Proteinase

Verwandte Lektüre

Proteasen sind ein Sammelbegriff für eine Enzymklasse, die Peptidbindungen in Proteinen hydrolytisch spaltet. Je nach Art des Polypeptidabbaus werden sie in Endopeptidasen und Exopeptidasen eingeteilt. Erstere spalten hochmolekulare Polypeptidketten innerhalb der Kette und bilden dadurch niedermolekulare Peptide und Peptone; letztere werden in Carboxypeptidasen und Aminopeptidasen unterteilt, die Peptide jeweils schrittweise vom freien Carboxyl- bzw. vom freien Aminoende des Polypeptids abspalten.

Abbildung 1. Proteinstruktur einer Protease.

Klassifikation

Sammelbegriff für eine Enzymklasse, die Protein-Peptidbindungen hydrolysiert. Entsprechend der Art der Hydrolyse von Polypeptiden werden Proteasen in Endopeptidasen und Exopeptidasen eingeteilt. Endopeptidasen spalten innerhalb von Proteinmolekülen und erzeugen dadurch Fragmente mit geringerer Molekülmasse sowie Peptone. Exopeptidasen hydrolysieren Peptidbindungen vom freien Amino- oder Carboxylende von Proteinmolekülen aus schrittweise und setzen Aminosäuren frei. Erstere sind Aminopeptidasen, letztere Carboxypeptidasen. Nach aktivem Zentrum und optimalem pH-Wert werden Proteasen in Serinproteasen, Cystein-(Sulfhydryl-)Proteasen, Metalloproteasen und Aspartatproteasen eingeteilt. Nach dem optimalen pH-Wert der Reaktion unterscheidet man saure, neutrale und alkalische Proteasen. In der industriellen Produktion werden Proteasen überwiegend als Endopeptidasen eingesetzt.

Spezifität

Die Proteolyse kann eine geringe Substratspezifität aufweisen, sodass mehrere Proteinsubstrate hydrolysiert werden. Dies trifft beispielsweise auf Verdauungsenzyme wie Trypsin zu, die Proteinsequenzen in kleinere Peptidfragmente spalten müssen. Proteasen mit breiter Substratspezifität binden häufig an eine einzelne Aminosäure im Substrat und weisen daher im Wesentlichen Spezifität für diesen Rest auf.

Funktionen von Trypsin

Trypsin hydrolysiert Proteine in der extrazellulären Matrix bzw. zwischen Zellen und dient damit der Dissoziation von Zellen. Unterschiedliche Gewebe oder Zelltypen reagieren unterschiedlich auf die Wirkung von Pankreatin. Die Dissoziationsaktivität von Pankreatin ist zudem konzentrations-, temperatur- und zeitabhängig. Bei pH 8,0 und 37 °C zeigt die Pankreatinlösung die stärkste Wirkung. Bei der Anwendung sind Konzentration, Temperatur und Einwirkzeit zu kontrollieren, um Zellschädigungen durch Überverdauung zu vermeiden.

Anwendungen

Proteasen zählen zu den wichtigsten industriellen Enzympräparaten. Sie katalysieren die Hydrolyse von Proteinen und Polypeptiden und kommen weit verbreitet in tierischen Organen, in Stängeln und Blättern von Pflanzen, in Früchten sowie in Mikroorganismen vor. Proteasen werden in großen Mengen bei der Käseherstellung, zur Fleischzartmachung und zur Modifikation pflanzlicher Proteine eingesetzt. Darüber hinaus sind Pepsin, Chymotrypsin, Carboxypeptidase und Aminopeptidase Proteasen des menschlichen Verdauungstrakts. Unter ihrer Wirkung werden mit der Nahrung aufgenommene Proteine in kleine Peptide und Aminosäuren hydrolysiert. In der Backwarenindustrie eingesetzte Proteasen umfassen Schimmelpilzproteasen, bakterielle Proteasen und pflanzliche Proteasen. Der Einsatz von Proteasen in der Brotherstellung kann die Eigenschaften von Gluten verändern; der Wirkmechanismus unterscheidet sich dabei von mechanischen Einflüssen während der Teigbereitung sowie von chemischen Reaktionen durch Reduktionsmittel. Proteasen spalten nicht Disulfidbrücken, sondern bauen die dreidimensionale Netzwerkstruktur des Glutens ab. Die Wirkung von Proteasen in der Brotherstellung zeigt sich vor allem während der Teigfermentation.

Inhibitoren

Die Aktivität von Proteasen wird durch Proteaseinhibitoren gehemmt. Eine Gruppe von Proteaseinhibitoren ist die Serpin-Superfamilie. Dazu gehören Alpha-1-Antitrypsin (Schutz vor übermäßigen Effekten körpereigener inflammatorischer Proteasen), Alpha-1-Antichymotrypsin (mit vergleichbarer Schutzfunktion), C1-Inhibitor (Schutz vor übermäßiger, proteasevermittelter Aktivierung des körpereigenen Komplementsystems), Antithrombin (Schutz vor übermäßiger Gerinnung), Plasminogenaktivator-Inhibitor-1 (Schutz vor unzureichender Gerinnung durch Blockade der proteaseinduzierten Fibrinolyse) sowie Neuroserpin.

Abbildung 2. Natürlicher Proteaseinhibitor, Lipocalin-Proteinfamilie.