Сериновая протеаза
| Сериновая протеаза | |||
|---|---|---|---|
 Кристаллическая структура бычьего химотрипсина. Каталитические остатки показаны в виде желтых палочек. Рендерирован из PDB 1CBW . | |||
| Идентификаторы | |||
| ЕС №. | 3.4.21.- | ||
| Базы данных | |||
| Intenz | Intenz View | ||
| Бренда | Бренда вход | ||
| Расширение | Вид Nicezyme | ||
| Кегг | Кегг вход | ||
| Метатический | Метаболический путь | ||
| Напрямую | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBE PDBSUM | ||
| |||
Сериновые протеазы (или сериновые эндопептидазы ) представляют собой ферменты , которые расщепляют пептидные связи в белках . Serine служит нуклеофильной аминокислотой (ферментах) на активном участке . [ 1 ] Они встречаются повсеместно как у эукариот , так и у прокариот . Сериновые протеазы делятся на две широкие категории, основанные на их структуре: химотрипсин -подобный (трипсин -подобный) или субтилизин -подобный. [ 2 ]
Классификация
[ редактировать ]Система классификации протеазы Merops насчитывает 16 суперсемейств (по состоянию на 2013 год), каждый из которых содержит много семей . Каждое суперсемейство использует каталитическую триаду или диаду в другой белковой складке и, таким образом, представляет конвергентную эволюцию каталитического механизма . Большинство принадлежат к семейству S1 клана PA (суперсемейство) протеаз.
Для суперсемейств P: суперсемейство, содержащая смесь семейств классов нуклеофилов , S: чисто сериновые протеазы. суперсемейство. В каждом суперсемействе семейства обозначаются их каталитическим нуклеофилом (S: сериновые протеазы).
| Супер- семья |
Семьи | Примеры |
|---|---|---|
| Сб | S8, S53 | Субтилизин ( Bacillus licheniformis ) |
| В | S9, S10, S15, S28, S33, S37 | Пролилолигопептидеаз ( SUS Scrofa ) |
| С | S11, S12, S13 | D-ALA-D-ALA-пептидаза C ( Escherichia coli ) |
| SF | S24, S26 | Сигнальная пептидаза I ( Escherichia coli ) |
| Шнур | S21, S73, S77, S78, S80 | Cytomegalovirus Assemblin (человеческий герпесвирус 5) |
| SJ | S16, S50, S69 | Lon-A пептидаза ( Escherichia coli ) |
| Скандал | S14, S41, S49 | CLP -протеаза ( Escherichia coli ) |
| ТАК | S74 | Фаг K1F Эндосиалидаза CIMCD Самоочищенный белок (Enterobacteria phage k1f ) |
| Шрифт | S59 | Нуклеопорин 145 ( Homo sapiens ) |
| Старший | S60 | Lactoferrin ( Homo sapiens ) |
| SS | S66 | Murein Tetrapeptidase LD-карбоксипептидаза ( Pseudomonas aeruginosa ) |
| Ул | S54 | Rhomboid -1 ( Drosophila melanogaster ) |
| Затем | S1, S3, S6, S7, S29, S30, S31, S32, S39, S46, S55, S64, S65, S75 |
Химотрипсин А ( BOS TAURUS ) |
| Пб | S45, S63 | Penicillin G Acylase Precursor ( Escherichia coli ) |
| ПК | S51 | Дипептидаза и ( Escherichia coli ) |
| НА | П1 | DMPA -аминопептидаза ( Brucella antrophi ) |
| Никто | S48, S62, S68, S71, S72, S79, S81 |
Субстратная специфичность
[ редактировать ]Сериновые протеазы характеризуются отличительной структурой, состоящей из двух бета-бортовых доменов, которые сходятся в каталитическом активном участке. Эти ферменты могут быть дополнительно классифицированы на основе их субстратной специфичности как либо трипсиноподобного, химотрипсин-подобного или эластазоподобного. [ 5 ]
Трипсин
[ редактировать ]Трипсиноподобные протеазы расщепляют пептидные связи после положительно заряженной аминокислоты ( лизин или аргинин ). [ 6 ] Эта специфичность обусловлена остатком, который лежит у основания кармана S1 фермента (как правило, отрицательно заряженной аспартациновой кислоты или глутаминовой кислоты ).
Химотрипсин
[ редактировать ]Карман S1 химотрипсин-подобных ферментов более гидрофобно, чем в протеазах, подобных трипсино,. Это приводит к специфичности для гидрофобных остатков среднего до большого размера, таких как тирозин , фенилаланин и триптофан .
Тромбин
[ редактировать ]К ним относятся тромбин , ткани, активирующий плазминоген и плазмин . Было обнаружено, что они играют роль в коагуляции и пищеварении, а также в патофизиологии нейродегенеративных расстройств, таких как вызванная деменцией Альцгеймера и Паркинсона. Многие высокотоксичные тромбин-подобные изоформы сериновой протеазы обнаружены в ядобах змеи. [ 7 ]
Эластазаподобный
[ редактировать ]Эластаза, подобные протеазам, имеют гораздо меньшую расщелину S1, чем трипсин- или химотрипсин, подобные протеазам. Следовательно, такие остатки, как аланин , глицин и валин, имеют тенденцию быть предпочтительными.
Субтилизин
[ редактировать ]Субтилизин является сериной протеазой у прокариот . Субтилизин эволюционно не связан с химотрипсин-кланом, но имеет тот же каталитический механизм, использующий каталитическую триаду , для создания нуклеофильного серина . Это классический пример, используемый для иллюстрации конвергентной эволюции , поскольку один и тот же механизм развивался дважды независимо во время эволюции .
Каталитический механизм
[ редактировать ]
Основным игроком в каталитическом механизме в сериновых протеазах является каталитическая триада. Триада расположена в активном месте фермента, где происходит катализ и сохраняется во всех суперсемействах сериновой протеазы. Триада представляет собой скоординированную структуру, состоящую из трех аминокислот : его 57, Ser 195 (отсюда и название «сериновая протеаза») и ASP 102. Эти три ключевые аминокислоты играют важную роль в способности расщепления протеаз. В то время как аминокислотные члены триады расположены далеко друг от друга на последовательности белка, из -за складывания, они будут очень близки друг к другу в сердце фермента. Особая геометрия членов триады очень характерна для их конкретной функции: было показано, что положение всего четыре точки триады характеризует функцию содержащего фермента. [ 8 ]
В случае катализа возникает упорядоченный механизм, в котором генерируются несколько промежуточных соединений. Катализ пептидного расщепления можно рассматривать как катализ пинг-понг , в котором субстрат связывается (в данном случае, расщепляется полипептид), выпускается продукт (C-конце «половина» пептида с аминогруппой Видимый), другой субстрат связывается (в данном случае вода), и выделяется другой продукт (N-конце «половина» пептида с видимой карбоксильной группой).
Каждая аминокислота в триаде выполняет определенную задачу в этом процессе:
- есть У серина группа -OH, которая способна действовать как нуклеофил , атаковая карбонильный углерод ностной пептидной связи подложки.
- Пара электронов на азоте гистидина обладает способностью принимать водород из группы серина -OH, тем самым координируя атаку пептидной связи .
- Карбоксильная аспарагиновой группа на кислоте, в свою очередь, водородные связи с гистидином , что делает атом азота, упомянутым выше гораздо более электроотрицательным .
Вся реакция может быть обобщена следующим образом:
- Полипептидный субстрат связывается с поверхностью сериновой протеазной фермента , так что ностная связь вставлена в активный сайт фермента, при этом карбонильный углерод этой связи расположен вблизи нуклеофильного серина .
- Серин водород из -OH атакует карбонильный углерод, а азот гистидина принимает -OH [серина], а пара электронов из двойной связи карбонильного кислорода движется к кислороду. В результате генерируется тетраэдрический промежуток.
- Связь, соединяющая азот и углерод в пептидной связи, теперь нарушается. Ковалентные электроны, создающие эту связь, движутся, чтобы атаковать водород гистидина , нарушая соединение. Электроны, которые ранее перемещались из двойной связи с карбонильным кислородом, возвращаются обратно от негативного кислорода, чтобы воссоздать связь, генерируя промежуточное здание ацилгмента.
- Теперь вода входит в реакцию. Вода заменяет N-конец расщепленного пептида и атакует карбонильный углерод. Еще раз, электроны от двойной связи перемещаются к кислороду, делая его отрицательным, поскольку образуется связь между кислородом воды и углеродом. Это координируется азотом гистидина , который принимает протон из воды. В целом, это генерирует еще один тетраэдрический промежуток.
- В окончательной реакции связь, образованная на первом этапе между серином и карбонильным углеродом, движется, чтобы атаковать водород, который только что приобрел гистидин . Теперь электронно-дефицитный карбонильный углерод переоценивает двойную связь с кислородом. В результате C-конец пептида в настоящее время выброшен.
Дополнительные стабилизирующие эффекты
[ редактировать ]Было обнаружено, что дополнительные аминокислоты протеазы, Gly 193 и Ser 195 , участвуют в создании так называемой оксианиона ямы . Как Gly 193, так и Ser 195 могут пожертвовать гидрогены магистралей для водородной связи. Когда тетраэдрическое промежуточное соединение генерируется шага 1 и шага 3, отрицательный ион кислорода, принявший электроны из двойной связи карбонила , идеально вписывается в отверстие в оксианионе. По сути, сериновые протеазы преимущественно связывают переходное состояние , и общая структура предпочитается, снижая энергию активации реакции. Это «преференциальное связывание» отвечает за большую часть каталитической эффективности фермента.
Регуляция активности сериновой протеазы
[ редактировать ]Организма -хозяева должны гарантировать, что активность сериновых протеаз будет адекватно регулируется. Это достигается за счет требования к первоначальной активации протеазы и секреции ингибиторов.
Активация зимогена
[ редактировать ]Земогены обычно являются неактивными предшественниками фермента. Если бы пищеварительные ферменты были активны при синтезировании, они сразу же начнут жевать синтезирующие органы и ткани. Острый панкреатит является таким состоянием, в котором в поджелудочной железе наблюдается преждевременная активация пищеварительных ферментов, что приводит к самоуправлению (автолиз). Он также усложняет посмертные исследования , поскольку поджелудочная железа часто переваривает себя, прежде чем его можно оценить визуально.
Зимогены - это большие, неактивные структуры, которые способны разрываться или меняться в меньшие активированные ферменты. Разница между зимогенами и активированными ферментами заключается в том, что активный сайт катализа зимогенов искажен. В результате субстратный полипептид не может эффективно связываться, а протеолиз не происходит. Только после активации, в течение которой конформация и структура изменения зимогена и активного сайта открываются, может возникать протеолиз .
| Зимоген | Фермент | Примечания |
|---|---|---|
| Трипсиноген | Трипсин | Когда трипсиноген входит в тонкую кишку из поджелудочной железы, секреция энтеропептидазы из слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки расщепляет лизин 15 -изолецин 16 пептидной пептидной связи зимогена. В результате зимогеновый трипсиноген разбивается на трипсин. Напомним, что трипсин также отвечает за расщепление пептидных связей лизина , и, таким образом, после того, как генерируется небольшое количество трипсина, он участвует в расщеплении своего собственного зимогена, генерируя еще больше трипсина. Таким образом, процесс активации трипсина можно назвать автокаталитическим . |
| Химотрипсиноген | Химотрипсин | После того, как связь Arg 15 - ILE 16 в химотрипсиногенном зимогене расщепляется трипсином, вновь генерируемая структура, называемая пий -химотрипсином, подвергается аутолизу (самооплачиваемость), давая активный химотрипсин. |
| Проластаза | эластаза | Он активируется расщеплением через трипсин. |
Как видно, активация трипсиногена в трипсине имеет важное значение, потому что она активирует свою собственную реакцию, а также реакцию как химотрипсина , так и эластазы . Следовательно, важно, чтобы эта активация не происходила преждевременно. Есть несколько защитных мер, предпринятых организмом, для предотвращения самоуправления:
- Активация трипсиногена трипсином относительно медленная
- Зимогены хранятся в зимогенных гранул, капсулах, которые имеют стенки, которые, как считается, устойчивы к протеолизу.
Торможение
[ редактировать ]Существуют определенные ингибиторы , которые напоминают тетраэдрическое промежуточное соединение и, таким образом, заполняют активное участок, предотвращая должным образом фермент. Трипсин, мощный пищеварительный фермент, генерируется в поджелудочной железе. Ингибиторы предотвращают самоуверенность самой поджелудочной железы.
Сериновые протеазы в паре с ингибиторами сериновой протеазы , которые отключают их активность, когда они больше не нужны. [ 9 ] [ Самостоятельно опубликованный источник? ]
Сериновые протеазы ингибируются разнообразной группой ингибиторов , включая синтетические химические ингибиторы для исследований или терапевтических целей, а также природных белковых ингибиторов. Одно семейство природных ингибиторов, называемых «серпинами» (сокращенно от ингибиторов сериновой протеазы ), может образовывать ковалентную связь с сериновой протеазой, ингибируя ее функцию. Лучшими изучаемыми серпинами являются антитромбин и альфа 1-антитрипсин , изученный на предмет их роли в коагуляции / тромбозе и эмфиземой / A1AT , соответственно. Искусственные необратимые ингибиторы малых молекул включают AEBSF и PMSF .
Семейство ингибиторов членистоногих сериновой пептидазы, называемое Пачифастином , было идентифицировано в саранчи и раке и может функционировать в иммунной системе членистоногих . [ 10 ]
Роль в болезнях
[ редактировать ]Мутации могут привести к снижению или повышению активности ферментов. Это может иметь разные последствия, в зависимости от нормальной функции сериновой протеазы. Например, мутации в белке C могут привести к дефициту белка C и предрасполагают к тромбозу . Кроме того, некоторые протеазы играют жизненно важную роль в активации слияния клеток-вируса хозяина с помощью белка-пик-белка вируса, чтобы показать белок, названный «слитый белок» ( TMPRSS2 активирует слияние SARS-CoV-2 ). Экзогенный змеиный яд сериновой протеазы вызывают огромный спектр коагулопатий при введении у хозяина из -за отсутствия регуляции их активности. [ 7 ]
Диагностическое использование
[ редактировать ]Определение уровней сериновой протеазы может быть полезно в контексте конкретных заболеваний.
- Уровни фактора коагуляции могут потребоваться при диагностике геморрагических или тромботических состояний.
- Фекальная эластаза используется для определения экзокринной активности поджелудочной железы, например, в муковисцидозе или хроническом панкреатите .
- Специфичный антиген сывороточный простат используется в скрининге рака предстательной железы , стратификации риска и мониторингу после лечения.
- Сериновая протеаза, выделяемая тучными клетками , является важным диагностическим маркером для гиперчувствительности 1 типа, реакций например, анафилаксии . Более полезен, чем гистамин из-за более длительного полураспада , то есть он остается в системе в течение клинически полезного времени.
Антимикробный эффект
[ редактировать ]Из -за их каталитической активности некоторые сериновые протеазы обладают мощными антимикробными свойствами. Несколько исследований in vitro продемонстрировали эффективность некоторых протеаз в снижении вирулентности путем расщепления вирусных поверхностных белков. Вирусный проникновение в клетки -хозяина опосредуется взаимодействием этих поверхностных белков с клеткой -хозяином. Когда эти белки фрагментируются или инактивированы на вирусной поверхности, вирусный проникновение нарушается, что приводит к снижению инфекционности широкого спектра патологически значимых микроорганизмов, таких как грипп , HRSV и другие. [ 11 ] [ 12 ]
Смотрите также
[ редактировать ]- Сериновая гидролаза
- Протеаза
- PA клан
- Конвергентная эволюция
- Протеолиз
- Каталитическая триада
- Карта протеолиза
- Протеазы в ангиогенезе
- Внутренние протеазы
- Ингибитор протеазы (фармакология)
- Ингибитор протеазы (биология)
- Topfind - база данных специфичности протеазы, субстратов, продуктов и ингибиторов
- Merops - база данных эволюционных групп протеазы
- Кератиназа
- Субтилис
- Протеиназа К.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хедстрем Л (декабрь 2002 г.). «Механизм и специфичность сериновой протеазы». Химические обзоры . 102 (12): 4501–4524. doi : 10.1021/cr000033x . PMID 12475199 .
- ^ Мадала П.К., Тиндалл Д.Д., Налл Т., Фэйрли Д.П. (июнь 2010 г.). «Обновление 1 из: Протеазы универсально распознают бета -пряди на их активных сайтах». Химические обзоры . 110 (6): PR1 - P31. doi : 10.1021/cr900368a . PMID 20377171 .
- ^ Khade PM, Kumar A, Jernigan RL (январь 2020 г.). «Характеристика и прогнозирование петли белка для механистического понимания» . Журнал молекулярной биологии . 432 (2): 508–522. doi : 10.1016/j.jmb.2019.11.018 . PMC 7029793 . PMID 31786268 .
- ^ Khade PM, Scaramozo D, Kumar A, Lacidogna G, Carpintera A, Jernigan RL (ноябрь 2021 г.). «HDANM: новая модель комплексной динамики для белковых петли » Биофизический журнал 120 (22): 4955–4 Bibcode : 2021bpj ... 120.4955K Doi : 10.1016/ j.bpj.2021.10.0 8633836PMC 34687719PMID
- ^ Ovaere P, Lippens S, Vandenabeele P, Declercq W (сентябрь 2009 г.). «Новые роли каскадов сериновой протеазы в эпидермисе». Тенденции в биохимических науках . 34 (9): 453–463. doi : 10.1016/j.tibs.2009.08.001 . PMID 19726197 .
- ^ Evnin LB, Vásquez Jr, Craik CS (сентябрь 1990). «Субстратная специфичность трипсина исследуется с помощью генетического отбора» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (17): 6659–6663. Bibcode : 1990pnas ... 87.6659e . doi : 10.1073/pnas.87.17.6659 . JSTOR 2355359 . PMC 54596 . PMID 2204062 .
- ^ Jump up to: а беременный Oliveira AL, Viegas MF, Da Silva SL, Soares AM, Ramos MJ, Fernandes PA (2022-06-10). «Химия змеиного яда и его лекарственный потенциал» . Природные обзоры. Химия . 6 (7): 451–469. Doi : 10.1038/s41570-022-00393-7 . PMC 9185726 . PMID 35702592 .
- ^ Iván G, Szabadka Z, Ordög R, Grolmusz V, Náray-Szabó G (июнь 2009 г.). «Четыре пространственных точка, которые определяют семьи ферментов». Биохимическая и биофизическая исследовательская коммуникация . 383 (4): 417–420. Citeseerx 10.1.1.150.1086 . doi : 10.1016/j.bbrc.2009.04.022 . PMID 19364497 .
- ^ «Страницы биологии Кимбалла, сериновые протеазы» . Архивировано из оригинала 2005-12-13 . Получено 2008-06-02 .
- ^ Breugelmans B, Simonet G, Van Hoef V, Van Soest S, Vanden Broeck J (март 2009 г.). «Пептиды, связанные с Пачифастином: структурные и функциональные характеристики семейства ингибиторов сериновой пептидазы». Пептиды . 30 (3): 622–632. doi : 10.1016/j.peptides.2008.07.026 . PMID 18775459 . S2CID 8797134 .
- ^ Lopes BR, Da Silva GS, De Lima Menezes G, De Oliveira J, Watanabe AS, Porto BN, et al. (Май 2022). «Сериновые протеазы в внеклеточных ловушках нейтрофилов демонстрируют антисипираторную синцитиальную активность вируса». Международная иммунофармакология . 106 : 108573. DOI : 10.1016/j.intimp.2022.108573 . PMID 35183035 .
- ^ Сакаи К, Ами Й, Тахара М., Кубота Т., Анраку М., Абэ М. и др. (Май 2014). Дермоди Т.С. (ред.). «Ведущий Protease TMPRS2 играет важную роль в репликации in vivo возникающих вирусов H7N9 и сезонных гриппов» . Журнал вирусологии . 88 (10): 5608–5616. doi : 10.1128/jvi.03677-13 . PMC 4019123 . PMID 24600012 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Онлайн- база данных Merops для пептидаз и их ингибиторов: сериновая пептидаза Архивировал 2017-04-04 на машине Wayback
- сериновых протеаз Сайт в Университете Сент -Луиса (SLU)
- Serine+Proteases в Национальной медицинской библиотеке Медицинской библиотеки США (Mesh)
