Saure Protease

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Proteasen sind eine Gruppe trypsinähnlicher Enzyme, die die Proteolyse katalysieren (beschleunigen) und Proteine in kleinere Peptide oder einzelne Aminosäuren spalten. Dies erfolgt durch hydrolytische Spaltung von Peptidbindungen in Proteinen, d. h. durch eine Reaktion, bei der Wasser die Bindungen aufbricht. Proteasen sind an zahlreichen biologischen Funktionen beteiligt, darunter die Verdauung aufgenommener Proteine, der Proteinkatabolismus (Abbau alter Proteine) sowie die zelluläre Signalübertragung. Ohne unterstützende Mechanismen würde die Proteolyse sehr langsam ablaufen und Hunderte von Jahren erfordern. Proteasen kommen in allen Lebensformen sowie in Viren vor. Sie sind im Verlauf der Evolution mehrfach unabhängig voneinander entstanden, und unterschiedliche Proteaseklassen können dieselbe Reaktion über vollständig verschiedene katalytische Mechanismen vermitteln.

Klassifizierung

Sammelbegriff für eine Enzymklasse, die Peptidbindungen in Proteinen hydrolysiert. Je nach Art der Hydrolyse von Polypeptiden werden Proteasen in Endopeptidasen und Exopeptidasen unterteilt. Endopeptidasen spalten innerhalb des Proteinmoleküls und erzeugen dadurch Fragmente mit geringerer Molekülmasse sowie Peptone. Exopeptidasen hydrolysieren Peptidbindungen schrittweise vom freien Amino- bzw. Carboxylende des Proteinmoleküls und setzen dabei Aminosäuren frei. Erstere werden als Aminopeptidasen, letztere als Carboxypeptidasen bezeichnet. Nach aktivem Zentrum und optimalem pH-Wert lassen sich Proteasen in Serinproteasen, Sulfhydrylproteasen, Metalloproteasen und Aspartatproteasen einteilen. Nach dem optimalen pH-Wert der Reaktion unterscheidet man saure, neutrale und alkalische Proteasen. In der industriellen Produktion werden überwiegend Endopeptidasen eingesetzt.

Herkunft

Proteasen sind weit verbreitet in tierischen Organen, in Stängeln und Blättern von Pflanzen, in Früchten sowie in Mikroorganismen. Mikrobielle Proteasen werden hauptsächlich von Schimmelpilzen und Bakterien gebildet, gefolgt von Hefen und Actinomyceten.

Saure Protease

Der Begriff „saure Protease“ bedeutet, dass die Protease ein niedriges pH-Optimum aufweist, nicht jedoch, dass im aktiven Zentrum zwingend saure Gruppen vorliegen. Das pH-Optimum saurer Proteasen liegt etwa zwischen 2 (Pepsin) und etwa 4. Aus der Analyse der Enzymaktivitäts‑pH‑Kurve ergibt sich, dass im aktiven Zentrum eine oder mehrere Carboxylgruppen vorhanden sind. Die am umfassendsten untersuchte Protease dieser Klasse ist Pepsin.

Abbildung 1. Proteinstruktur einer sauren Protease.

Inhibitoren

Die Aktivität des weißen Enzyms wird durch Proteaseinhibitoren gehemmt. Ein Beispiel ist die Superfamilie der Serinproteaseinhibitoren. Dazu zählen α1‑Antitrypsin (schützt den Körper vor einer übermäßigen Wirkung körpereigener entzündungsassoziierter Proteasen), α1‑Antichymotrypsin (analog), C1‑Inhibitoren (schützen vor einer übermäßigen, proteasegetriggerten Aktivierung des Komplementsystems), Antithrombin (schützt vor übermäßiger Gerinnung), Plasminogenaktivator‑Inhibitor 1 (schützt vor unzureichender Gerinnung, indem er eine proteasegetriggerte Fibrinolyse verhindert) sowie neuroserine Proteaseinhibitoren.

Natürliche Proteaseinhibitoren umfassen die alicyclische Proteinfamilie, die an der Zellregulation und Differenzierung beteiligt ist. Es wurde festgestellt, dass an Lipocalin gebundene lipophile Liganden Eigenschaften zur Hemmung von Tumorproteasen aufweisen. Natürliche Proteaseinhibitoren sind nicht mit Proteaseinhibitoren zu verwechseln, die in der antiretroviralen Therapie eingesetzt werden. Einige Viren, einschließlich HIV/AIDS, sind während ihres Replikationszyklus auf Proteasen angewiesen. Daher wurden Proteaseinhibitoren als antivirale Wirkstoffe entwickelt.

Weitere natürliche Proteaseinhibitoren dienen als Abwehrmechanismen. Ein häufiges Beispiel ist der in einigen Pflanzensamen vorkommende Trypsininhibitor, dessen Bedeutung auch für den Menschen relevant ist. Sojabohnen sind eine wichtige Nahrungspflanze; die enthaltenen Inhibitoren können Fressfeinde abwehren. Unverarbeitete Sojabohnen sind für viele Tiere, einschließlich des Menschen, toxisch, bis die enthaltenen Proteaseinhibitoren denaturiert werden.

Referenz

1. Southan C.; et al. A genomic perspective on human proteases as drug targets. Drug Discovery Today. 2001, 6 (13): 681–688.