Protease

Proteasen, auch als Peptidasen oder Proteinase bezeichnet, sind eine Klasse hydrolytischer Enzyme, die für den Proteinabbau (Katabolismus) und die Freisetzung von Aminosäuren in primitiven Organismen durch Spaltung von Peptidbindungen erforderlich sind. Proteasen sind vermutlich bereits in sehr frühen Phasen der Proteinevolution entstanden und wurden vielfach genutzt. Unterschiedliche Proteaseklassen katalysieren in der Regel dieselbe Proteolyse-Reaktion über vollständig unterschiedliche katalytische Mechanismen. Proteasen kommen in einer Vielzahl von Quellen vor, darunter Tiere, Pflanzen, Pilze, Bakterien, Archaeen und Viren, und sind an zahlreichen physiologischen Prozessen beteiligt, einschließlich Verdauung, Funktion des Immunsystems und Blutkreislauf.

Klassifizierung

Auf Basis des katalytischen Restes lassen sich Proteasen in sieben übergeordnete Gruppen einteilen: Serinproteasen, Cysteinproteasen, Threoninproteasen, Aspartatproteasen, Glutamatproteasen, Metalloproteasen sowie Asparagin-Peptid-Lyasen, bei denen Asparagin eine Eliminierungsreaktion katalysiert (ohne Wasserbedarf).

Tatsächlich werden Proteasen primär anhand ihrer evolutionären Verwandtschaft in 84 Familien gruppiert und vier katalytischen Typen zugeordnet: Serin-, Cystein-, Aspartat- und Metalloproteasen. Erst 1995 bzw. 2004 wurden Threonin- und Glutaminsäure-Proteasen beschrieben. Asparagin-Peptid-Lyasen als siebter katalytischer Typ proteolytischer Enzyme wurden 2011 beschrieben. Ihr proteolytischer Mechanismus ist ungewöhnlich, da sie eine Eliminierungsreaktion ausführen, bei der das katalytische Asparagin eine zyklische chemische Struktur bildet, die unter geeigneten Bedingungen eine Selbstspaltung an Asparaginresten in Proteinen bewirkt. Aufgrund dieses grundlegend unterschiedlichen Mechanismus ist die Einordnung von Peptid-Lyasen als Peptidasen umstritten. Alternativ können Proteasen auch nach dem optimalen pH-Wert klassifiziert werden, bei dem sie aktiv sind. Nach dieser Klassifikationsmethode lassen sich saure Proteasen, basische Proteasen (oder alkalische Proteasen) sowie neutrale Proteasen, die an Typ‑I‑Hypersensitivitätsreaktionen beteiligt sind, unterscheiden. Eine weitere aktuelle Klassifizierung evolutionärer Protease-Superfamilien findet sich in der MEROPS-Datenbank, in der Proteasen zunächst nach „Clan“ (Superfamilie) anhand von Struktur, Mechanismus und Reihenfolge der katalytischen Reste klassifiziert werden. Innerhalb eines „Clans“ werden Proteasen anhand der Sequenzähnlichkeit weiter in Familien eingeteilt, wobei jede Familie Hunderte verwandter Proteasen umfassen kann. Bis heute sind mehr als 50 Clans bekannt, von denen jeder einen unabhängigen evolutionären Ursprung der Proteolyse anzeigt.

Katalytischer Mechanismus

Proteasen sind an der Spaltung langer Proteinketten in kürzere Fragmente beteiligt, indem sie die Peptidbindungen zwischen Aminosäureresten hydrolysieren. Einige entfernen terminale Aminosäuren vom Proteinstrang, andere greifen interne Peptidbindungen eines Proteins an. Die Katalyse erfolgt über einen von zwei Mechanismen. Aspartat-, Glutamat- und Metalloproteasen aktivieren ein Wassermolekül, das als Nukleophil direkt die Peptidbindung angreift und hydrolysiert. Serin-, Threonin- und Cysteinproteasen nutzen einen nukleophilen Rest (häufig in einer katalytischen Triade), der das Substratprotein angreift und kovalent mit der Protease verknüpft, wodurch die erste Produkthälfte freigesetzt wird. Dieses kovalente Acyl-Enzym-Zwischenprodukt wird anschließend durch aktiviertes Wasser weiter abgebaut, wodurch die Katalyse durch Freisetzung der zweiten Produkthälfte abgeschlossen und das freie Enzym regeneriert wird. Proteolyse kann so wenig selektiv sein, dass ein breites Spektrum an Proteinsubstraten hydrolysiert wird. Dies ist beispielsweise bei dem Verdauungsenzym Trypsin der Fall, das eine Vielzahl aufgenommener Proteine in kleinere Peptidfragmente spalten kann. Wenig selektive Proteasen binden jedoch typischerweise an eine einzelne Aminosäure im Substrat und weisen daher nur Spezifität für diesen Rest auf. Einige Proteasen sind sehr spezifisch und spalten ausschließlich Substrate mit einer bestimmten Sequenz. Dieses Spezifitätsniveau ist eine Voraussetzung für die Blutgerinnung sowie für virale Polyproteine, um präzise Spaltungsereignisse zu gewährleisten. Proteasen, die selbst Proteine sind, können zudem durch andere Proteasemoleküle hydrolysiert werden, mitunter derselben Art, was als Mechanismus zur Regulation der Proteaseaktivität dient. Einige Proteasen sind nach Autolyse weniger aktiv, andere hingegen aktiver.

Funktionen

Lange Zeit konzentrierten sich Studien zu Proteasen vor allem auf ihre ursprünglichen Rollen als unspezifische „Akteure“ des Proteinabbaus. Über diese unspezifischen degradativen Funktionen hinaus katalysieren Proteasen jedoch auch hochspezifische Reaktionen der proteolytischen Prozessierung zur Bildung neuer Proteinprodukte, was eine neue Ära der Proteaseforschung einleitete. Zahlreiche Befunde belegen die Relevanz von Proteasen für die Steuerung vielfältiger biologischer Prozesse in allen lebenden Organismen, indem sie das Schicksal, die Lokalisation und die Aktivität vieler Proteine regulieren, Protein‑Protein‑Interaktionen modulieren, neue bioaktive Moleküle erzeugen, zur Verarbeitung zellulärer Information beitragen sowie molekulare Signale generieren, weiterleiten und verstärken. Infolge dieser vielfältigen Wirkungen können Proteasen unter anderem DNA‑Replikation und -Transkription, Zellproliferation und -differenzierung, Morphogenese und Gewebe-Remodelling, Hitzeschock- und Unfolded‑Protein‑Response, Entzündung, Immunität, Apoptose und weitere Prozesse beeinflussen.

Anwendungen

Der Forschungswert von Proteasen ist enorm, und Proteasen werden in Industrie, Medizin und Biotechnologie breit eingesetzt. In Übereinstimmung mit den essenziellen Rollen von Proteasen in lebenden Organismen können bereits geringfügige Veränderungen proteolytischer Systeme zahlreichen pathologischen Zuständen zugrunde liegen, etwa neurodegenerativen Erkrankungen, Krebs sowie kardiovaskulären und entzündlichen Erkrankungen. Entsprechend spielen Proteasen in der pharmazeutischen Industrie eine bedeutende Rolle als potenzielle Arzneimittelzielstrukturen (Drug Targets) oder als diagnostische und prognostische Biomarker. Eine Vielzahl von Proteasen wird medizinisch eingesetzt, sowohl für ihre natürlichen Funktionen als auch für vollständig künstliche Anwendungen. Proteasen tragen zudem zur Verarbeitung, Reifung oder zum Abbau spezifischer Gruppen pflanzlicher Proteine bei, als Reaktion auf Entwicklungsreize oder Umweltveränderungen. Ebenso benötigen viele infektiöse Mikroorganismen Proteasen für die Replikation oder nutzen sie als Virulenzfaktoren, was die Entwicklung proteasegerichteter Therapien zur Behandlung von Erkrankungen mit hoher Relevanz für den Menschen beschleunigt hat. Proteasen stehen auch in der biotechnologischen Industrie im Fokus, da sie als biochemische Reagenzien oder bei der Herstellung zahlreicher Produkte nützlich sind. Verdauungsproteasen als Bestandteil vieler Waschmittel werden zudem in der Backindustrie umfangreich als Backmittel (Brotverbesserer) eingesetzt.

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 zu hochregulierten Kaskaden. Proteasen in Pflanzen mit bekannter Funktion sind weitgehend an der Entwicklungsregulation beteiligt und spielen zudem eine Rolle bei der Regulation der Photosynthese. Tierische Proteasen unterstützen die Verdauung von Nahrungsproteinen und steuern den Stoffwechsel. Von Bakterien sezernierte Proteasen sind insbesondere für die globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe bei der Wiederverwertung von Proteinen bedeutsam und werden in diesen Organismen häufig durch Nährstoffsignale reguliert. Eine bakterielle Protease kann auch als Exotoxin oder Virulenzfaktor wirken und zur bakteriellen Pathogenese beitragen. Virusproteasen weisen eine hohe Spezifität auf und spalten nur ein sehr begrenztes Spektrum an Substratsequenzen. Proteasen können entweder eine limitierte Proteolyse durch Spaltung spezifischer Peptidbindungen – abhängig von der Aminosäuresequenz eines Proteins – durchführen oder eine unlimitierte Proteolyse durch vollständigen Abbau eines Peptids zu Aminosäuren. Die Aktivität kann eine destruktive Veränderung darstellen, indem sie die Funktion eines Proteins aufhebt oder es in seine Hauptbestandteile zerlegt; sie kann jedoch auch eine Aktivierung einer Funktion bewirken und sogar als Signal in einem Signaltransduktionsweg dienen.

Referenz