Aminopeptidase

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Aminopeptidase ist eine Form der Exoprotease, die selektiv Aminosäurereste vom N‑Terminus von Proteinen und Polypeptiden abspalten kann, um freie Aminosäuren zu erzeugen. Proteasen lassen sich entsprechend den unterschiedlichen Angriffspunkten in zwei Kategorien einteilen: Endoproteasen und Exoproteasen. Exoproteasen können in Aminopeptidasen und Carboxypeptidasen unterteilt werden.

Abbildung 1. Proteinstruktur der Aminopeptidase.

Klassifikationen

Es gibt viele Arten von Aminopeptidasen, und eine Einteilung nach unterschiedlichen Merkmalen ist sehr hilfreich, um Aminopeptidasen zu kennen und zu verstehen. Es existieren zahlreiche Klassifikationsansätze, z. B. nach Substratspezifität, zellulärer Lokalisation, katalytischen Eigenschaften, optimalem pH‑Wert usw. Im Folgenden werden drei wesentliche Klassifikationsmethoden vorgestellt:

(1) Entsprechend der unterschiedlichen Substratspezifität werden Aminopeptidasen in zwei Kategorien eingeteilt: Zum einen Aminopeptidasen mit strenger Substratspezifität, die nur eine oder wenige ähnliche Aminosäuren spezifisch hydrolysieren können; zum anderen Aminopeptidasen mit breiterem Substratspektrum, die die meisten Aminosäuren hydrolysieren können. Diese Art von Aminopeptidasen wird in der Regel nach ihrem bevorzugten Reaktionssubstrat benannt.

(2) Entsprechend dem katalytischen Mechanismus lassen sich Aminopeptidasen in drei Kategorien einteilen: Metallo‑, Cystein‑ und Serin‑Aminopeptidasen. Die meisten beschriebenen Aminopeptidasen sind Metalloaminopeptidasen und machen etwa 70 % der Gesamtzahl aus.

(3) Entsprechend dem optimalen pH‑Wert können Aminopeptidasen in saure, neutrale und alkalische Aminopeptidasen unterteilt werden. Üblicherweise bezeichnet man Aminopeptidasen mit einem optimalen pH‑Wert von 2,0–6,0 als saure, solche mit pH 6–8 als neutrale und solche mit pH‑Werten über 8,5 als alkalische Aminopeptidasen. Die meisten aus Bakterien stammenden Aminopeptidasen sind alkalische Aminopeptidasen. Der optimale Reaktions‑pH von Aminopeptidasen liegt im Allgemeinen bei 6–9; nur wenige Aminopeptidasen liegen außerhalb dieses Bereichs.

(4) Abhängig von der zellulären Lokalisation kommen einige Aminopeptidasen im Zytoplasma vor, einige befinden sich an der Zellwand bestimmter grampositiver Bakterien, und ein kleiner Anteil kann mit der Membran interagieren bzw. membrangebunden sein.

Herkunft

Als Protease ist die Aminopeptidase in unterschiedlichen Organismen weit verbreitet, darunter Säugetiere, Pflanzen, Mikroorganismen usw. Bei Tieren isolierte der japanische Wissenschaftler Akihiro Okitani erstmals ein proteolytisches Enzym mit Aminopeptidase‑Aktivität aus Kaninchen‑Skelettmuskel und bezeichnete es als „BANA‑Hydrolase H“. Zuvor berichteten der chinesische Wissenschaftler Mei Chuansheng et al. erstmals über eine pflanzlich gewonnene Aminopeptidase und untersuchten die Veränderungen dieses Enzyms während der Seneszenz von Reisblättern. Mit der vertieften Forschung zu Aminopeptidasen wurden zunehmend weitere Aminopeptidasen aus Pflanzen und Tieren beschrieben.

Anwendung

• Zur Entfernung des Bittergeschmacks von Proteinhydrolysaten

Bei der enzymatischen Verdauung von Proteinmakromolekülen werden die in der Peptidkette enthaltenen hydrophoben Aminosäuren exponiert, stimulieren die Geschmacksknospen und erzeugen einen bitteren Geschmack. Daher weisen Proteinhydrolysate nach proteolytischer Hydrolyse üblicherweise Bitterkeit auf. Studien berichten, dass der Einsatz von Aminopeptidase zur weiteren Hydrolyse der Protein‑Enzymlösung den Bittergeschmack entfernen kann.

• Tiefenhydrolyse von Proteinen

In Kombination mit Proteasen kann der Hydrolysegrad von Proteinen deutlich erhöht werden. Bei der Herstellung von Sojasauce, der Käseproduktion und anderen proteinbasierten Hydrolyseprodukten kann die Proteinausnutzung verbessert und Kosten können reduziert werden. Beispielsweise verwendeten Cui Chun und Zhao Mouming eine Aromaprotease (ein Komplex aus Protease und Aminopeptidase) zur tiefen enzymatischen Hydrolyse von Protein aus „blue garden fish ginseng“. Nach 6 Stunden Enzymhydrolyse erreichte die Proteinausnutzung 83,3 %, und der Hydrolysegrad erreichte nach 21 Stunden 59,7 %.

• Herstellung biologisch aktiver Peptide

Die meisten biologisch aktiven Peptide sind Zellwachstumsfaktoren. Ihr Gehalt im Körper ist äußerst gering, ihre biologische Aktivität jedoch sehr hoch, und sie übernehmen regulatorische Funktionen in vielfältigen zellphysiologischen Prozessen und Stoffwechselaktivitäten. Sie werden zudem mit gesundheitsfördernden und kosmetischen Effekten in Verbindung gebracht. Die Gewinnung spezifischer aktiver Peptide durch kontrollierte enzymatische Proteinhydrolyse ist ein sicheres und effizientes Verfahren zur Herstellung aktiver Peptide. Liu Communication und andere hydrolysierten zunächst Sojaproteinisolat mit Protease und anschließend mit Aminopeptidase. Die Studie zeigte, dass der Peptidgehalt im Produkt im Vergleich zur alleinigen Proteasehydrolyse um etwa 12 % erhöht werden kann.

• Spezielle medizinische Anwendung

Prolinase kann neurotoxische chemische Kampfstoffe und organophosphorhaltige Pestizide wirksam entfernen und kann sowohl als medizinisches Antidot als auch als Umweltdesinfektionsmittel eingesetzt werden. Leucyl‑Aminopeptidase kann zudem als molekulares Werkzeug zur Bestimmung von Proteinsequenzen verwendet werden.

Literatur

1. Karmen A.; et al. Transaminase activity in human blood. The Journal of Clinical Investigation. 1955, 34 (1): 126–31.
2. Giannini EG.; et al.. Liver enzyme Aminopeptidaseeration: a guide for clinicians. Canadian Medical Association Journal. 2005, 172 (3): 367–79.