Протеаза как класс ферментов¶

Протеаза (также протеиназа, пептидаза, протеолитический фермент) — класс ферментов, относящихся к группе гидролаз, которые катализируют расщепление пептидной связи между аминокислотными остатками в белках и пептидах. Реакция идёт с присоединением молекулы воды (гидролиз) и приводит к образованию более коротких пептидных цепей или отдельных аминокислот. Протеазы присутствуют во всех живых организмах — от вирусов и бактерий до человека — и участвуют в важнейших физиологических процессах: пищеварении, свёртывании крови, иммунном ответе, внутриклеточном расщеплении белков и запрограммированной гибели клеток.

¶Общая характеристика

По химической природе подавляющее большинство известных протеаз — белки. Исключение составляют рибозимы и некоторые синтетические катализаторы, но в биологии термин закрепился именно за ферментами белковой природы. Протеазы ускоряют гидролиз пептидной связи в 10⁶–10¹⁰ раз по сравнению с неферментативной реакцией, действуя в мягких условиях — при физиологических температуре, давлении и pH.

Молекулярная масса ферментов варьируется от нескольких тысяч до сотен тысяч дальтон. Многие протеазы синтезируются в виде неактивных предшественников — зимогенов (например, трипсиноген, пепсиноген), которые активируются путём ограниченного протеолиза. Такой механизм защищает клетку и организм от самопереваривания.

¶Классификация

Международный союз по биохимии и молекулярной биологии относит протеазы к классу 3 (гидролазы), подклассу 3.4 (пептидгидролазы). Основные принципы классификации:

¶По типу каталитического механизма

• Сериновые протеазы — в активном центре ключевую роль играет остаток серина. Примеры: трипсин, химотрипсин, эластаза, субтилизин.
• Цистеиновые (тиоловые) протеазы — катализ идёт с участием цистеина. Примеры: папаин, катепсины, каспазы.
• Аспартатные протеазы — содержат два остатка аспарагиновой кислоты. Примеры: пепсин, ренин, ВИЧ-протеаза.
• Металлопротеазы — для катализа необходим ион металла (обычно цинка). Примеры: карбоксипептидазы, матриксные металлопротеиназы.
• Треониновые протеазы — редкий тип, где каталитический центр образован остатком треонина; встречается у протеасом.

¶По месту действия в пептидной цепи

• Эндопептидазы — расщепляют внутренние пептидные связи (пепсин, трипсин).
• Экзопептидазы — отщепляют аминокислоты с концов цепи: аминопептидазы — с N-конца, карбоксипептидазы — с C-конца.

¶По происхождению

Различают протеазы животных, растений, микроорганизмов и вирусов. Промышленно значимы главным образом микробные протеазы, получаемые из бактерий рода Bacillus и грибов рода Aspergillus.

¶Биологическая роль

Протеазы участвуют практически во всех ключевых процессах жизнедеятельности:

• Пищеварение. В желудочно-кишечном тракте человека и животных белки расщепляются пепсином, трипсином, химотрипсином и пептидазами тонкого кишечника до аминокислот, которые затем всасываются в кровь.
• Свёртывание крови и фибринолиз. Каскад реакций свёртывания представляет собой последовательную активацию сериновых протеаз; растворение тромбов обеспечивает плазмин.
• Иммунитет. Протеасы участвуют в процессинге антигенов, активации комплемента и уничтожении чужеродных белков.
• Регуляция клеточного цикла и апоптоз. Каспазы — цистеиновые протеазы, запускающие запрограммированную гибель клетки.
• Внутриклеточная деградация белков. Протеасомы и лизосомальные протеазы удаляют повреждённые и отработанные белки.
• Развитие и морфогенез. Ограниченный протеолиз активирует факторы роста и сигнальные молекулы.

У микроорганизмов и вирусов протеазы нередко служат факторами патогенности: они разрушают тканевые барьеры хозяина и помогают возбудителю распространяться.

¶Применение

Протеазы — один из наиболее востребованных классов промышленных ферментов. Основные направления использования:

В медицине ингибиторы протеаз применяются как противовирусные средства (например, при терапии ВИЧ-инфекции), при лечении гипертонии (ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента) и в качестве антикоагулянтов.

¶Ингибиторы протеаз

Вещества, блокирующие активность протеаз, делятся на природные (например, соевый ингибитор трипсина, антитромбин) и синтетические. Ингибиторы широко используются в биохимических исследованиях и служат основой для создания лекарств. В организме человека нарушение баланса между протеазами и их ингибиторами связано с рядом заболеваний — от эмфиземы лёгких до опухолевого роста.

¶Значение в науке и технике

Изучение протеаз сыграло ключевую роль в становлении молекулярной биологии и энзимологии. Именно на примере сериновых протеаз были детально выяснены механизмы ферментативного катализа. Протеазы остаются важным инструментом в лабораторной практике: их используют для фрагментирования белков при масс-спектрометрическом анализе, для снятия клеток с подложек в культуральных работах, для получения пептидов заданной структуры.

Источники: учебники по биохимии, справочные материалы по энзимологии, обзоры по промышленной биотехнологии.