Proteasen

Proteine werden von Enzymen abgebaut, die als Proteasen oder Proteinase bezeichnet werden und die Peptidketten zerlegen. Diese Enzyme sind für viele biologische Funktionen erforderlich, einschließlich des Proteinumsatzes, der Verdauung, der Immunantworten, der Blutgerinnung und der Zellkommunikation. Als allgegenwärtige Moleküle, die in jedem Organismus von Viren und Bakterien bis hin zu Menschen vorkommen, sind Proteasen wirklich universell. Tausende von Proteasentypen wurden identifiziert, von denen jeder einzigartige Funktionen in verschiedenen Arten hat. Ihre präzise Fähigkeit, Proteine abzubauen oder zu modifizieren, hat Proteasen in der Forschung und Industrie unverzichtbar gemacht. Creative Enzymes ist stolz darauf, eine breite Palette von Proteasen mit mehreren Funktionen für verschiedene Anwendungen in der Industrie und Forschung anzubieten. Entdecken Sie mit uns den katalytischen Mechanismus von Proteasen, die Vielfalt und die verschiedenen Anwendungen und finden Sie die Produkte, die Sie benötigen!

Enzymatischer Mechanismus von Proteasen

Proteasen hydrolysieren die Peptidketten, die Aminosäuren verbinden. Der allgemeine Mechanismus der Proteaseaktivität umfasst den nucleophilen Angriff auf das Carbonylkohlenstoffatom der Peptidbindung, was zu einer Spaltung der Bindung und der Freisetzung der Aminosäurefragmente führt. Proteasen werden typischerweise nach ihrer katalytischen Aktivität in Serinproteasen, Cysteinproteasen, Aspartatproteasen und Metalloproteasen klassifiziert.

• Serinproteasen: Diese Enzyme verwenden einen Serinrest in ihrem aktiven Zentrum, um den nucleophilen Angriff auf die Peptidbindung einzuleiten. Das katalytische Triade aus Serin, Histidin und Aspartat ist für diese Reaktion entscheidend. Häufige Beispiele sind Trypsin, Chymotrypsin und Thrombin.
• Cysteinproteasen: In dieser Gruppe fungiert ein Cysteinrest als Nucleophil, unterstützt von einem Histidinrest als allgemeine Base. Papain und Caspasen sind prominente Cysteinproteasen.
• Aspartatproteasen: Aspartatproteasen haben zwei Aspartatrest, die ein Wassermolekül aktivieren, das dann die Peptidbindung angreift. Beispiele sind HIV-Protease und Pepsin.
• Metalloproteasen: Diese Proteasen benötigen ein Metallion, normalerweise Zink, um die Hydrolyse der Peptidbindung zu erleichtern. Das Metallion koordiniert mit einem Wassermolekül, um den Angriff auf die Peptidbindung einzuleiten. Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) und Thermolysin sind typische Metalloproteasen.

Um unkontrollierten Proteinabbau zu verhindern, wird die Proteaseaktivität sorgfältig kontrolliert. Diese Regulation erfolgt durch die Aktivierung von Zymogenen (inaktive Formen von Enzymen) oder durch die Wirkung von Protease-Inhibitoren, die an Proteasen binden und deren enzymatische Aktivität blockieren.

Abb. 1: Katalytische Mechanismen von Säugetierproteasen. Die fünf Hauptkatalyseklassen von Proteasen verwenden zwei grundlegend unterschiedliche katalytische Mechanismen, um das tetraedrische Zwischenprodukt zu stabilisieren. Bei Serin-, Cystein- und Threoninproteasen ist das Nucleophil des katalytischen Zentrums Teil einer Aminosäure (kovalente Katalyse), während bei Metalloproteinasen und Aspartatproteasen das Nucleophil ein aktiviertes Wassermolekül ist (nicht-kovalente Katalyse). Bei der kovalenten Katalyse fungieren Histidine normalerweise als Basen, während bei der nicht-kovalenten Katalyse Asp- oder Glu-Reste und Zink (Metalloproteinasen) als Säuren und Basen wirken. Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Gruppen ist die Bildung der Reaktionsprodukte aus dem tetraedrischen Zwischenprodukt, was für Cystein- und Serinproteasen einen zusätzlichen Zwischenschritt (Acyl-Enzym-Zwischenprodukt) erfordert (Turk, 2006).

Leitfaden zur Auswahl von Proteasen mit unterschiedlichen Erkennungsstellen

Biodiversität der Proteasen

Proteasen sind hochgradig vielfältige Enzyme, die in Tieren, Pflanzen, Pilzen, Bakterien, Archaeen und Viren vorkommen. Diese Vielfalt hebt ihre vielen wesentlichen Rollen in biologischen Systemen hervor.

• Tierische Proteasen: Bei Tieren spielen Proteasen eine entscheidende Rolle bei der Verdauung (z. B. Trypsin und Pepsin), den Immunantworten (z. B. Caspasen, die den Zelltod regulieren) und der Blutgerinnung (z. B. Thrombin). Diese Vielfalt ermöglicht es Tieren, diese lebenswichtigen Prozesse präzise zu steuern.
• Pflanzenproteasen: In Pflanzen unterstützen Proteasen den Proteinrecycling, die Abwehr und den programmierten Zelltod. Cysteinproteasen, wie Papain aus Papaya, sind besonders wichtig für Prozesse wie die Samenkeimung und die Resistenz gegen Krankheitserreger.
• Microbielle Proteasen: Mikroorganismen produzieren Proteasen, um Proteine in ihrer Umgebung abzubauen und sich mit Nährstoffen zu versorgen. Einige mikrobielle Proteasen, wie die von Bacillus-Arten, werden aufgrund ihrer Fähigkeit, extremen Bedingungen standzuhalten, in der Industrie weit verbreitet eingesetzt. Auch Pilze produzieren Proteasen, die bei der Lebensmittelproduktion helfen, wie zum Beispiel im Käseherstellungsprozess.
• Virale Proteasen: Viele Viren kodieren Proteasen, die für ihren Lebenszyklus unerlässlich sind. Zum Beispiel verarbeitet HIV-Protease virale Polyproteine in funktionale Proteine, ein wesentlicher Schritt, der von antiretroviralen Medikamenten angegriffen wird.

Leitfaden zur Auswahl von Proteasen mit unterschiedlichen Eigenschaften

Anwendungen von Proteasen in der Industrie und Forschung

Proteasen werden in der Industrie und Forschung aufgrund ihrer Fähigkeit, Proteine unter kontrollierten Bedingungen effizient abzubauen, weit verbreitet eingesetzt.

Forschung

In der wissenschaftlichen Forschung werden Proteasen für verschiedene Zwecke eingesetzt. Sie sind unerlässlich in der Zellkultur, wo Enzyme wie Trypsin helfen, Zellen zu trennen. In der massenspektrometriebasierten Proteomik spalten Proteasen Proteine in Peptide zur strukturellen Analyse. Sie sind auch wichtig in Studien zur Enzymfunktion, Proteininteraktionen und Arzneimittel-Screening.

Pharmazeutika

Proteasen spielen eine Rolle bei der Herstellung von therapeutischen Proteinen und Peptiden. Zum Beispiel werden sie in der Insulinproduktion verwendet, um unerwünschte Peptidketten zu entfernen. Forscher untersuchen auch Proteasen für die Krebsbehandlung, da eine abnormale Proteaseaktivität oft mit dem Tumorwachstum verbunden ist.

Lebensmittelindustrie

Proteasen verbessern die Textur, den Geschmack und die Verdaulichkeit verschiedener Lebensmittel. Zum Beispiel hilft Lab, das das Protease Chymosin enthält, bei der Gerinnung von Milchproteinen. Proteasen machen auch Fleisch zarter und erzeugen Protein-Hydrolysate, die den Geschmack von Suppen und Saucen verbessern.

Reinigungsmittelindustrie

Proteasen sind in Reinigungsmitteln unerlässlich, um proteinbasierte Flecken wie Blut und Lebensmittel zu entfernen. Bakterielle Proteasen von Bacillus-Arten sind besonders nützlich, da sie bei hohen Temperaturen und alkalischen pH-Werten stabil sind.

Bioremediation

In der Bioremediation helfen Proteasen, proteinbasierte Schadstoffe in Abwasser und Industrieabfällen abzubauen. Sie sind besonders nützlich bei der Behandlung von Abfällen aus der Tier- und Lebensmittelindustrie, wo es viel Proteinmaterial zu verarbeiten gibt.

Abb. 2: Anwendungen des Proteaseenzym in verschiedenen Industrien/Sektoren (Solanki et al., 2021).

Leitfaden zur Auswahl von Proteasen für industrielle Anwendungen

Zusammenfassend sind Proteasen eine wichtige Gruppe von Enzymen, die eine entscheidende Rolle in verschiedenen biologischen Prozessen spielen. Sie sind nicht nur in natürlichen biologischen Systemen wertvoll, sondern auch in vielen Industrien. Ihre breite Palette an Anwendungen – von der Lebensmittelproduktion über Pharmazeutika bis hin zur Bioremediation – zeigt, wie vielseitig und wichtig sie in der heutigen Wissenschaft und Technologie sind.

Creative Enzymes bietet eine breite Palette von Proteaseprodukten an. Diese Proteasen haben unterschiedliche Eigenschaften, einschließlich verschiedener Quellen, Aktivitäten und Spezifitäten. Egal, ob Sie native oder rekombinante Enzyme oder Enzyme für spezielle Bedingungen benötigen, wir haben das Richtige für Sie. Wenn Sie Fragen haben, kontaktieren Sie uns bitte heute!