Serine protease - Serine protease

Serin -endopeptidaser
Krystalstruktur af kvæg chymotrypsin. De katalytiske rester er vist som gule pinde. Gengivet fra PDB 1CBW .
Identifikatorer
EF -nr.	3.4.21.-
Databaser
IntEnz	IntEnz -visning
BRENDA	BRENDA indgang
ExPASy	NiceZyme udsigt
KEGG	KEGG -indtastning
MetaCyc	metabolisk vej
PRIAM	profil
PDB -strukturer	RCSB PDB PDBe PDBsum
Søg PMC artikler PubMed artikler NCBI proteiner

Krystalstruktur af Trypsin , en typisk serinprotease.

Serinproteaser (eller serinendopeptidaser ) er enzymer, der spalter peptidbindinger i proteiner . Serin fungerer som den nukleofile aminosyre på (enzymets) aktive sted . De findes overalt i både eukaryoter og prokaryoter . Serinproteaser falder i to brede kategorier baseret på deres struktur: chymotrypsin -lignende (trypsin -lignende) eller subtilisin -lignende.

Klassifikation

De MEROPS protease klassificering systemet tæller 16 superfamilier (som af 2013), som hver indeholder mange familier . Hver superfamilie bruger den katalytiske triade eller dyade i en anden proteinfold og repræsenterer således konvergent udvikling af den katalytiske mekanisme . Størstedelen tilhører S1 -familien af PA -klanen (superfamilie) af proteaser.

For superfamilier , P = superfamilie, der indeholder en blanding af nukleofile klassefamilier, S = rent serinproteaser. superfamilie. Inden for hver superfamilie betegnes familier med deres katalytiske nukleofil, (S = serinproteaser).

Familier til Serine proteaser

Substratets specificitet

Serinproteaser er kendetegnet ved en karakteristisk struktur, der består af to beta-tønde-domæner, der konvergerer på det katalytiske aktive sted. Disse enzymer kan yderligere kategoriseres baseret på deres substratspecificitet som enten trypsinlignende, chymotrypsinlignende eller elastaselignende.

Trypsin-lignende

Trypsinlignende proteaser spalter peptidbindinger efter en positivt ladet aminosyre ( lysin eller arginin ). Denne specificitet er drevet af resten, der ligger i bunden af ​​enzymets S1 -lomme (generelt en negativt ladet asparaginsyre eller glutaminsyre ).

Chymotrypsin-lignende

S1-lommen af ​​chymotrypsinlignende enzymer er mere hydrofob end i trypsinlignende proteaser. Dette resulterer i en specificitet for mellemstore til store hydrofobe rester, såsom tyrosin , phenylalanin og tryptophan .

Trombinlignende

Disse omfatter thrombin , vævsaktiverende plasminogen og plasmin . De har vist sig at have roller i koagulation og fordøjelse samt i patofysiologien af ​​neurodegenerative lidelser, såsom Alzheimers og Parkinsons inducerede demens.

Elastase-lignende

Elastase-lignende proteaser har en meget mindre S1-spalte end enten trypsin- eller chymotrypsinlignende proteaser. Følgelig har rester, såsom alanin , glycin og valin, en tendens til at være foretrukne.

Subtilisin-lignende

Subtilisin er en serinprotease i prokaryoter . Subtilisin er evolutionært ikke relateret til chymotrypsin-klanen, men deler den samme katalytiske mekanisme ved hjælp af en katalytisk triade for at skabe en nukleofil serin . Dette er det klassiske eksempel, der bruges til at illustrere konvergent evolution , da den samme mekanisme udviklede sig to gange uafhængigt under evolutionen .

Katalytisk mekanisme

Hovedspilleren i den katalytiske mekanisme i serinproteaserne er den katalytiske triade. Triaden er placeret på enzymets aktive sted, hvor katalyse forekommer, og bevares i alle superfamilier af serinproteaseenzymer. Triaden er en koordineret struktur bestående af tre aminosyrer : His 57, Ser 195 (deraf navnet "serinprotease") og Asp 102. Disse tre centrale aminosyrer spiller hver især en væsentlig rolle i proteasernes spaltningsevne. Mens triadens aminosyremedlemmer er placeret langt fra hinanden på proteinets sekvens, på grund af foldning, vil de være meget tæt på hinanden i hjertet af enzymet. Triadelementernes særlige geometri er meget karakteristisk for deres specifikke funktion: det blev vist, at placeringen af ​​kun fire punkter i triaden karakteriserer funktionen af ​​det indeholdende enzym.

I tilfælde af katalyse opstår der en ordnet mekanisme, hvor flere mellemprodukter genereres. Katalysen af ​​peptidspaltningen kan ses som en ping-pong- katalyse, hvor et substrat binder (i dette tilfælde, hvor polypeptidet spaltes), et produkt frigives (N-terminalen "halvdelen" af peptidet), en anden substrat binder (i dette tilfælde vand), og et andet produkt frigives (C-terminalen "halvdelen" af peptidet).

Hver aminosyre i triaden udfører en bestemt opgave i denne proces:

• Den serin har en -OH-gruppe, der er i stand til at virke som en nukleofil , angribe carbonyl carbon af den spaltelige peptidbinding af substratet.
• Et par elektroner på histidin -nitrogen har evnen til at acceptere hydrogenet fra serin -OH -gruppen og koordinerer dermed angrebet af peptidbindingen .
• Den carboxyl -gruppen på asparaginsyre i turn hydrogenbindinger med histidin , hvilket gør det nitrogenatom nævnt ovenfor meget mere elektronegative .

Hele reaktionen kan opsummeres som følger:

• De polypeptid substrat binder til overfladen af serinproteaseenzym således at den spaltelige binding er indsat i det aktive sted af enzymet med carbonylcarbonatomet af denne binding placeret nær nukleofile serin .
• De serin -OH angriber carbonyl carbon, og nitrogenet i histidin accepterer hydrogen fra -OH i [serin] og et par elektroner fra dobbeltbindingen i carbonyl oxygen flytter til oxygen. Som et resultat dannes et tetraedrisk mellemprodukt.
• Bindingen, der forbinder nitrogen og kulstof i peptidbindingen, er nu brudt. De kovalente elektroner, der skaber denne binding, bevæger sig for at angribe histidinets hydrogen og bryde forbindelsen. Elektronerne, der tidligere bevægede sig fra carbonyl- oxygen-dobbeltbindingen, bevæger sig tilbage fra den negative oxygen for at genskabe bindingen og genererer et acyl-enzym-mellemprodukt.
• Nu kommer vand ind i reaktionen. Vand erstatter N-terminalen af det spaltede peptid og angriber carbonylcarbonet . Endnu en gang bevæger elektronerne fra dobbeltbindingen sig til oxygenet, hvilket gør det negativt, da bindingen mellem vandets ilt og kulstoffet dannes. Dette koordineres af histidinets nitrogen , der accepterer en proton fra vandet. Samlet set genererer dette et andet tetraedrisk mellemprodukt.
• I en sidste reaktion bevæger bindingen sig i det første trin mellem serinen og carbonylcarbonet for at angribe hydrogenet, som histidinet lige har erhvervet. Det nu elektronmangel carbonylcarbon omdanner dobbeltbindingen med oxygenet. Som et resultat skubbes C-terminalen af peptidet nu ud.

Yderligere stabiliserende effekter

Det blev opdaget, at yderligere aminosyrer af proteasen, Gly 193 og Ser 195 , er involveret i at skabe det, der kaldes en oxyanion hul . Både Gly 193 og Ser 195 kan donere rygradhydrogener til hydrogenbinding. Når det tetraedriske mellemprodukt i trin 1 og trin 3 genereres , passer den negative oxygenion, der har accepteret elektronerne fra carbonyl -dobbeltbindingen, perfekt ind i oxyanionhullet. I virkeligheden binder serinproteaser fortrinsvis overgangstilstanden, og den overordnede struktur begunstiges, hvilket reducerer reaktionens aktiveringsenergi. Denne "præferencebinding" er ansvarlig for meget af enzymets katalytiske effektivitet.

Regulering af serinproteaseaktivitet

Værtsorganismer skal sikre, at serinproteasers aktivitet reguleres tilstrækkeligt. Dette opnås ved et krav om initial proteaseaktivering og sekretion af inhibitorer.

Zymogen aktivering

Zymogener er de normalt inaktive forstadier til et enzym. Hvis fordøjelsesenzymerne var aktive ved syntetisering, ville de straks begynde at tygge de syntetiserende organer og væv. Akut pancreatitis er en sådan tilstand, hvor der er for tidlig aktivering af fordøjelsesenzymerne i bugspytkirtlen, hvilket resulterer i selvfordøjelse (autolyse). Det komplicerer også undersøgelser efter døden , da bugspytkirtlen ofte fordøjer sig selv, før den kan vurderes visuelt.

Zymogener er store, inaktive strukturer, som har evnen til at bryde fra hinanden eller skifte til de mindre aktiverede enzymer. Forskellen mellem zymogener og de aktiverede enzymer ligger i, at det aktive sted til katalyse af zymogenerne er forvrænget. Som et resultat kan substratpolypeptidet ikke binde effektivt, og proteolyse forekommer ikke. Først efter aktivering, under hvilken konformationen og strukturen af ​​zymogenændringen og det aktive sted åbnes, kan proteolyse forekomme.

Som det kan ses, er trypsinogenaktivering til trypsin afgørende, fordi den aktiverer sin egen reaktion, såvel som reaktionen af ​​både chymotrypsin og elastase . Derfor er det vigtigt, at denne aktivering ikke sker for tidligt. Der er flere beskyttelsesforanstaltninger truffet af organismen for at forhindre selvfordøjelse:

• Trypsinaktiveringen af ​​trypsin er relativt langsom
• Zymogenerne opbevares i zymogengranulat, kapsler, der har vægge, der menes at være resistente over for proteolyse.

Hæmning

Der er visse hæmmere, der ligner det tetraedriske mellemprodukt og dermed fylder det aktive sted, hvilket forhindrer enzymet i at fungere korrekt. Trypsin, et kraftigt fordøjelsesenzym, genereres i bugspytkirtlen. Hæmmere forhindrer selvfordøjelse af bugspytkirtlen selv.

Serinproteaser er parret med serinproteaseinhibitorer inhibitorer , som slukker deres aktivitet, når de ikke længere er nødvendige.

Serinproteaser hæmmes af en forskelligartet gruppe hæmmere , herunder syntetiske kemiske hæmmere til forskning eller terapeutiske formål, og også naturlige proteinholdige hæmmere. En familie af naturlige hæmmere kaldet "serpiner" (forkortet fra serinproteasehæmmere ) kan danne en kovalent binding med serinproteasen og hæmme dens funktion. De bedst undersøgte serpiner er antithrombin og alfa 1-antitrypsin , undersøgt for deres rolle i henholdsvis koagulation / trombose og emfysem / A1AT . Kunstige irreversible småmolekylehæmmere omfatter AEBSF og PMSF .

En familie af leddyr serin peptidaseinhibitorer, kaldet pacifastin , er blevet identificeret i græshopper og krebs , og kan fungere i leddyr immunsystemet .

Rolle i sygdom

Mutationer kan føre til nedsat eller øget aktivitet af enzymer. Dette kan have forskellige konsekvenser afhængigt af serinproteasens normale funktion. For eksempel kan mutationer i protein C føre til protein C -mangel og disponere for trombose . Nogle proteaser spiller også en afgørende rolle i værtscelle-virusfusionsaktivering ved priming af virusets Spike-protein for at vise proteinet med navnet "fusionsprotein" ( TMPRSS2 aktiverer SARS-CoV-2- fusion).

Diagnostisk brug

Bestemmelse af serinproteaseniveauer kan være nyttig i forbindelse med bestemte sygdomme.

• Koagulationsfaktorniveauer kan være nødvendige ved diagnosen hæmoragiske eller trombotiske tilstande.
• Fækal elastase anvendes til bestemmelse af bugspytkirtlens eksokrine aktivitet, f.eks. Ved cystisk fibrose eller kronisk pancreatitis .
• Serum prostata-specifikt antigen bruges til screening af prostatakræft , risikostratificering og monitorering efter behandling.
• Serinprotease, som frigives af mastceller , er en vigtig diagnostisk markør for overfølsomhedsreaktioner af type 1 (f.eks. Anafylaksi ). Mere nyttig end f.eks. Histamin på grund af den længere halveringstid , hvilket betyder, at den forbliver i systemet i en klinisk nyttig tid.

Se også

Referencer

eksterne links

• Den Merops online database for peptidaser og deres hæmmere: Serin peptidase
• Serine Proteases websted ved Saint Louis University (SLU)
• Serine+proteaser på US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)