Протеолитические ферменты¶

Протеолитические ферменты — группа ферментов (ЭК 3.4), катализирующих гидролитическое расщепление пептидных связей в белках и пептидах до более низкомолекулярных пептидов и аминокислот. Общее название группы — протеазы. Протеолитические ферменты широко распространены в природе: содержатся в организмах всех царств жизни, участвуют в пищеварении, переваривании белков микроорганизмов, созревании белков, апоптозе, свёртывании крови и иммунных реакциях.

¶Классификация

По характеру каталитического центра протеолитические ферменты делятся на следующие классы:

Дополнительно протеазы разделяют по типу действия: эндопептидазы (расщепляют внутренние пептидные связи) и экзопептидазы (отщепляют аминокислоты с концов цепи). По происхождению выделяют протеазы животного, растительного, бактериального и грибкового происхождения.

¶Механизм действия

Протеолитические ферменты снижают энергию активации гидролиза пептидной связи (−CO−NH−), которая в отсутствие катализатора гидролизуется крайне медленно. Механизм включает образование ацил-ферментного промежуточного комплекса: субстрат связывается в активном центре, пептидная связь расщепляется, высвобождается первый продукт, затем гидролизуется ацил-ферментный эфир с выделением второго продукта.

Специфичность определяется формой и зарядом активного центра. Например, трипсин специфичен к пептидным связям, образованным основными аминокислотами (аргинин, лизин), химотрипсин — к связям с ароматическими аминокислотами (фенилаланин, тирозин, триптофан).

¶Природные источники

¶В организмах животных

В пищеварительной системе млекопитающих протеолитические ферменты секретируются желудком (пепсиноген → пепсин, химозин), поджелудочной железой (трипсиноген, химотрипсиноген, проэластаза, прокарбоксипептидазы) и тонким кишечником. Активация проферментов (зимогенов) осуществляется путём отщепления полипептидного фрагмента, что предотвращает самопереваривание органов.

¶В растениях

Растительные протеазы включают папаин (папайя), бромелаин (ананас), фицин (инжир), актинидин (киви). Эти ферменты относятся к цистеиновым протеазам и используются в пищевой промышленности для размягчения мяса.

¶В микроорганизмах

Бактерии и грибы выделяют внеклеточные протеазы для усвоения азотсодержащих соединений. Субтилизин, продуцируемый Bacillus subtilis, является сериновой протеазой и широко применяется в составе стиральных порошков. Грибковые протеазы (Aspergillus, Rhizopus) используются в хлебопечении и производстве сыров.

¶Применение

¶Медицина

Протеолитические ферменты применяются для обработки ожоговых ран и трофических язв (трипсин, химотрипсин, стрептокиназа), в качестве тромболитических средств (стрептокиназа, тканевой активатор плазминогена), в схемах лечения муковисцидоза (дорназа альфа, а также комбинированные препараты с амброксолом). Препараты на основе папаина и бромелаина используются как противовоспалительные и противоотёчные средства.

¶Пищевая промышленность

Применяются для получения гидролизатов белка, производства сыров (сычужные ферменты — химозин из желудка телят или его микробиологические аналоги), размягчения мяса, осветления пива и соков, обработки злаковых сырьевых материалов.

¶Биотехнология

Протеазы используются в детергентах (субтилизины), при производстве кож (дубление), в кормовой промышленности (ферментные добавки для улучшения усвояемости кормов), в молекулярной биологии (трипсин для снятия клеток с субстрата, протеиназа K для деградации белков при выделке нуклеиновых кислот).

¶Регуляция активности

В организмах протеолитическая активность контролируется на нескольких уровнях: синтезом в виде неактивных зимогенов, наличием эндогенных ингибиторов (серпины, цистатины, α₂-макроглобулин, ингибиторы трипсина), а также локализацией фермента в специализированных органеллах (лизосомы, протеасомы). Нарушение регуляции протеолиза связано с рядом патологий: нейродегенеративными заболеваниями, опухолевой инвазией, панкреатитом.

¶Протеолитические ферменты в России

В Российской Федерации протеолитические ферменты производятся на предприятиях фармацевтической и биотехнологической отрасли. Медицинские препараты на основе протеаз (химотрипсин, трипсин, панкреатин) включены в перечень жизненно необходимых лекарственных средств. Отечественные исследования направлены на создание рекомбинантных протеаз с улучшенными свойствами и разработку ферментных добавок для сельскохозяйственного кормления.

¶История

Термин «протеолитические ферменты» введён в научный оборот в конце XIX века после работ по изучению пищеварения. Ключевой вклад внесли Теодор Шванн (открытие пепсина, 1836), Иван Павлов (исследование механизмов пищеварения, Нобелевская премия 1904), а также Селман Ваксман, изучавший бактериальные протеазы. В 1960-х годах методом рентгеноструктурного анализа были установлены третичные структуры трипсина и химотрипсина, что заложило основу понимания механизма действия сериновых протеаз.

Источники:

• Лахин В. И., Тучачевский В. И. Биохимия: учебное пособие
• Воробьёв А. А., Ладынина Е. А. Общая биохимия: учебник
• Биохимия: учебник под ред. В. В. Мещерякова
• Физиология пищеварения: монография под ред. В. Н. Утехина
• Справочник по ферментам / под ред. А. М. Горбачёва