).

Специфика

Протеолиз может быть крайне неспецифичным, в результате чего гидролизуется широкий спектр белковых субстратов. Это характерно для пищеварительных ферментов, таких как трипсин, которым необходимо расщеплять множество потребляемых белков на более мелкие пептидные фрагменты. Неспецифичные протеазы обычно связываются с одной аминокислотой в субстрате и, следовательно, обладают специфичностью только к этому остатку. Например, трипсин специфичен к последовательностям K\ или R\ ('\'=сайт расщепления). Напротив, некоторые протеазы обладают высокой специфичностью и расщепляют только субстраты с определенной последовательностью. Свертывание крови (например, тромбин) и процессинг вирусных полипротеинов (например, протеазой TEV) требуют такого уровня специфичности для обеспечения точного расщепления. Это достигается за счет того, что протеазы имеют длинную связывающую щель или туннель с несколькими углублениями, которые связываются с определенными остатками. Например, протеаза TEV специфична к последовательности ENLYFQ\S ('\'=сайт расщепления).

Деградация и автолиз

Протеазы, будучи сами белками, расщепляются другими молекулами протеаз, иногда того же типа. Это служит способом регуляции активности протеаз. Некоторые протеазы становятся менее активными после автолиза (например, TEV-протеаза), в то время как другие – более активными (например, трипсиноген).

Биоразнообразие протеаз

Протеазы встречаются во всех организмах, от прокариотов до эукариотов и вирусов. Эти ферменты участвуют в огромном количестве физиологических реакций – от простого переваривания белков пищи до строго регулируемых каскадов (например, каскада свертывания крови, системы комплемента, путей апоптоза и каскада активации профенолоксидазы у беспозвоночных). Протеазы могут расщеплять специфические пептидные связи (ограниченный протеолиз), в зависимости от аминокислотной последовательности белка, или полностью расщеплять пептид до аминокислот (неограниченный протеолиз). Их активность может приводить к деструктивным изменениям (уничтожению функции белка или его расщеплению на составные части), активации функции или служить сигналом в сигнальном пути.

Растения

В геномах растений закодированы сотни протеаз, функции большинства из которых остаются неизвестными. Те, чьи функции известны, в основном участвуют в регуляции развития. Растительные протеазы также играют роль в регуляции фотосинтеза.

Животные

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), обеспечивают переваривание белков в пище. Протеазы, присутствующие в сыворотке крови (тромбин, плазмин, фактор Хагемана и др.), играют важную роль в свертывании крови, а также в лизисе образовавшихся сгустков и правильном функционировании иммунной системы. Другие протеазы содержатся в лейкоцитах (эластаза, катепсин G) и выполняют множество различных функций в регуляции обмена веществ. Некоторые змеиные яды также представляют собой протеазы, например, гемотоксин гремучих змей, и вмешиваются в каскад свертывания крови у жертвы. Протеазы определяют срок жизни других белков, выполняющих важные физиологические роли, такие как гормоны, антитела или другие ферменты. Это один из самых быстрых механизмов регуляции "включения" и "выключения" в физиологии организма. Благодаря сложному кооперативному действию, протеазы могут катализировать каскадные реакции, приводящие к быстрому и эффективному усилению ответа организма на физиологический сигнал.

Бактерии

Бактерии выделяют протеазы для гидролиза пептидных связей в белках и, таким образом, расщепляют белки до составляющих их аминокислот. Бактериальные и грибковые протеазы играют особенно важную роль в глобальных циклах углерода и азота, обеспечивая переработку белков, и эта активность обычно регулируется питательными сигналами в этих организмах. Суммарное влияние регуляции активности протеаз под воздействием питательных веществ среди тысяч видов, присутствующих в почве, можно наблюдать на уровне всего микробного сообщества, поскольку распад белков происходит в ответ на дефицит углерода, азота или серы. Бактерии содержат протеазы, отвечающие за общий контроль качества белков (например, протеасому AAA+), осуществляя деградацию развернутых или неправильно свернутых белков. Выделяемая бактериальная протеаза также может выступать в роли экзотоксина и являться примером фактора вирулентности при бактериальной патогенезе (например, эксфолиативный токсин). Бактериальные экзотоксические протеазы разрушают внеклеточные структуры.

Вирусы

Геном некоторых вирусов кодирует один массивный полипротеин, который требует протеазы для расщепления на функциональные единицы (например, вирус гепатита С и пикорнавирусы). Эти протеазы (например, TEV-протеаза) обладают высокой специфичностью и расщепляют лишь очень ограниченный набор последовательностей субстратов. Поэтому они часто являются мишенью для ингибиторов протеаз.

Археи

Археи используют протеазы для регуляции различных клеточных процессов, таких как клеточная сигнализация, метаболизм, секреция и контроль качества белков. В археях обнаружено всего две АТФ-зависимые протеазы: мембранный протеаза LonB и растворимый 20S-протеосомный комплекс. Протеазы используются в промышленности, медицине и как основной инструмент для биологических исследований. Пищеварительные протеазы входят в состав многих стиральных порошков и широко применяются в хлебопекарной промышленности в качестве улучшителей хлеба. Различные протеазы применяются в медицине как для выполнения их естественной функции (например, контроля свертывания крови), так и для совершенно искусственных целей (например, для направленного разрушения патогенных белков). Высокоспецифичные протеазы, такие как TEV-протеаза и тромбин, обычно используются для контролируемого расщепления белковых фузий и аффинных меток. Растительные растворы, содержащие протеазы, известные как вегетарианский фермент, на протяжении сотен лет используются в Европе и на Ближнем Востоке для производства кошерных и халяльных сыров. Вегетарианский фермент из Withania coagulans использовался на протяжении тысяч лет в качестве аюрведического средства для улучшения пищеварения и лечения диабета на Индийском субконтиненте. Он также используется для приготовления панира.

Ингибиторы

Активность протеаз ингибируется ингибиторами протеаз. Одним из примеров ингибиторов протеаз является суперсемейство серпинов. Оно включает альфа-1 антитрипсин (который защищает организм от избыточного воздействия собственных воспалительных протеаз), альфа-1 антихимотрипсин (который действует аналогичным образом), ингибитор C1 (который защищает организм от избыточной активации собственной системы комплемента, вызванной протеазой), антитромбин (который защищает организм от избыточной коагуляции), ингибитор активатора плазминогена 1 (который защищает организм от недостаточной коагуляции, блокируя фибринолиз, вызванный протеазой), и нейросерпин. Природные ингибиторы протеаз включают семейство липокалиновых белков, которые играют роль в регуляции и дифференцировке клеток. Липофильные лиганды, связанные с липокалиновыми белками, обладают свойствами ингибирования опухолевых протеаз. Не следует путать естественные ингибиторы протеаз с ингибиторами протеаз, используемыми в антиретровирусной терапии. Некоторые вирусы, в том числе ВИЧ/СПИД, зависят от протеаз в своем репродуктивном цикле. Таким образом, ингибиторы протеаз разрабатываются как противовирусные терапевтические средства. Другие природные ингибиторы протеаз используются в качестве защитных механизмов. Распространенными примерами являются ингибиторы трипсина, содержащиеся в семенах некоторых растений, наиболее известными для человека являются соевые бобы – важная пищевая культура, где они действуют, чтобы отпугнуть хищников. Сырые соевые бобы токсичны для многих животных, включая человека, пока содержащиеся в них ингибиторы протеаз не будут денатурированы.