Protease

Proteasen, auch Peptidasen oder Proteinase genannt, sind eine Art einfacher destruktiver Enzyme, die für den Proteinabbau und die Erzeugung von Aminosäuren in primitiven Organismen notwendig sind, indem sie Peptidbindungen hydrolysieren. Proteasen entstehen wahrscheinlich in den frühesten Phasen der Proteinentwicklung und wurden mehrfach angewendet. Verschiedene Klassen von Proteasen führen normalerweise die gleiche Proteolyse-Reaktion durch völlig unterschiedliche katalytische Mechanismen aus. Proteasen sind in einer Vielzahl von Quellen wie Animalia, Plantae, Pilzen, Bakterien, Archaeen und Viren zu finden und sie nehmen an vielen Körperprozessen teil, einschließlich Verdauung, Funktion des Immunsystems und Blutkreislauf.

Klassifikation

Basierend auf dem katalytischen Rest können Proteasen in sieben breite Gruppen eingeteilt werden: Serinproteasen, Cysteinproteasen, Threoninproteasen, Aspartatproteasen, Glutamatproteasen, Metalloproteasen und Asparagin-Peptidlyasen, wobei ein Asparagin eine Eliminierungsreaktion durchführt (kein Wasser erforderlich).

Tatsächlich werden Proteasen hauptsächlich in 84 Familien gruppiert, basierend auf ihrer evolutionären Beziehung und unter vier katalytischen Typen klassifiziert: Serin-, Cystein-, Aspartat- und Metalloproteasen. Erst 1995 und 2004 wurden die Threonin- und Glutaminsäureproteasen beschrieben. Die Asparagin-Peptidlyase als siebter katalytischer Typ der proteolytischen Enzyme wurde 2011 beschrieben. Ihr proteolytischer Mechanismus ist ungewöhnlich, da sie eine Eliminierungsreaktion ausführt, bei der das katalytische Asparagin eine zyklische chemische Struktur bildet, die sich unter geeigneten Bedingungen an Asparagin-Resten in Proteinen selbst spaltet. Dank des grundlegend anderen Mechanismus ist es umstritten, die Peptidlyase als Peptidase einzuschließen. Alternativ können Proteasen auch basierend auf dem optimalen pH-Wert klassifiziert werden, bei dem sie aktiv sind. Nach dieser Klassifizierungsmethode können saure Proteasen, basische Proteasen (oder alkalische Proteasen) und neutrale Proteasen, die an Typ-1-Hypersensitivität beteiligt sind, gefunden werden. Eine weitere aktuelle Klassifikation der evolutionären Superfamilien von Proteasen ist in der MEROPS-Datenbank zu finden, wo Proteasen zunächst nach 'Clan' (Superfamilie) basierend auf Struktur, Mechanismus und Reihenfolge der katalytischen Reste klassifiziert werden. Innerhalb jedes 'Clans' werden Proteasen weiter in Familien basierend auf Sequenzähnlichkeit klassifiziert, und jede Familie kann Hunderte verwandter Proteasen haben. Bis jetzt sind mehr als 50 Clans bekannt, von denen jeder einen unabhängigen evolutionären Ursprung der Proteolyse anzeigt.

Katalytischer Mechanismus

Proteasen sind daran beteiligt, lange Proteinketten in kürzere Fragmente zu schneiden, indem sie die Peptidbindungen, die Aminosäurereste verbinden, spalten. Einige können die terminalen Aminosäuren von der Proteinkette abtrennen, während andere interne Peptidbindungen eines Proteins angreifen könnten. Der Katalyseprozess wird durch einen der beiden folgenden Mechanismen erreicht. Aspartat-, Glutamat- und Metalloproteasen aktivieren ein Wassermolekül, das als Nucleophil direkt angreift und die Peptidbindung hydrolysiert. Serin-, Threonin- und Cysteinproteasen verwenden einen nucleophilen Rest (normalerweise in einem katalytischen Triade), der das Substratprotein angreift, um es kovalent mit der Protease zu verknüpfen, wodurch die erste Hälfte des Produkts freigesetzt wird. Dieses kovalente Acyl-Enzym-Intermediat wird weiter durch das aktivierte Wasser abgebaut, um die Katalyse abzuschließen, indem die zweite Hälfte des Produkts freigesetzt und das freie Enzym regeneriert wird. Die Proteolyse könnte so promiscuous sein, dass eine breite Palette von Protein-Substraten hydrolysiert wird. Dies ist der Fall für das Verdauungsenzym Trypsin, das in der Lage ist, die Vielzahl der aufgenommenen Proteine in kleinere Peptidfragmente zu spalten. Promiskuitive Proteasen können typischerweise an eine einzelne Aminosäure auf dem Substrat binden und haben daher nur Spezifität für dieses Rest. Einige Proteasen sind ziemlich spezifisch und verdauen lediglich Substrate mit einer bestimmten Sequenz. Dieses Maß an Spezifität ist eine Voraussetzung für die Blutgerinnung und das virale Polyprotein, um präzise Spaltvorgänge zu erreichen. Proteasen, die selbst Proteine sind, können auch von anderen Proteasemolekülen, manchmal derselben Art, hydrolysiert werden, was als regulierende Methode der Proteaseaktivität fungiert. Einige Proteasen verhalten sich nach der Autolyse weniger aktiv, während andere aktiver sind.

Funktionen

Es ist schon lange her, dass Studien über Proteasen hauptsächlich auf ihre ursprünglichen Rollen als grobe Aggressoren für den Proteinabbau fokussiert waren. Über diese unspezifischen abbauenden Funktionen hinaus katalysieren Proteasen auch hochspezifische Reaktionen der proteolytischen Verarbeitung zur Erzeugung neuer Proteinprodukte, was eine neue Ära in der Proteasenforschung einleitet. Eine große Sammlung von Erkenntnissen hat die Relevanz von Proteasen bei der Kontrolle mehrerer biologischer Prozesse in allen lebenden Organismen durch Regulierung des Schicksals, der Lokalisation und der Aktivität vieler Proteine, Modulation von Protein-Protein-Interaktionen, Schaffung neuer bioaktiver Moleküle, Beitrag zur Verarbeitung zellulärer Informationen und Generierung, Transduktion und Verstärkung molekularer Signale demonstriert. Als Ergebnis dieser vielfältigen Aktionen könnten Proteasen somit die Replikation und Transkription von DNA, die Proliferation und Differenzierung von Zellen, die Morphogenese und Umgestaltung von Geweben, die Hitzeschock- und ungefaltete Proteinantworten, Entzündungen, Immunität, Apoptose usw. beeinflussen.

Anwendungen

Der Forschungswert von Proteasen ist enorm und Proteasen wurden in der Industrie, Medizin und Biotechnologie weit verbreitet angewendet. In Übereinstimmung mit den wesentlichen Rollen von Proteasen in lebenden Organismen würden geringfügige Veränderungen in proteolytischen Systemen mehreren pathologischen Bedingungen wie neurodegenerativen Erkrankungen, Krebs, Herz-Kreislauf- und Entzündungserkrankungen zugrunde liegen. Daher spielen Proteasen entsprechend bedeutende Rollen in der pharmazeutischen Industrie als potenzielle Arzneimittelziele oder als diagnostische und prognostische Biomarker. Eine Vielzahl von Proteasen wird medizinisch sowohl für ihre native Funktion als auch für vollständig künstliche Funktionen angewendet. Proteasen tragen auch zur Verarbeitung, Reifung oder Zerstörung spezifischer Sätze von Pflanzenproteinen als Reflexion von Entwicklungsreizen oder Umweltvariationen bei. In ähnlicher Weise betrachten viele infektiöse Mikroorganismen Proteasen als Notwendigkeiten für die Replikation oder behandeln sie als Virulenzfaktoren, was die Entwicklung von protease-targetierten Therapien zur Behandlung von Krankheiten mit großer Relevanz für das menschliche Leben beschleunigte. Proteasen sind auch der Hauptfokus in der biotechnologischen Industrie aufgrund ihrer Nützlichkeit als biochemische Reagenzien oder in der Herstellung zahlreicher Produkte. Verdauungsproteasen, die Teil vieler Waschmittel sind, können auch umfangreich in der Brotindustrie als Brotverbesserer eingesetzt werden.

Biodiversität

Proteasen sind in allen Organismen von Prokaryoten über Eukaryoten bis hin zu Viren vorhanden und an einer Vielzahl physiologischer Reaktionen beteiligt, von der einfachen Verdauung von Nahrungsproteinen bis hin zu hochregulierten Kaskaden. Proteasen in Pflanzen mit bekannter Funktion sind größtenteils an der Entwicklungsregulation beteiligt und spielen auch eine Rolle bei der Regulierung der Photosynthese. Tierische Proteasen sind hilfreich, um das Protein in Lebensmitteln zu verdauen und den Stoffwechsel zu steuern. Von Bakterien sezernierte Proteasen sind besonders wichtig für die globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe bei der Wiederverwertung von Proteinen, die in diesen Organismen durch Ernährungssignale reguliert werden. Eine bakterielle Protease kann auch als Exotoxin oder Virulenzfaktor fungieren, der zur bakteriellen Pathogenese führt. Proteasen von Viren zeigen eine hohe Spezifität und spalten nur eine sehr eingeschränkte Menge von Substratsequenzen. Proteasen können entweder eine begrenzte Proteolyse durchführen, indem sie spezifische Peptidbindungen brechen, abhängig von der Aminosäuresequenz eines Proteins, oder unbegrenzte Proteolyse durchführen, indem sie ein Peptid vollständig in Aminosäuren abbauen. Die Aktivität kann eine destruktive Veränderung durch die Aufhebung der Funktion eines Proteins oder dessen Verdauung zu seinen Hauptbestandteilen sein und kann auch eine Aktivierung einer Funktion und sogar ein Signal in einem Signalweg sein.

Referenz