Cysteinprotease

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Cysteinproteasen umfassen Cathepsine B, H, L usw., die allgemein in Lysosomen vorkommen und hauptsächlich an der Phagozytose sowie der Entfernung und Verdauung überschüssiger Substanzen in Zellen beteiligt sind. Cysteinproteasen, auch bekannt als Thiolproteasen, sind Enzyme, die Proteine abbauen. Diese Proteasen teilen sich einen gemeinsamen katalytischen Mechanismus, der ein nucleophiles Cystein-Thiol in einem katalytischen Triade oder Dyade umfasst. Cysteinproteasen kommen häufig in Früchten wie Papaya, Ananas, Feige und Kiwi vor. Der Anteil der Protease ist tendenziell höher, wenn die Frucht unreif ist. Tatsächlich ist bekannt, dass Dutzende von Laticen verschiedener Pflanzenfamilien Cysteinproteasen enthalten. Cysteinproteasen werden als Zutat in Fleischzartmachern verwendet.

Abbildung 1. Proteinstruktur von Cysteinproteasen.

Einführungen

In den letzten Jahren hat die Rolle von Cathepsin B (CB) zunehmende Aufmerksamkeit erhalten. Der optimale pH-Wert von CB, das aus normalen Geweben isoliert wurde, ist sauer und es ist unter neutralen oder alkalischen Bedingungen inaktiv, aber CB in Tumorgeweben ist unter neutralen oder alkalischen Bedingungen aktiver, was anscheinend besser für den Stoffwechsel von malignen Tumorstörungen geeignet ist. CB kann Typ I Kollagen, LN, PG abbauen und interstitielle Kollagenase sowie Typ IV Kollagen aktivieren und Typ I, II, III und IV Kollagenfasern in der Matrix abbauen. Daher ist es an der Tumorinvasion und Metastasierung beteiligt. Wissenschaftler haben die Konzentration von Cysteinprotease und ihren Inhibitoren im Krebsgewebe und in den angrenzenden Geweben von Kehlkopfkrebs gemessen und festgestellt, dass die Konzentration von Cysteinprotease und ihren Inhibitoren in Krebsgeweben signifikant höher war als in den angrenzenden Geweben. Die Konzentration deutet darauf hin, dass sie möglicherweise am gesamten Prozess der Tumorinvasion beteiligt sind.

Katalytischer Mechanismus

Der erste Schritt des Reaktionsmechanismus, in dem Cysteinproteasen die Hydrolyse von Peptidbindungen katalysieren, besteht darin, dass die Sulfhydrylgruppe an der aktiven Stelle des Enzyms von benachbarten Aminosäuren mit basischen Seitenketten (gewöhnlich Histidin-Resten) deprotoniert wird. Der nächste Schritt ist der nucleophile Angriff des deprotonierten Cystein-Anion-Schwefels auf das Carbonylkohlenstoffatom des Substrats. In diesem Schritt wird das Aminterminus verwendet, um Fragmente des Substrats freizusetzen, der Histidinrest in der Protease wird in seine deprotonierte Form reduziert, und ein neuer Carboxyterminus des Substrats wird mit dem Cystein-Thiol verbunden. Thioester-Intermediates. Daher werden sie manchmal als Thiolproteasen bezeichnet. Die Thioesterbindung wird dann hydrolysiert, um Carbonsäuregruppen an den verbleibenden Substratfragmenten zu erzeugen, während das freie Enzym regeneriert wird.

Regulation

Proteasen werden normalerweise in große Vorläuferproteine, sogenannte Zymogene, synthetisiert, wie z.B. das Serinprotease-Vorläufer Trypsinogen und Chymotrypsin sowie das Aspartatprotease-Vorläufer Pepsinogen. Die Protease wird aktiviert, indem hemmende Segmente oder Proteine entfernt werden. Sobald die Protease in ein spezifisches intrazelluläres Kompartiment (z.B. Lysosom) oder die extrazelluläre Umgebung (z.B. Magen) geliefert wird, erfolgt die Aktivierung. Dieses System verhindert, dass die proteaseproduzierenden Zellen durch sie zerstört werden. Ein Proteaseinhibitor ist normalerweise ein Protein mit einer Domäne, die in die aktive Stelle der Protease eindringt oder diese blockiert, um den Eintritt des Substrats zu verhindern. Bei der kompetitiven Hemmung bindet der Inhibitor an die aktive Stelle und verhindert so die Wechselwirkung des Enzyms mit dem Substrat. Bei der nicht-kompetitiven Hemmung bindet der Inhibitor an die allosterische Stelle, wodurch die aktive Stelle verändert wird und das Substrat unzugänglich wird.

Inhibitoren

Cysteinproteaseinhibitoren können in drei Typen unterteilt werden: Typ I ist ein intrazelluläres Einzelkettenprotein mit 100 Aminosäure-Resten, ohne Disulfidbindungen und Zuckerketten; Typ II ist ein exokriner Typ mit etwa 115 Aminosäure-Resten und zwei Disulfidbindungen; Typ III ist ein multidomainales Protein, zu dieser Kategorie gehört das Säugetier-Kininogen. Darüber hinaus gibt es untypisierte Cysteinproteaseinhibitoren.

Referenz

1. Grudkowska M.; et al. Multifunctional role of plant cysteine proteinases. Biol Chem. Acta Biochim. Pol. 2004, 51 (3): 609–24.