Serin-proteaza

Serin-endopeptidaze
Serin-endopeptidaze
	Kristalna struktura goveđeg himotripsina. Katalitski ostaci prikazani su kao žuti štapići (iz PDB-a 1CBW.
Identifikatori
Simbol	?

Serin-peptidaze ili serinske proteaze ili serinske endopeptidaze su enzimi koji cijepaju peptidnu vezu u proteinima, u kojima serin služi kao nukleofilna aminokiselina na enzimskim aktivnom mjestu.^[1] Sveprisutne su i u eukariotima i u prokariotima. Serinske proteaze se prema svojoj strukturi svrstavaju u dvije široke kategorije: himotripsinolike (slične tripsinu) ili subtilizinolike.^[2]

Kristalna struktura tripsina, tipske serin-proteaze

Klasifikacija

MEROPS sistem klasifikacije proteaza broji 16 natporodice (od 2013.), od kojih svaka sadrži mnogo porodica. Svaka superporodica koristi katalitsku trijadu ili dijadu u različitim proteinskim savijanjima i tako ilustrira konvergentnu evoluciju katalitiskog mehanizma. Većina pripada porodici S1 PA-klan (natporodice) proteaza.

Za superporodice, P = natporodica, koja sadrži mješavinu porodica nukleofilnih klasa, S = čisto serinske proteaze. Unutar svake nadporodice porodice označene su njihovim katalitskim nukleofilom (S = serinske proteaze).

Porodice serin proteaza

Natporodica	Porodice	Primjeri
SB	S8, S53	Subtilizin (Bacillus licheniformis)
SC	S9, S10, S15, S28, S33, S37	Prolil-oligopeptidaza (Sus scrofa)
SE	S11, S12, S13	D-Ala-D-Ala peptidaza C (Escherichia coli)
SF	S24, S26	Signalna peptidaza I (Escherichia coli)
SH	S21, S73, S77, S78, S80	Citomegalovirusni asemblin (ludski herpesvirus 5)
SJ	S16, S50, S69	Lon-A peptidaza (Escherichia coli)
SK	S14, S41, S49	Clp proteaza]] (Escherichia coli)
SO	S74	Fagna K1F endosialidaza CIMCD samocijepajući protein (Enterobacteria fag K1F)
SP	S59	Nukleoporin 145 (Homo sapiens)
SR	S60	Laktoferin (Homo sapiens)
SS	S66	Murein-tetrapeptidaza LD-karboksipeptidaza (Pseudomonas aeruginosa)
ST	S54	Romboidna-1 (Drosophila melanogaster)
PA	S1, S3, S6, S7, S29, S30, S31, S32, S39, S46, S55, S64, S65, S75	Himotripsin A (Bos taurus)
PB	S45, S63	Prekursor penicilin G-acilaze (Escherichia coli)
PC	S51	Dipeptidaza E (Escherichia coli)
PE	P1	DmpA-aminopeptidaza (Ochrobactrum anthropi)
Neoznačene	S48, S62, S68, S71, S72, S79, S81

Specifičnost podloge

Serinske proteaze karakterizira obilježavajuća struktura, koja se sastoji od dva beta-barelska domena koji konvergiraju na katalitski aktivnom mjestu. Ovi enzimi mogu se dalje kategorizirati na osnovu specifičnosti podloge, kao tripsinolike, himotripsinolike ili slične elastazi.^[3]

Tripsinolike

Tripsinolike proteaze cijepaju peptidne veze nakon pozitivno nabijene aminokiseline (lizin ili arginin).^[4] Ova specifičnost je uzrokovana ostatkom koji se nalazi u bazi enzimskog džepa S1 (općenito negativno nabijena asparaginska ili glutaminska kiselina).

Himotripsinolike

S1 džep enzima sličnih himotripsinu hidrofobniji je nego u proteazama sličnim tripsinu. Ovo rezultira specifičnošću za hidrofobne ostatke srednje do velike veličine, kao što su tirozin, fenilalanin i triptofan.

Trombinolike

Ove ključuju trombin, tkivno aktivirajući plazminogen i plazmin. Utvrđeno je da imaju ulogu u zgrušavanju i probavi, kao i u patofiziologiji neurodegenerativnih poremećaja poput Alzheimerove i Parkinsonove demencije.

Elastazolike

Proteaze slične elastazi imaju mnogo manji rascjep S1 nego proteaze slične tripsinu ili himotripsinu. Shodno tome, poželjni suostaci kao što su alaninski, glicinski i valinski.

Subtilizinolike

Subtilizin je serinska proteaza u prokariotima. Subtilisin nije evolucijski povezan s klanom himotripsina, ali dijeli isti katalitski mehanizam koji koristi katalitsku trijadu za stvaranje nukleofilnih serina. Ovo je klasični primjer koji se koristi za ilustraciju konvergentne evolucije, budući da se isti mehanizam razvijao dva puta neovisno tokom evolucije.

Katalitski mehanizam

Mehanizam reakcije serin-proteaze

Glavni faktor mehanizma kataliza u serinskim proteazama je katalitska trijada. Trijada se nalazi na aktivnom mjestu enzima, gdje dolazi do katalize, a konzervirana je u svim natporodicama serinskih proteaznih enzima. Trijada je koordinirana struktura koja se sastoji od tri aminokiseline: His 57, Ser195 (otuda naziv "serin proteaza") i Asp 102. Ove tri ključne aminokiseline igraju bitnu ulogu u sposobnosti cijepanja proteazama. Dok su aminokiselinski članovi trijade međusobno udaljeni j u nizu proteina, zbog nabora, oni će biti vrlo blizu jedan drugom u jezgru enzima. Posebna geometrija članova trijade vrlo je karakteristična za njihovu specifičnu funkciju: pokazano je da položaj samo četiri tačke trijade karakterizira funkciju enzima koji sadrži.^[5]

U slučaju katalize dolazi do uređenog mehanizma u kojem nastaje nekoliko međuprodukata. Kataliza cijepanja peptida može se promatrati kao ping-pong kataliza, u kojoj se supstrat veže (u ovom slučaju, polipeptid koji se cijepa), proizvod se oslobađa (N-kraj "polovine" peptida), veže se još jedan supstrat (u ovom slučaju voda), a oslobađa se još jedan proizvod (C-kraj "polovine" peptida).

Svaka aminokiselina u trijadi u ovom procesu obavlja određenu funkciju:

Serin ima –OH grupu koja je sposobna djelovati kao nukleofil, napadajući karbonil ugljik škaraste peptidne veze supstrata.
Par elektrona na histidinskom dušiku ima sposobnost prihvatiti vodik iz serin-OH grupe, koordinirajući tako napad peptidne veze.
Karboksil grupa na asparaginskoj kiselini zauzvrat razlaže vodikove veze s histidinom, čineći gore pomenuti atom dušika mnogo više elektronegativnim.

Cijela reakcija može se sažeti na sljedeći način:

Polipeptidni supstrat veže se na površinu enzima serin-proteaze tako da se škarasta veza umetne u aktivno mjesto enzima, pri čemu je karbonilni ugljik ove veze smješten u blizini nukleofilnog serina.
Serin–OH napada karbonilni ugljik, a dušik-histidin prihvata vodik iz –OH serina i par elektrona iz dvostruke karbonil veze kisika prelazeći u kisik. Kao rezultat, nastaje tetraedarski međuprodukt.
Veza koja spaja dušik i ugljik u peptidnoj vezi sada je prekinuta. Kovalentni elektroni koji stvaraju ovu vezu kreću se u napad na histidinov vodik, prekidajući vezu. Elektroni koji su se prethodno kretali iz karbonilne dvostruke veze kisika pomiču se nazad od negativnog kisika, kako bi ponovno formirali vezu, stvarajući međuprodukt acil-enzima.
Sada u reakciju ulazi voda. Voda zamjenjuje N-kraj odcijepljenog peptida i napada karbonil ugljika. Još jednom, elektroni iz dvostruke veze prelaze u kisik, čineći ga negativnim, jer se stvara veza između kisika vode i ugljika. To je koordinirano dušikom iz histidina, koji prihvata protone iz vode. Sve u svemu, ovo stvara još jedan tetraedarski međuprodukt.
U konačnoj reakciji, veza nastala u prvom koraku između serin i karbonil-ugljika kreće se napadajući vodik koji je histidin upravo dobio. Sada karbonil ugljik s nedostatkom elektrona ponovno formira dvostruku vezu s kisikom. Kao rezultat toga, C-terminal peptida je sada izbačen.

Regulacija aktivnosti serinske proteaze

Organizmi domaćini moraju osigurati da je aktivnost serinskih proteaza adekvatno regulirana. To se postiže početnom aktivacijom proteaze i lučenjem inhibitora.

Aktivacija zimogena

Zimogeni su obično neaktivni prekursori enzima. Da su probavni enzimi bili aktivni pri sintezi, odmah bi počeli razlagati sintetizirajuće organe i tkiva. Akutni pankreatitis je takvo stanje, u kojem dolazi do preranog aktiviranja probavnih enzima u gušterači, što rezultira samo-probavom (autoliza). Također komplicira posmrtnu provjeru, jer gušterača često probavlja prije nego što se može vizualno procijeniti.

Zimogeni su velike, neaktivne strukture koje se mogu raspasti ili promijeniti u manje aktivne enzime. Razlika između zimogena i aktiviranih enzima je u činjenici da je aktivno mjesto za katalizu zimogena iskrivljeno. Kao rezultat toga, polipeptid supstrata ne može se efikasno vezati i ne dolazi do proteolize. Tek nakon aktivacije, tokom koje se promijeni konformacija i struktura zimogena i otvori aktivno mjesto, može doći do proteolize.

Zimogen	Enzim	Napomene
Tripsinogen	Tripsin	Kad tripsinogen iz gušterače uđe u tanko crijevo, sekrecije enteropeptidaza iz sluznice duodenuma cijepa vezu lizin 15 – izoleucin 16, peptidnu vezu zimogena. Kao posljedica toga, zimogen tripsinogena se razlaže na tripsin. Podsjetimo da je tripsin također odgovoran za cijepanje lizinskih peptidnih veza, pa stoga, nakon što se stvori mala količina tripsina, sudjeluje u cijepanju vlastitog zimogena, stvarajući još više tripsina. Proces aktivacije tripsina može se stoga nazvati autokatalitski.
Hmotripsinogen	Himotripsin	Nakon što se veza Arg 15 – Ile 16 tripsinom odcijepi u himotripsinogenskom zimogenu, novonastala struktura nazvana pi -himotripsin prolazi autolizu (samorazgradnju), dajući aktivni himotripsin.
Proelastaza	Elastaza	Aktivira se cijepanjem tripsina.

Kao što se može vidjeti, bitna je aktivacija tripsinogena do tripsina, jer aktivira vlastitu reakciju, kao i reakciju himotripsina i elastaze. Stoga je važno da se ova aktivacija ne dogodi prije vremena. Postoji nekoliko zaštitnih mjera koje organizam poduzima kako bi spriječio samo probavu:

Aktivacija tripsinogena tripsinom relativno je spora
Zimogeni se skladište u zimogenim granulama, kapsulama sa zidovima za koje se smatra da su otporne na proteolizu.

Dijagnostička upotreba

Određivanje nivoa serinske proteaze može biti korisno u kontekstu određenih bolesti.

Nivoi faktora koagulacije mogu biti potrebni u dijagnostici hemoragijskih ili tromboznih stanja.
Fekalna elastaza koristi se za određivanje egzokrine aktivnosti gušterače, naprimjer, kod cistaste fibroze ili hroničnog pankreatitisa.
Serumsku prostata-specifični antigen koristi se za skrining raka prostate, stratifikaciju rizika i praćenje nakon tretmana.
Serinska proteaza, koju oslobađaju mastociti, važan je dijagnostički marker za reakcije preosjetljivosti tipa 1 (npr. anafilaksa). Korisnije od npr. histamina zbog dužeg poluživota, što znači da ostaje u sistemu klinički korisna.

Također pogledajte

Serin-hidrolaza
Proteaza
PA klan
Konvergentna evolucija
Proteoliza
Katalitska trijada
Mapa proteolize
Intramembranska proteaza
Inhibitor proteaze (biologija)
TopFIND - Baza podataka o specifičnosti proteaze, supstratima, proizvodima i inhibitorima
MEROPS - Baza podataka evolucionih grupa proteaza

Reference

^ Hedstrom, L. (Dec 2002). "Serine protease mechanism and specificity". Chem Rev. 102 (12): 4501–24. doi:10.1021/cr000033x. PMID 12475199.
^ Madala PK, Tyndall JD, Nall T, Fairlie DP (Jun 2010). "Update 1 of: Proteases universally recognize beta strands in their active sites". Chem Rev. 110 (6): PR1–31. doi:10.1021/cr900368a. PMID 20377171.
^ Ovaere P, Lippens S, Vandenabeele P, Declercq W (Aug 2009). "The emerging roles of serine protease cascades in the epidermis". Trends Biochem Sci. 34 (9): 453–63. doi:10.1016/j.tibs.2009.08.001. PMID 19726197.
^ Evnin, Luke B.; Vásquez, John R.; Craik, Charles S. (1990). "Substrate specificity of trypsin investigated by using a genetic selection". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (17): 6659–63. Bibcode:1990PNAS...87.6659E. doi:10.1073/pnas.87.17.6659. JSTOR 2355359. PMC 54596. PMID 2204062.
^ Iván, Gábor.; Szabadka, Zoltán; Ordög, Rafael; Grolmusz, Vince; Náray-Szabó, Gábor (2009). "Four Spatial Points That Define Enzyme Families". Biochemical and Biophysical Research Communications. 383 (4): 417–420. CiteSeerX 10.1.1.150.1086. doi:10.1016/j.bbrc.2009.04.022. PMID 19364497.

Vanjski linkovi

The MEROPS online database for peptidases and their inhibitors: Serine Peptidase Arhivirano 4. 4. 2017. na Wayback Machine
Serine Proteases site at Saint Louis University (SLU)
Serine proteases na US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)

Portal Biologija

[Hedstrom2002-1] Hedstrom, L. (Dec 2002). "Serine protease mechanism and specificity". Chem Rev. 102 (12): 4501–24. doi:10.1021/cr000033x. PMID 12475199.

[Madala2010-2] Madala PK, Tyndall JD, Nall T, Fairlie DP (Jun 2010). "Update 1 of: Proteases universally recognize beta strands in their active sites". Chem Rev. 110 (6): PR1–31. doi:10.1021/cr900368a. PMID 20377171.

[Ovaere2009-3] Ovaere P, Lippens S, Vandenabeele P, Declercq W (Aug 2009). "The emerging roles of serine protease cascades in the epidermis". Trends Biochem Sci. 34 (9): 453–63. doi:10.1016/j.tibs.2009.08.001. PMID 19726197.

[4] Evnin, Luke B.; Vásquez, John R.; Craik, Charles S. (1990). "Substrate specificity of trypsin investigated by using a genetic selection". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (17): 6659–63. Bibcode:1990PNAS...87.6659E. doi:10.1073/pnas.87.17.6659. JSTOR 2355359. PMC 54596. PMID 2204062.

[5] Iván, Gábor.; Szabadka, Zoltán; Ordög, Rafael; Grolmusz, Vince; Náray-Szabó, Gábor (2009). "Four Spatial Points That Define Enzyme Families". Biochemical and Biophysical Research Communications. 383 (4): 417–420. CiteSeerX 10.1.1.150.1086. doi:10.1016/j.bbrc.2009.04.022. PMID 19364497.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]