Протеаза — класс ферментов, расщепляющих белки¶

Протеаза (пептидаза, протеиназа) — фермент класса гидролаз, каталитически расщепляющий пептидные связи в молекулах белков и пептидов. Протеазы катализируют гидролиз пептидной связи по реакции: белок + H₂O → пептиды или аминокислоты. В организмах человека, животных, растений и микроорганизмов протеазы участвуют в пищеварении, переваривании белка, синтезе и деградации белков, апоптозе, свёртывании крови, иммунном ответе и множестве других процессов. По данным базы MEROPS, к 2020-м годам описано более 200 семейств протеаз.

¶Классификация

По характеру каталитического механизма протеазы делятся на шесть основных классов:

По локализации в клетке различают экзопротеазы (отщепляют концевые аминокислоты) и эндопротеазы (расщепляют белок внутри цепи). По оптимуму pH — кислотные (пепсин, оптимум pH 1,5–2,5), нейтральные и щелочные (субтилизин, оптимум pH 7–10).

¶Биологические функции

¶Пищеварение

В желудочно-кишечном тракте человека работают основные пищеварительные протеазы. Пепсин (продуцируется главными клетками желудка в виде неактивного пепсиногена) расщепляет белки в кислой среде желудка. В тонком кишечнике под действием энтерокиназы трипсиноген превращается в трипсин, который активирует остальные проферменты поджелудочной железы — химотрипсиноген, проэластазу, прокарбоксипептидазы. Общая площадь активных пептидных связей, расщепляемых за сутки, оценивается в сотни граммов белка пищи.

¶Регуляция белкового обмена

Протеасомный комплекс (мультисубъединичная протеаза треонинового типа) в клетке утилизирует повреждённые и ненужные белки, помеченные убиквитином. Этот путь деградации белка критичен для клеточного цикла, апоптоза и иммунного ответа — протеасомы генерируют пептиды для антигенной презентации на молекулах MHC I класса.

¶Каскады ферментных реакций

Каспазы (цистеиновые протеазы) запускают апоптоз, расщепляя специфические субстраты. В свёртывании крови участвуют сериновые протеазы тромбин, факторы Xa, IXa и др. Металлопротеазы (MMP) расщепляют компоненты внеклеточного матрикса — коллаген, эластин, протеогликаны — и участвуют в заживлении ран, ремоделировании тканей, метастазировании опухолей.

¶Растения и микроорганизмы

Растения содержат протеазы семейств папаин-подобных (папайя, ананас — бромелаин), субтилизин-подобных и аспартатовых (ренин-подобные). У бактерий и грибов протеазы секретируются в среду для добычи азота из внешних белков.

¶Применение

¶Медицина

Протеазы используются в ферментных препаратах для лечения панкреатита (креон, панкреатин), в составе тромболитических средств (стрептокиназа, тканевой активатор плазминогена) для растворения тромбов, в антисептиках для очистки ран от некротизированных тканей (трипсин, химотрипсин, террилитин).

¶Пищевая промышленность

Сыроделие использует сычужный фермент (химозин, выделенный из сычужного молочка телят или полученный генно-модифицированными микроорганизмами) для сворачивания молока. Протеазы применяются при производстве мяса (мягчение), хлеба (улучшение теста), пива (осветление), соевого соуса и аминокислотных гидролизатов.

¶Биотехнология и бытовая химия

Протеазы субтилизинового типа входят в состав стиральных порошков для расщепления белковых пятен (кровь, пот, молоко). В молекулярной биологии протеазы (трипсин, протеиназа К) используются для расщепления белков при выделке ДНК и РНК, получения клеточных суспензий из тканей.

¶Кормовая промышленность

Протеазы добавляются в корма для улучшения усвояемости растительных белков, особенно в рационах свиней и птицы.

¶Ингибиторы протеаз

Активность протеаз регулируется ингибиторами. В крови человека циркулируют α1-антитрипсин (ингибитор трипсина и нейтрофильной эластазы), α2-макроглобулин и другие. Наследственный дефицит α1-антитрипсина приводит к раннему развитию эмфиземы лёгких. Растения продуцируют протеазные ингибиторы (ингибиторы трипсина и химотрипсина) как защиту от насекомых-вредителей — на их основе созданы трансгенные растения, устойчивые к вредителям.

¶Ингибиторы протеаз ВИЧ и гепатита C

Ингибиторы протеаз являются важным классом противовирусных препаратов. Протеаза ВИЧ-1 расщепляет полипротеин Gag-Pol на зрелые структурные белки вируса; блокирование этого фермента нарушает сборку инфекционных вирионов. Саквинавир, ритонавир, индинавир и другие ингибиторы протеазы ВИЧ применяются в антиретровирусной терапии с 1990-х годов. Аналогичный механизм у препаратов против гепатита C (глекапревир, воксилапревир), действующих на NS3/4A-протеазу вируса.

¶История

Первым описанным протеазным ферментом стал пепсин — его выделил Теодор Шванн в 1836 году. Термин «протеаза» введён в начале XX века. В 1969 году Международный союз биохимиков утвердил единую номенклатуру КФ (Комиссия по ферментам), где протеазы отнесены к классу гидролаз (КФ 3.4). В 2004 году Нобелевская премия по химии была присуждена Аaron Чехановер, Авраму Хершко и Ирвину Роузу за открытие убиквитин-протеасомной системы деградации белков.

¶Источники

• Биохимия: учебник / под ред. В. П. Мешкова, В. Н. Бабенко. — М.: Медицина.
• Клиническая лабораторная диагностика: учебник / под ред. А. И. Карпова. — М.: ГЭОТАР-Медиа.
• MEROPS: the peptidase database — University of Manchester.
• Каталог ферментов КФ (Enzyme Nomenclature), IUBMB.