Цистеиновые протеазы
| Цистеиновая пептидаза | |
|---|---|
 ]Кристаллическая структура цистеиновой протеазы — папаина, в комплексе вместе со связанным ингибитором E-64. Предоставлено из PDB 1PE6 | |
| Идентификаторы | |
| Символ | Peptidase_C1 |
| Pfam | PF00112 |
| Pfam clan | CL0125 |
| InterPro | IPR000668 |
| SMART | SM00645 |
| PROSITE | PDOC00126 |
| MEROPS | C1 |
| SCOP | 1aec |
| SUPERFAMILY | 1aec |
| OPM superfamily | 420 |
| OPM protein | 1m6d |
| Доступные структуры белков | |
| Pfam | структуры |
| PDB | RCSB PDB; PDBe; PDBj |
| PDBsum | 3D-модель |
 Медиафайлы на Викискладе | |
Цистеиновые протеазы, также известные, как цистеиновые эндопептидазы или тиоловые протеазы (КФ 3.4.22) — группа протеолитических ферментов (эндопептидаз), расщепляющих белковые молекулы, на составляющие их аминокислоты, посредством гидролиза пептидной связи (протеолиза). В состав активного центра данных протеаз обязательно входит цистеин и их каталитическая активность зависит от сульфгидрильной или тиоловой группы (-SH-группа).
Цистеиновые протеазы обычно встречаются во фруктах, включая папайю, ананас, инжир и киви. Доля протеазы во фруктах зависит от зрелости, чем больше зрелость, тем меньше их содержится в плоде. Известно, что десятки латексов из различных семейств растений содержат цистеиновые протеазы[1]. Тиоловые протеазы используются в качестве основного компонента в мясных тендерайзерах (размягчителях).
Классификация[править | править код]
Система классификации протеаз MEROPS насчитывает 14 суперсемейств плюс несколько необозначенных семейств (с 2013 года), каждая из которых содержит большое количество семейств. Каждое надсемейство использует каталитическую триаду или диаду в разных белковых фолдах, и, таким образом, представляют собой конвергентную эволюцию каталитического механизма.
Для суперсемейств, P = суперсемейство, которое состоит из смесь семейств класса нуклеофилов, C = суперсемейство чисто цистеиновых протеаз. Внутри каждого суперсемейства, входящие в них семейства обозначаются каталитическим нуклеофилом (C = цистеинпротеазы).
В таблице указаны все суперсемейства цистеиновых протеаз:
| Суперсемейство | Семейство | Примеры |
|---|---|---|
| CA | C1, C2, C6, C10, C12, C16, C19, C28, C31, C32, C33, C39, C47, C51, C54, C58, C64,
C65, C66, C67, C70, C71, C76, C78, C83, C85, C86, C87, C93, C96, C98, C101 |
Папаин (Carica papaya)[2], бромелаин (Ananas comosus), катепсин K (печёночники)[3] и кальпаин (Homo sapiens)[4] |
| CD | C11, C13, C14, C25, C50, C80, C84 | Каспаза 1 (Rattus norvegicus) и сепараза (Saccharomyces cerevisiae) |
| CE | C5, C48, C55, C57, C63, C79 | Аденаин (аденовирус человека тип 2) |
| CF | C15 | Pyroglutamyl-peptidase I (Bacillus amyloliquefaciens) |
| CL | C60, C82 | Сортаза A (Staphylococcus aureus) |
| CM | C18 | Пептидаза-2 вируса гепатита C (вирус гепатита C) |
| CN | C9 | Sindbis virus-type nsP2 peptidase (sindbis virus) |
| CO | C40 | Dipeptidyl-peptidase VI (Lysinibacillus sphaericus) |
| CP | C97 | DeSI-1 пептидаза (Mus musculus) |
| PA | C3, C4, C24, C30, C37, C62, C74, C99 | TEV-протеазы (Вирус гравировки табака) |
| PB | C44, C45, C59, C69, C89, C95 | Предшественник амидофосфорибозилтрансферазы (Homo sapiens) |
| PC | C26, C56 | Gamma-glutamyl hydrolase (Rattus norvegicus) |
| PD | C46 | Hedgehog protein (Drosophila melanogaster) |
| PE | P1 | DmpA aminopeptidase (Ochrobactrum anthropi) |
| Необозначенные | C7, C8, C21, C23, C27, C36, C42, C53, C75 |
Механизм катализа[править | править код]
Первым шагом в механизме реакции, посредством которого цистеиновые протеазы катализируют гидролиз пептидных связей, является депротонизация тиола в активном центре фермента смежной аминокислотой с основной боковой цепью, обычно гистидиновым остатком. Следующим шагом является нуклеофильная атака анионной серы депротонированного цистеина на карбонильном атоме углерода основания. На этой стадии фрагмент субстрата высвобождается с аминовым концом, остаток гистидина в протеазе восстанавливается до депротонированной формы и образуется тиоэфирное промежуточное соединение, связывающее новый карбокси-конец субстрата с цистеиновым тиолом. Поэтому их также иногда называют тиол-протеазами. Затем тиоэфирную связь гидролизуют с образованием фрагмента карбоновой кислоты на оставшемся фрагменте субстрата при регенерации свободного фермента.
Регуляция[править | править код]
Протеазы обычно синтезируются в виде больших белков-предшественников, называемых зимогенами, примером служат предшественники сериновых протеаз трипсиноген и химотрипсиноген и пепсиноген, предшественник аспарагиновой протеазы. Протеаза активируется удалением ингибирующего сегмента или белка. Активация происходит, когда протеаза доставляется в конкретный внутриклеточный компартмент (например, в лизосому) или во внеклеточную среду (например, в просвет желудка). Данная система предотвращает повреждения клеток, которые продуцируют протеазу.
Ингибиторы протеаз обычно представляют собой белки с доменами, которые интернируют или блокируют активный сайт протеазы для предотвращения доступа к субстрату. При конкурентном ингибировании ингибитор связывается с активным центром, тем самым предотвращая взаимодействие фермента с субстратом. При неконкурентном ингибировании ингибитор связывается с аллостерическим сайтом, который изменяет конформацию активного сайта и, тем самым делает его недоступным для субстрата.
Примеры ингибиторов протеаз:
- Серпины
- Стефины
- Ингибиторы апоптоза.
Биологическая значимость[править | править код]
Цистеиновые протеазы играют многогранную роль, практически во всех аспектах физиологии и развития. В растениях они важны для роста и развития, а также для накопления и мобилизации белков хранения, таких как семена. Кроме того, они участвуют в сигнальных путях и в ответ на биотические и абиотические стрессы[5]. У людей и других животных они ответственны за старение и апоптоз (запрограммированную гибель клеток), иммунные ответы белков MHC класса II, прогормональный процессинг и ремоделирование внеклеточного матрикса, важные для развития костей. Способность макрофагов и других клеток мобилизовывать эластолитические цистеиновые протеазы на их поверхности в специализированных условиях может также приводить к ускоренной деградации коллагена и эластина в местах воспаления при таких заболеваниях, как атеросклероз и эмфизема[6]. Несколько вирусов (например, полиомиелита, гепатита С) экспрессируют весь свой геном в виде простого массивного полипептида и используют протеазу для расщепления его на функциональные единицы (например, протеазу вируса гравировки табака).
Применение[править | править код]
В качестве потенциальных фармацевтических препаратов[править | править код]
В настоящее время широко распространено использование цистеиновых протеаз в качестве одобренных и эффективных противогельминтных препаратов. Было обнаружено, что цистеиновые протеазы растений, выделенные из них, обладают высокой протеолитической активностью, которые, как известно, расщепляют (гидролизуют) кутикулу нематод и обладает очень низкой токсичностью[7]. Сообщалось об успешных результатах использования цистеиновых протеаз против нематод, таких как Heligmosomoides bakeri, Trichinella spiralis, Nippostrongylus brasiliensis, Trichuris muris и Ancylostoma ceylanicum; цепней — Rodentolepis microstoma, а также свиного скребня — паразита Macracanthorynchus hirundinaceus[8]. Полезным свойством цистеиновых протеаз является устойчивость к кислой среде желудка, что позволяет осуществлять их пероральное введение. Они представляют собой альтернативный механизм действия современным антигельминтикам, и развитие резистентности считается маловероятным, поскольку это потребует полного изменения структуры кутикулы гельминта.
Другое[править | править код]
Цистеиновые протеазы используются в качестве кормовых добавок для скота в качестве улучшителей усваиваемости белков и нуклеиновых кислот[9].
Примечания[править | править код]
- ↑ Domsalla A., Melzig M. F. Occurrence and properties of proteases in plant latices. (англ.) // Planta medica. — 2008. — Vol. 74, no. 7. — P. 699—711. — doi:10.1055/s-2008-1074530. — PMID 18496785.
- ↑ Mitchel R. E., Chaiken I. M., Smith E. L. The complete amino acid sequence of papain. Additions and corrections. (англ.) // The Journal of biological chemistry. — 1970. — Vol. 245, no. 14. — P. 3485—3492. — PMID 5470818.
- ↑ Sierocka I., Kozlowski L. P., Bujnicki J. M., Jarmolowski A., Szweykowska-Kulinska Z. Female-specific gene expression in dioecious liverwort Pellia endiviifolia is developmentally regulated and connected to archegonia production. (англ.) // BMC plant biology. — 2014. — Vol. 14. — P. 168. — doi:10.1186/1471-2229-14-168. — PMID 24939387.
- ↑ Sorimachi H., Ohmi S., Emori Y., Kawasaki H., Saido T. C., Ohno S., Minami Y., Suzuki K. A novel member of the calcium-dependent cysteine protease family. (англ.) // Biological chemistry Hoppe-Seyler. — 1990. — Vol. 371 Suppl. — P. 171—176. — PMID 2400579.
- ↑ Grudkowska M., Zagdańska B. Multifunctional role of plant cysteine proteinases (неопр.) // Acta Biochim. Pol.. — 2004. — Т. 51, № 3. — С. 609—624. — PMID 15448724. Архивировано 24 октября 2018 года.
- ↑ Chapman H.A., Riese R.J., Shi G.P. Emerging roles for cysteine proteases in human biology (англ.) // Annual Reviews : journal. — 1997. — Vol. 59. — P. 63—88. — doi:10.1146/annurev.physiol.59.1.63. — PMID 9074757.
- ↑ Stepek G., Behnke J.M., Buttle D.J., Duce I.R. Natural plant cysteine proteinases as anthelmintics? (англ.) // Trends : journal. — 2004. — July (vol. 20, no. 7). — P. 322—327. — doi:10.1016/j.pt.2004.05.003. — PMID 15193563.
- ↑ Behnke J.M., Buttle D.J., Stepek G., Lowe A., Duce I.R. Developing novel anthelmintics from plant cysteine proteinases (англ.) // Parasites & Vectors : journal. — 2008. — Vol. 1, no. 1. — P. 29. — doi:10.1186/1756-3305-1-29. — PMID 18761736. — PMC 2559997.
- ↑ O'Keefe, Terrence Protease enzymes improve amino acid digestibility. Wattagnet (6 апреля 2012). Дата обращения: 6 января 2018. Архивировано 23 сентября 2018 года.
