Trypsin

Trypsin (EC 3.4.21.4) ist eine pankreatische Serinprotease aus der Familie S1 und der Superfamilie des PA-Clans. Trypsin ist ein proteolytisches Enzym des Verdauungssystems und für die Proteinverdauung von zentraler Bedeutung. Beim Menschen wird Trypsin zunächst in seiner inaktiven Form, dem Trypsinogen, im Pankreas gebildet. Anschließend gelangt Trypsinogen in den Dünndarm und wird dort in aktives Trypsin umgewandelt. Die Hauptfunktion von Trypsin besteht in der Spaltung von Peptidketten auf der Carboxylseite der Aminosäuren Lysin oder Arginin, außer wenn auf diese Prolin folgt. Die zwei Hauptformen von Trypsin sind α-Trypsin und β-Trypsin.

Struktur

Rindertrypsinogen besteht aus einer einzelnen Polypeptidkette mit 229 Aminosäuren und ist durch sechs Disulfidbrücken quervernetzt. Trypsin besteht aus einer einzelnen Polypeptidkette mit 223 Aminosäuren. Das aktive Zentrum von Trypsin umfasst His46 und Ser183. Die native Form von Trypsin wird als β-Trypsin bezeichnet; diese kann autolytisch zu α-Trypsin gespalten werden, wobei die Fragmente durch Disulfidbrücken zusammengehalten werden. Bei der Autolyse von β-Trypsin erfolgt die Spaltung in der Rindersequenz zwischen Lys131 und Ser132.

Abbildung 1. Struktur von Trypsinogen (links) und Trypsin (rechts). (Elgendy, A. S. 2016)

Die Strukturen von Trypsin und Chymotrypsin sind sehr ähnlich; es gibt jedoch einen wesentlichen Unterschied. Die Spezifitätstasche von Chymotrypsin enthält an Position 189 ein Serin, während Trypsin an dieser Position eine Asparaginsäure aufweist. Aufgrund dieses strukturellen Unterschieds bevorzugt Chymotrypsin aromatische, hydrophobe Aminosäuren, während Trypsin basische Aminosäuren mit positiver Ladung bevorzugt.

Mechanismus

Trypsin kann die Hydrolysereaktion katalysieren, um Peptide in Aminosäuren zu zerlegen, und teilt dabei einen allgemeinen katalytischen Mechanismus mit anderen Serinproteasen. Das aktive Zentrum von Trypsin besteht aus drei Aminosäuren – Serin 195, Histidin 57 und Aspartat 102 – und wird als katalytische Triade bezeichnet. Die Schritte des katalytischen Prozesses von Trypsin umfassen:

• Substratbindung. Die Seitenkette des Substrats kann an das aktive Zentrum von Trypsin binden, wobei das Carbonylkohlenstoffatom dieser Bindung in die Nähe des nukleophilen Serins 195 positioniert wird.
• Nukleophiler Angriff. Histidin 57 erleichtert, dass die Hydroxylgruppe des Nukleophils Serin 195 ein Proton abstrahiert, um das Carbonylkohlenstoffatom anzugreifen. Durch den nukleophilen Angriff entsteht eine kovalente Bindung zwischen der Ser195-Seitenkette und dem Substrat. Eine Wasserstoffbrücke stabilisiert die negative Ladung, die sich am Carbonylsauerstoff des Peptids entwickelt; diese wird durch zwei Amidprotonen des Protease-Rückgrats gebildet.
• Protonierung. Der Amidstickstoff des Substrats erhält von His57 ein Proton, wodurch der Carboxyl-terminalen Anteil des Substrats als freies Peptid freigesetzt werden kann.
• Esterhydrolyse. Im letzten Schritt greift Wasser die Esterbindung zwischen dem Peptid und dem Ser195-Sauerstoff an. Dabei entsteht als zweites Produkt ein Peptid mit einer normalen Carboxylgruppe, und die Serin-Hydroxylgruppe wird regeneriert. Das zweite Peptid dissoziiert anschließend vom Enzym, sodass ein weiterer katalytischer Zyklus beginnen kann.

Abbildung 2. Katalytischer Mechanismus von Trypsin.

Physiologische Funktionen

Trypsin ist ein wichtiges Verdauungsenzym, das in Pankreassaft vorkommt. Das Pankreas setzt Trypsinogen, Chymotrypsinogen und Procarboxypeptidase frei, wenn Protein den Duodenum erreicht. Sobald Trypsinogen mit Enterokinase in Kontakt kommt, die von den Schleimhautzellen des Dünndarms sezerniert und über den Pankreasgang bereitgestellt wird, wird Trypsin aktiviert. Anschließend ist Trypsin für die Aktivierung der Zymogene anderer Verdauungsenzyme verantwortlich, einschließlich Procarboxypeptidase und Chymotrypsinogen, die in Carboxypeptidase bzw. Chymotrypsin umgewandelt werden. Darüber hinaus kann Trypsin Peptide zu kleineren Einheiten bis hin zu Aminosäuren hydrolysieren. Somit fungiert Trypsin primär als hydrolysierender Biokatalysator für Peptidbindungen.

Anwendungen

Da Trypsin in hoher Menge und hoher Reinheit leicht verfügbar ist, wird es in zahlreichen biotechnologischen Anwendungen breit eingesetzt. In der Zellkultur wird Trypsin verwendet, um adhärente Zellen während des Passagierens zu resuspendieren und Zellen zu ernten. Trypsin kann außerdem eingesetzt werden, um dissezierte Zellen vor dem Fixieren und Sortieren zu dissoziieren. Trypsin kann das Casein in Muttermilch abbauen, wodurch die Milch transluzent wird; dies kann zur Messung der Reaktionsgeschwindigkeit genutzt werden. In der biologischen Forschung wird Trypsin in der Proteomik häufig zur Verdauung von Proteinen in Peptide für die massenspektrometrische Analyse eingesetzt. Im medizinischen Bereich kann Trypsin zudem zur Auflösung von Blutgerinnseln und zur Behandlung von Entzündungen verwendet werden.

Literatur