Протеолітична активність: визначення, функції, наслідки для організму та класифікація протеаз

Протеази (протеїнази, пептидази та протеолітичні ферменти) відіграють дуже важливу роль у житті людини. На сьогоднішній день в людському організмі визначено понад 500 цих ферментів, які кодуються на 2 % всіх генів. Протеолітична активність спостерігається у всіх формах життя та вірусах.

Основна класифікація

На основі каталітичного залишку протеази можна розділити на 7 великих груп:

1. Серинові-використання серинового спирту.
2. Цистеїнові-застосування цистеїну тіолу.
3. Треонінові-оборот вторинного спирту треоніну.
4. Аспарагінові-з використанням аспартатної карбонової кислоти.
5. Глутаминовые - із застосуванням карбонової кислоти глутамату.
6. Металопротеази-оборот металу, зазвичай цинку.
7. Ліази пептиду аспарагіну - використовується аспарагін для того, щоб виконати реакцію виключення ( не вимагаючи води).

Протеази спочатку були зібрані в 84 сім`ї, відповідно до їх протеолітичної активності, і класифіковані під 4 каталітичними типами:

• серин;
• цистеїн;
• аспарагиновые;
• металевий.

Значення

Загальна протеолітична активність відіграє важливу роль у багатьох процесах організму. Це запліднення, травлення, ріст, дозрівання, старіння і навіть смерть. Протеази регулюють багато фізіологічні процеси шляхом контролю над активацією синтезу і погіршенням білкової їжі. Вони відіграють важливу роль у розмноженні та поширенні вірусів, бактерій та паразитів, тому відповідають за ефективну передачу захворювань, спричинених патогенними речовинами. Ці ферменти дають можливість пухлинним клітинам ділитися, заповнювати міжклітинний простір і кровоносні судини легенів, а також поширюватися в інших тканинах організму.

Біологічні функції

Протеолітична активність має наступні функції:

• Посттрансляційна обробка. Включає в себе видалення метіоніну і/або перетворення неактивного або нефункціонального протеїну до активної одиниці.
• Розщеплення білків-попередників. Це необхідно для того, щоб протеаза активувалася тільки в правильному місці і контексті. Неправильна протеолітична активність може бути дуже руйнівною для організму.
• Деградація білка. Може відбуватися внутрішньоклітинно або внеклеточно. Виконує ряд функцій: видаляє пошкоджені і аномальні білки; запобігає їх накопиченню; служить для регулювання клітинних процесів шляхом видалення ферментів.
• Травлення. Протеїни, отримані з їжі, розщеплюються на ланцюзі пептиду, завдяки пепсину, трипсину, хімотрипсину і еластазу. Для запобігання недоречною або передчасної активації травних ензимів (це може викликати панкреатит) вони виступають як неактивний зимоген.

Фермент

Протеолітичні ферменти присутні в бактеріях, вірусах, деяких типах водоростей і рослин. Але найбільше їх у тварин. Існують різні типи протеолітичної активності ферментів. Вони класифікуються відповідно до ділянок, в яких каталізується розщеплення білків. Дві основні групи-егзопептиди та ендопептидази. Усередині організму матеріали протеїну спочатку атаковані пепсином. Коли білок передається в тонкий кишечник, він частково перетравлюється шлунком. Тут він піддається впливу протеолітичних ензимів, що виділяються підшлунковою залозою. Потім панкреатичні ферменти активізуються в кишечнику, перетворюючи білки в амінокислоти, які легко всмоктуються його стінками. Таким чином, підшлункова залоза захищена від самопереваріванія.

Бактерія

Мікробні протеази одна з важливих груп у складі промислово-комерційного виробництва ензимів. Були проведені дослідження для визначення протеолітичної активності бактерій з метою з`ясувати їх ролі всередині патогенезу інфекційних захворювань. Основна увага приділялася обстеженню молочнокислих бактерій з різних йогуртів і ферментованого молока. Вони широко поширені в природі. Це лактобактерії, лактококи, біфідобактерії, стрептококи, ентерококи і споролактобактерії. Вони поділяються за видами, підвидами, варіантами і штамів.

Протеолітична активність - дуже важлива характеристика молочнокислих бактерій. Протеази бактерій-це ферменти, які каталізують гідролізпептидні зв`язки в білках і поліпептидах. Вони відіграють значну роль у промислових біотехнологіях та фармацевтиці. Дослідження показали, що протеолітичну активність мають 13 штамів. П`ять з них, а саме L1, L2, L6, L7, L9, показали найвищу активність.

Пептины

Протеолітична активність пепсину вимірюється під впливом магнітного поля на організм. Молекулярна структура пепсину характеризується d-просторовою симетрією. Неактивний пепсиноген проензиму синтезується всередині клітин слизової оболонки шлунка. Також він присутній в різних біологічних рідинах (кров, сеча, насіннєва і спинномозкова рідина). Пепсиноген характеризується автокаталітичною активацією. Його секреція стимулюється блукаючим нервом, симпатичними волокнами, гастрином, гістаміном, секретином і холецистокініном. Гастрин діє як стимулятор тім`яних клітин. Цей поліпептид існує у 2 формах, що містять 34 та 17 амінокислот. Вимірювання протеолітичної активності пепсину у відношенні до стандартного гемоглобіну виявили аналогічні зміни в травній активності ферменту.

Протеоліз і хвороби

Аномальна протеолітична активність пов`язана з багатьма захворюваннями. При панкреатиті витік протеаз і їх передчасна активація в підшлунковій залозі призводить до самозаймання підшлункової залози. Люди з цукровим діабетом можуть мати підвищену активність лізосом, деградація деяких білків може істотно збільшитися. Хронічний запальні захворювання (ревматоїдний артрит) можуть призвести до вивільнення лізосомальних ферментів у міжклітинний простір. Це руйнує навколишні тканини. Дисбаланс між протеазами та антипротеазами може призвести до руйнування легеневої тканини при емфіземі, спричиненій курінням тютюну.

Інші захворювання включають м`язову дистрофію, дегенерацію шкіри, дихальні та шлунково-кишкові захворювання, злоякісні пухлини.

Неферментативний протеоліз

Основа білка дуже стабільна у воді при нейтральному РН і кімнатній температурі, хоча швидкість гідролізу різних пептидних зв`язків може відрізнятися. Напівперіод розпаду скріплення пептиду коливається від 7 до 350 років.

Сильні мінеральні кислоти можуть легко гідролізувати пептидні зв`язки в білку. Стандартний шлях гідролізу протеїну-нагріти його до 105 °C або протримати 24 години в хлористо-водневій кислоті.

Методика визначення

Існувавши кілька методів визначення протеолітичної активності. Наприклад, гідроліз казеїну, гемоглобіну або азоказеїну. Перший метод не дорогий, але казеїн важко розчиняється. Метод гідролізу гемоглобіну дорожчий. При його використанні субстрат необхідно денатурувати. Третій метод уникає цього, але він також недешевий. Найшвидший, не дорогий метод-це використання молочного субстрату. Він включає менше обладнання і може бути використаний в навчальних курсах. Все що потрібно - це знежирене молоко і водяна баня.

Експериментальна процедура

Два мілілітри буферного розчину (ацетат натрію з РН 5.0, що містить CaC_I2) додається в 3 мілілітри знежиреного молока. Ця суміш витримується при 30 °C у водяній бані протягом 10 хвилин. Щоб побачити процес згортання молока, використовується джерело світла. Він пропускається стільки секунд, скільки необхідно для згортання частинки молока розміром з головку шпильки. Адекватний період для точності-між однією і двома хвилинами. Блок ензиму визначається як його кількість, яка необхідна для формування першого згорнутого фрагмента за одну хвилину при обраних експериментальних умовах.

Протеази як противірусні агенти

В даний час існує ряд схвалених препаратів з протеолітичною активністю для застосування при лікуванні вірусних інфекцій. Більшість з них використовується головним чином для лікування інфекцій герпесвірусу, вірусу імунодефіциту людини, респіраторно-синцитіальних інфекцій і вірусу грипу А. Це нуклеозидні аналоги, які діють шляхом інгібування синтезу вірусної ДНК.

Дослідження останнього десятиліття показали, що протеази є абсолютною вимогою в життєвому циклі багатьох вірусів. Вплив відбувається або шляхом розщеплення високомолекулярних білків-попередників для отримання функціональних продуктів, або шляхом каталізу структурних білків, необхідних для збірки і морфогенезу вірусних частинок.

На сьогоднішній день затверджено чотири інгібітори протеази:

• "Саквінавір" (Invirase, Ro 31-8959).
• "Індинавір" (Crixivan, MK-639).
• "Ритонавір" (Норвір, АВТ-538).
• "Нелфінавір" (Вірасепт, AG1343).

Інші препарати

Пікорнавірусні протеази складають одне з найбільших сімейств, важливих з медичної точки зору людських патогенів. Ентеровіруси пов`язані з різними клінічними синдромами, включаючи захворювання верхніх дихальних шляхів, асептичний менінгіт, енцефаліт, міокардит, хвороби рук, ніг і рота. В цьому випадку допоможуть протеази. Відхаркувальні засоби, що володіють протеолітичною активністю:

• "Трипсин".
• "Рибонуклеаза".
• "Хімозин"

Ще одним потенційним антириновірусним препаратом є "Плеконарил".