Цистеиновые протеазы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Цистеиновая пептидаза
Papain enzyme.png
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

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. В состав 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 ингредиента 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 складках, 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]

Реакционный механизм, опосредованный цистеиновой протеазой путём расщепления пептидной связи.

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]

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, прогормоновая обработка 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; цепнейRodentolepis 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 обеспечивают альтернативный механизм воздействия на современные антигельминтики, и развитие резистентности считается маловероятным, поскольку оно потребует полного изменения структуры кутикулы гельминтов.

Примечания[править | править код]

  1. 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. [исправить]
  2. 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. [исправить]
  3. 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. [исправить]
  4. 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. [исправить]
  5. Grudkowska M, Zagdańska B (2004). “Multifunctional role of plant cysteine proteinases” (PDF). Acta Biochim. Pol. 51 (3): 609—24. PMID 15448724.
  6. Chapman HA, Riese RJ, Shi GP (1997). “Emerging roles for cysteine proteases in human biology”. Annu. Rev. Physiol. 59: 63—88. DOI:10.1146/annurev.physiol.59.1.63. PMID 9074757.
  7. Stepek G, Behnke JM, Buttle DJ, Duce IR (July 2004). “Natural plant cysteine proteinases as anthelmintics?”. Trends Parasitol. 20 (7): 322—7. DOI:10.1016/j.pt.2004.05.003. PMID 15193563.
  8. Behnke JM, Buttle DJ, Stepek G, Lowe A, Duce IR (2008). “Developing novel anthelmintics from plant cysteine proteinases”. Parasit Vectors. 1 (1): 29. DOI:10.1186/1756-3305-1-29. PMC 2559997. PMID 18761736.