Pepsin

Pepsin ist eine Aspartatprotease und Endopeptidase, die Proteine in kleinere Peptide spaltet. Pepsin ist eine der drei wichtigsten Proteasen des menschlichen Verdauungssystems. Es wird im Magen gebildet und unterstützt die Verdauung von Nahrungsproteinen. Die beiden anderen sind Chymotrypsin und Trypsin. Jedes Verdauungsenzym spaltet spezifische Peptidbindungen zwischen bestimmten Aminosäuretypen; Pepsin spaltet dabei besonders effizient Peptidbindungen zwischen hydrophoben und aromatischen Aminosäuren. Diese Verdauungsenzyme wirken zusammen, um Nahrungsproteine in Peptide und Aminosäuren zu zerlegen, die schließlich im Dünndarm resorbiert werden.

Vorläufer

Pepsinogen ist die Vorstufe von Pepsin und wird von Hauptzellen der Magenwand freigesetzt. Seine Primärstruktur umfasst 44 Aminosäuren. Im Vergleich zu Pepsin ist Pepsinogen in neutraler und schwach alkalischer Umgebung stabil; bei Exposition gegenüber Salzsäure im Magensaft werden diese 44 Aminosäuren jedoch autokatalytisch abgespalten und das Molekül zu Pepsin aktiviert. Belegzellen der Magenwand sezernieren Salzsäure (HCl); Pepsinogen kann durch Salzsäure aktiviert werden. Gastrin und der Vagusnerv lösen bei der Nahrungsaufnahme die Freisetzung von Pepsinogen und Salzsäure aus der Magenwand aus. Salzsäure schafft ein saures Milieu, wodurch Pepsinogen entfaltet und autokatalytisch gespalten wird und so Pepsin entsteht. Pepsin spaltet die 44 Aminosäuren aus Pepsinogen ab und erzeugt dadurch weiteres Pepsin.

Struktur

Pepsin ist ein Kettenprotein (Monomer), das aus zwei ähnlich gefalteten Domänen besteht, die durch eine tiefe Spalte getrennt sind. Das katalytische Zentrum von Pepsin befindet sich an der Domänengrenze; jede Domäne enthält zwei Aspartatreste, Asp32 und Asp215. Unter der Katalyse von Pepsin unterstützt ein Wassermolekül die Ausbildung positiver bzw. negativer Ladungen an der aktiven Carboxylgruppe in Wechselwirkung mit Aspartat 215 bzw. Aspartat 32, wodurch die Peptidbindung im Protein gespalten wird.

Stabilität

Pepsin ist in einem sauren Milieu bei 37 °C bis 42 °C am aktivsten. Die höchste Aktivität zeigt Pepsin bei pH 2,0; oberhalb von pH 6,5 ist es inaktiv, und oberhalb von pH 8,0 ist es vollständig denaturiert bzw. irreversibel inaktiviert. Daher kann Pepsin in Lösungen unterhalb von pH 8,0 nach erneuter Ansäuerung reaktiviert werden. Die Stabilität von Pepsin bei hohen pH-Werten ist von großer Bedeutung für Erkrankungen im Zusammenhang mit pharyngealem und laryngealem Reflux.

Physiologische Effekte

Pepsin ist eine der Hauptursachen für Schleimhautschädigungen bei pharyngealem und laryngealem Reflux. Nach einem pharyngealen Reflux verbleibt Pepsin weiterhin im Pharynx und Larynx. Obwohl sich das Enzym dann in einem neutralen Milieu befindet, kann es bei einem nachfolgenden sauren Refluxereignis reaktiviert werden. Nach Aktivierung wird die Larynxschleimhaut aktivem Pepsin ausgesetzt, was zu einer verminderten Expression protektiver Proteine führt und damit die Anfälligkeit für laryngeale Läsionen erhöht. Darüber hinaus kann Pepsin auch bei schwach sauren oder nicht-sauren Refluxereignissen Schleimhautschäden verursachen. Pepsin kann in den oberen Atemwegen über rezeptorvermittelte Endozytose internalisiert werden. Nach Aufnahme in die Zellen wird Pepsin in intrazellulären Vesikeln mit niedrigem pH-Wert gespeichert, wodurch die Enzymaktivität wiederhergestellt wird. Die Exposition von Pepsin gegenüber neutralem pH sowie die Internalisierung führen zu Veränderungen in der Expression entzündungsassoziierter Gene, die als Grundlage für Refluxzeichen und -symptome sowie für die Tumorprogression gelten. Pepsin in Atemwegsproben wird als sensitiver und spezifischer Marker für pharyngealen Reflux angesehen.

Inhibitoren

Pepstatin ist eine niedermolekulare Verbindung mit starker inhibitorischer Wirkung auf saure Proteasen. Statin ist ein potenzielles Übergangszustandsanalogon der Katalyse saurer Proteasen. Der Styl-Rest von Pepstatin wird als mit der Hemmung von Pepsin assoziiert angesehen. Pepstatin bindet nicht kovalent an Pepsin; die Hemmung ist daher reversibel. 1-bis(diazoacetyl)-2-phenylethan kann Pepsin bei pH 5,0 inaktivieren. Sucralfat kann ebenfalls die Pepsinaktivität hemmen.

Anwendungen

Pepsin kann in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Pepsin ist Bestandteil von Labpräparaten, die bei der Käseherstellung zur Gerinnung und Strukturierung beitragen. Pepsin kann zur Modifikation von Sojaprotein und Gelatine verwendet werden und Schaumeigenschaften verbessern. Es kann zudem pflanzliche Proteine für nicht-milchbasierte Snacks modifizieren und vorgekochte Cerealien zu Instant-Heißgetreideprodukten aufbereiten. Pepsin kann außerdem zur Herstellung tierischer und pflanzlicher Proteinhydrolysate für die Aromatisierung von Lebensmitteln und Getränken eingesetzt werden. In der Lederindustrie wird es zur Enthaarung und zur Entfernung von Restgewebe von Häuten verwendet sowie zur Rückgewinnung von Silber aus ausrangierten fotografischen Filmen durch Verdauung der Gelatineschicht, in der das Silber gebunden ist.