Сериновые эндопептидазы | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Кристаллическая структура бычьего химотрипсина. Каталитические остатки показаны желтыми полосками. Отображается из PDB 1CBW. | |||||||||
Идентификаторы | |||||||||
Номер EC | 3.4.21.- | ||||||||
Базы данных | |||||||||
IntEnz | IntEnz view | ||||||||
BRENDA | Запись BRENDA | ||||||||
ExPASy | Обзор NiceZyme | ||||||||
KEGG | Запись KEGG | ||||||||
MetaCyc | метаболический путь | ||||||||
PRIAM | профиль | ||||||||
PDB структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
|
Сериновые протеазы (или сериновые эндопептидазы ) - это ферменты, которые расщепляют пептидные связи в белках, в котором серин служит нуклеофильной аминокислотой в активном центре (фермента). Они повсеместно встречаются как у эукариот, так и у прокариот. Сериновые протеазы делятся на две широкие категории в зависимости от их структуры: химотрипсин -подобные (трипсиноподобные) или субтилизин -подобные.
Система классификации протеаз MEROPS насчитывает 16 суперсемейств (по состоянию на 2013 год), каждое из которых содержит множество семейств. Каждое суперсемейство использует каталитическую триаду или диаду в разной белковой складке и, таким образом, представляет конвергентную эволюцию каталитического механизма. Большинство из них принадлежит к семейству S1 клана PA (надсемейство) протеаз.
Для суперсемейства, P = суперсемейство, содержащее смесь семейств классов нуклеофилов, S = чисто сериновые протеазы. надсемейство. Внутри каждого суперсемейства семейства обозначаются их каталитическим нуклеофилом (S = сериновые протеазы).
Семейства сериновых протеаз
Надсемейство | Семейства | Примеры |
---|---|---|
SB | S8, S53 | Субтилизин (Bacillus licheniformis ) |
SC | S9, S10, S15, S28, S33, S37 | Пролилолигопептидаза (Sus scrofa ) |
SE | S11, S12, S13 | (Escherichia coli ) |
SF | S24, S26 | Сигнальная пептидаза I (Escherichia coli ) |
SH | S21, S73, S77, S78, S80 | Цитомегаловирус ассемблин (человеческий герпесвирус 5) |
SJ | S16, S50, S69 | Lon- Пептидаза (Escherichia coli ) |
SK | S14, S41, S49 | Clp протеаза (Escherichia coli ) |
SO | S74 | Эндосиалидаза фага K1F Саморасщепляющаяся CIMCD белок (энтеробактерии) |
SP | S59 | Нуклеопорин 145 (Homo sapiens ) |
SR | S60 | Лактоферрин (Homo sapiens ) |
SS | S66 | (Pseudomonas aeruginosa ) |
ST | S54 | Ромбовидный -1 (Drosophila melanogaster ) |
PA | S1, S3, S6, S7, S29, S30, S31, S32, S39, S46, S55, S64, S65, S75 | Химотрипсин A (Bos taurus ) |
PB | S45, S63 | Пенициллин G-ацилаза предшественник (Escherichia coli ) |
PC | S51 | Дипептидаза E (Escherichia coli ) |
PE | P1 | (Ochrobactrum anthropi ) |
не присвоено | S48, S62, S68, S71, S72, S79, S81 |
Сериновые протеазы характеризуются отличительной структурой, состоящей из двух бета-бочкообразных доменов, которые сходятся в каталитическом активном центре. Эти ферменты могут быть дополнительно разделены на трипсиноподобные, химотрипсиноподобные или эластазоподобные.
трипсиноподобные протеазы в зависимости от их субстратной специфичности расщеплять пептидные связи после положительно заряженной аминокислоты (лизин или аргинин ). Эта специфичность обусловлена остатком, который лежит в основе кармана S1 фермента (обычно отрицательно заряженная аспарагиновая кислота или глутаминовая кислота ).
Карман S1 химотрипсиноподобных ферментов более гидрофобен, чем у трипсиноподобных протеаз. Это приводит к специфичности для гидрофобных остатков среднего и большого размера, таких как тирозин, фенилаланин и триптофан.
К ним относятся тромбин, плазминоген, активирующий ткань, и плазмин. Было обнаружено, что они играют роль в коагуляции и пищеварении, а также в патофизиологии нейродегенеративных заболеваний, таких как деменция, вызванная болезнью Альцгеймера и Паркинсона.
Эластазоподобные протеазы имеют гораздо меньшую щель S1, чем трипсин- или химотрипсинподобные протеазы. Следовательно, предпочтительны такие остатки, как аланин, глицин и валин.
Субтилизин представляет собой сериновую протеазу в прокариотах. Субтилизин эволюционно не связан с кланом химотрипсина, но имеет тот же каталитический механизм с использованием каталитической триады для создания нуклеофильного серина. Это классический пример, используемый для иллюстрации конвергентной эволюции, поскольку один и тот же механизм развивался дважды независимо во время эволюции.
Основным действующим лицом в каталитическом механизме сериновых протеаз является каталитическая триада. Триада расположена в активном центре фермента, где происходит катализ, и сохраняется во всех суперсемействах ферментов сериновых протеаз. Триада представляет собой скоординированную структуру, состоящую из трех аминокислот : His 57, Ser 195 (отсюда и название «сериновая протеаза») и Asp 102. Каждая из этих трех ключевых аминокислот играет важную роль в расщепляющей способности протеаз. Хотя аминокислотные члены триады расположены далеко друг от друга в последовательности белка, из-за сворачивания они будут очень близко друг к другу в сердце фермента. Конкретная геометрия членов триады в высшей степени характерна для их конкретной функции: было показано, что положение всего четырех точек триады характеризует функцию содержащего фермент.
В случае катализа упорядоченный возникает механизм, при котором образуется несколько промежуточных продуктов. Катализ расщепления пептида можно рассматривать как катализ пинг-понг, при котором связывается субстрат (в данном случае расщепляемый полипептид), выделяется продукт ( N-конец «половина» пептида), связывается другой субстрат (в данном случае вода) и высвобождается другой продукт (C-концевая «половина» пептида).
Каждая аминокислота в триаде выполняет определенную задачу в этом процессе:
Всю реакцию можно резюмировать следующим образом:
Было обнаружено, что дополнительные аминокислоты протеазы, Gly 193 и Ser 195, участвуют в создании так называемой оксианионной дыры. И Gly 193, и Ser 195 могут отдавать атомы водорода основной цепи для образования водородных связей. Когда генерируется тетраэдрическое промежуточное соединение на этапах 1 и 3, отрицательный ион кислорода, приняв электроны от двойной связи карбонил, идеально вписывается в оксианионную дырку. Фактически, сериновые протеазы предпочтительно связывают переходное состояние, и общая структура благоприятна, что снижает энергию активации реакции. Это «предпочтительное связывание» во многом определяет каталитическую эффективность фермента.
Организмы-хозяева должны гарантировать, что активность сериновых протеаз адекватно регулируется. Это достигается за счет необходимости начальной активации протеазы и секреции ингибиторов.
Зимогены являются обычно неактивными предшественниками фермента. Если бы пищеварительные ферменты были активны при синтезе, они бы немедленно начали жевать синтезирующие органы и ткани. Острый панкреатит - это состояние, при котором происходит преждевременная активация пищеварительных ферментов поджелудочной железы, что приводит к самоперевариванию (автолизу). Это также усложняет патологоанатомическое исследование, поскольку поджелудочная железа часто переваривает себя, прежде чем ее можно будет оценить визуально.
Зимогены представляют собой большие неактивные структуры, которые обладают способностью разрушаться или превращаться в более мелкие активированные ферменты. Разница между зимогенами и активированными ферментами заключается в том, что активный центр катализа зимогенов искажен. В результате полипептид-субстрат не может эффективно связываться, и протеолиз не происходит. протеолиз может происходить только после активации, во время которой изменяются конформация и структура зимогена и открывается активный сайт.
Зимоген | Фермент | Примечания |
Трипсиноген | трипсин | Когда трипсиноген попадает в тонкий кишечник из поджелудочной железы, секреция энтеропептидазы из двенадцатиперстной кишки слизистая оболочка расщепляет лизин-15 - пептидную связь изолейцин 16 зимогена. В результате трипсиноген зимогена распадается на трипсин. Напомним, что трипсин также отвечает за расщепление пептидных связей лизина, и, таким образом, когда образуется небольшое количество трипсина, он участвует в расщеплении собственного зимогена, генерируя еще больше трипсина. Таким образом, процесс активации трипсина можно назвать автокаталитическим. |
химотрипсиногеном | химотрипсином | После того, как связь Arg 15 - Ile 16 в зимогене химотрипсиногена расщепляется трипсином, вновь сгенерированная структура называется пи-химотрипсином. подвергается автолизу (самопереваривание) с образованием активного химотрипсина. |
Проэластаза | эластаза | Активируется при расщеплении трипсином. |
Как можно видеть, активация трипсиногена трипсином важна, потому что он активирует свою собственную реакцию, а также реакцию химотрипсина и эластазы. Поэтому важно, чтобы эта активация не произошла преждевременно. Организм принимает несколько защитных мер для предотвращения самопереваривания:
Существуют определенные ингибиторы, которые напоминают тетраэдрический промежуточный продукт и, таким образом, заполняют активный сайт, препятствуя нормальной работе фермента. Трипсин, мощный пищеварительный фермент, вырабатывается в поджелудочной железе. Ингибиторы препятствуют самоперевариванию самой поджелудочной железы.
Сериновые протеазы сочетаются с ингибиторами сериновых протеаз , которые выключают свою активность, когда они больше не нужны.
Сериновые протеазы ингибируются различными группами ингибиторы, включая синтетические химические ингибиторы для исследовательских или терапевтических целей, а также природные белковые ингибиторы. Одно семейство природных ингибиторов, называемых «серпинами» (сокращенно от ингибиторов сериновой протеазы ), может образовывать ковалентную связь с сериновой протеазой, подавляя ее функцию. Наиболее изученными серпинами являются антитромбин и альфа-1-антитрипсин, их роль в коагуляции / тромбозе и эмфиземе. / A1AT соответственно. Искусственные необратимые низкомолекулярные ингибиторы включают AEBSF и PMSF.
Семейство ингибиторов серинпептидазы членистоногих, называемых пацифастин, было идентифицировано в саранча и раки, и могут функционировать в иммунной системе членистоногих .
Мутации могут приводить к снижению или повышению активности ферментов. Это может иметь разные последствия в зависимости от нормальной функции сериновой протеазы. Например, мутации в протеине C могут привести к дефициту протеина C и предрасположить к тромбозу. Кроме того, некоторые протеазы играют жизненно важную роль в активации слияния клетки-хозяина и вируса путем примирования белка Spike вируса, чтобы показать белок, названный «слитый белок» (TMPRSS2 активировать слияние SARS-CoV-2 ).
Определение уровней сериновой протеазы может быть полезно в контексте конкретных заболеваний.