Cysteinprotease

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Cysteinproteasen umfassen u. a. Cathepsine B, H, L usw., die in der Regel in Lysosomen vorkommen und hauptsächlich an der Phagozytose sowie an der Entfernung und dem Abbau überschüssiger Substanzen in Zellen beteiligt sind. Cysteinproteasen, auch als Thiolproteasen bezeichnet, sind Enzyme, die Proteine abbauen. Diese Proteasen weisen einen gemeinsamen katalytischen Mechanismus auf, der ein nukleophiles Cystein-Thiol in einer katalytischen Triade oder Dyade umfasst. Cysteinproteasen kommen häufig in Früchten wie Papaya, Ananas, Feige und Kiwi vor. Der Anteil an Protease ist tendenziell höher, wenn die Frucht unreif ist. Tatsächlich ist bekannt, dass Dutzende von Latexarten unterschiedlicher Pflanzenfamilien Cysteinproteasen enthalten. Cysteinproteasen werden als Bestandteil in Fleischzartmachern eingesetzt.

Abbildung 1. Proteinstruktur von Cysteinproteasen.

Einführung

In den letzten Jahren hat die Rolle von Cathepsin B (CB) zunehmende Aufmerksamkeit erhalten. Das optimale pH-Milieu von aus Normalgeweben isoliertem CB ist sauer; unter neutralen oder alkalischen Bedingungen ist es inaktiv. CB in Tumorgeweben ist hingegen unter neutralen oder alkalischen Bedingungen aktiver, was offenbar besser zu den Stoffwechselbedingungen maligner Tumoren passt. CB kann Kollagen Typ I, Laminin (LN) und Proteoglykane (PG) abbauen, interstitielle Kollagenase aktivieren sowie Kollagen Typ IV aktivieren und Kollagenfasern der Typen I, II, III und IV in der Matrix degradieren. Daher ist es an Tumorinvasion und Metastasierung beteiligt. Wissenschaftler bestimmten die Konzentration von Cysteinproteasen und deren Inhibitoren in Tumorgewebe und angrenzendem Gewebe bei Larynxkarzinom und stellten fest, dass die Konzentrationen von Cysteinproteasen und ihren Inhibitoren im Tumorgewebe signifikant höher waren als im angrenzenden Gewebe. Diese Befunde deuten darauf hin, dass sie am gesamten Prozess der Tumorinvasion beteiligt sein könnten.

Katalytischer Mechanismus

Der erste Schritt des Reaktionsmechanismus, mit dem Cysteinproteasen die Hydrolyse von Peptidbindungen katalysieren, besteht darin, dass die Sulfhydrylgruppe im aktiven Zentrum des Enzyms durch benachbarte Aminosäuren mit basischen Seitenketten (in der Regel Histidinreste) deprotoniert wird. Im nächsten Schritt erfolgt der nukleophile Angriff des deprotonierten Cystein-Anion-Schwefels auf das Carbonylkohlenstoffatom des Substrats. In diesem Schritt wird das Aminende genutzt, um Substratfragmente freizusetzen; der Histidinrest in der Protease liegt anschließend in seiner deprotonierten Form vor, und ein neues Carboxylende des Substrats wird über das Cystein-Thiol gebunden. Es entsteht ein Thioester-Zwischenprodukt. Daher werden sie mitunter als Thiolproteasen bezeichnet. Die Thioesterbindung wird anschließend hydrolysiert, wodurch Carbonsäuregruppen an den verbleibenden Substratfragmenten entstehen und zugleich das freie Enzym regeneriert wird.

Regulation

Proteasen werden üblicherweise als große Vorläuferproteine, sogenannte Zymogene, synthetisiert, z. B. als Vorstufen der Serinproteasen Trypsinogen und Chymotrypsin sowie als Vorstufe der Aspartatprotease Pepsinogen. Die Protease wird durch Abspaltung inhibitorischer Segmente oder Proteine aktiviert. Sobald die Protease in ein spezifisches intrazelluläres Kompartiment (z. B. Lysosom) oder in die extrazelluläre Umgebung (z. B. Magen) gelangt, erfolgt die Aktivierung. Dieses System verhindert, dass proteaseproduzierende Zellen durch die Protease selbst geschädigt werden. Ein Proteaseinhibitor ist in der Regel ein Protein mit einer Domäne, die in das aktive Zentrum der Protease eindringt oder dieses blockiert und dadurch den Zugang des Substrats verhindert. Bei kompetitiver Hemmung bindet der Inhibitor an das aktive Zentrum und verhindert dadurch die Interaktion des Enzyms mit dem Substrat. Bei nichtkompetitiver Hemmung bindet der Inhibitor an eine allosterische Bindungsstelle, verändert dadurch das aktive Zentrum und macht das Substrat unzugänglich.

Inhibitoren

Cysteinprotease-Inhibitoren lassen sich in drei Typen einteilen: Typ I ist ein intrazelluläres einkettiges Protein mit 100 Aminosäureresten, ohne Disulfidbrücken und ohne Zuckerketten; Typ II ist ein exokriner Typ mit etwa 115 Aminosäureresten und zwei Disulfidbrücken; Typ III ist ein Multidomänenprotein, zu dem das Säugetier-Kininogen gehört. Darüber hinaus existieren nicht typisierte Cysteinprotease-Inhibitoren.

Referenz

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