Proteaasid

Allikas: Vikipeedia
(Ümber suunatud leheküljelt Proteaas)
Jump to navigation Jump to search
Papaiini kristallstruktuuri lihtsustatud kujutis

Proteaasid ehk peptidaasid või proteinaasid on ensüümid, mis lagundavad valke. Täpsemalt, katkestavad aminohapete vahelisi peptiidsidemeid hüdrolüüsi teel [1] või uuemate avastuste põhjal ka elimineerimisreaktsiooni teel kaksiksideme moodustamisega.[2] Proteaase leidub nii eukarüootsetes ja prokarüootsetes rakkudes kui ka viirustes.[3] Need on evolutsioonis mitmel korral tekkinud, mistõttu viivad erinevasse klassi kuuluvad proteaasid sama reaktsiooni läbi väga erineval moel.

Funktsioon[muuda | muuda lähteteksti]

Esmalt avastati proteaasid kui maomahlas sisalduvad toiduvalke lagundavad ensüümid.[4] Nüüdseks on leitud, et proteaasidel on elusorganismides tunduvalt laialdasem ülesanne. Proteolüütilistel protsessidel on fundamentaalne roll ovulatsioonis, viljastumisel, embrüonaalses arengus, luude moodustumisel, rakutsükli regulatsioonis, haavade paranemisel, angiogeneesis ja mujal.[4] Proteaaside ekspressioonimustri ja struktuuri muutused põhjustavad inimestel ka paljusid haiguseid nagu vähk, artriit, osteoporoos, neurodegeneratiivsed ja südame-veresoonkonna haigused.[4]

Töömehhanism[muuda | muuda lähteteksti]

Peptiidsideme hüdrolüüsi reaktsioon Skeemi ülemisel osal on kujutatud aspartaat-, glutamaat- ja metalloproteaasidele omast hüdrolüüsi reaktsiooni, mis toimub ühes suuremas etapis. Kõigepealt atakeerib aktiveeritud veemolekul (sinine) karbonüülrühma ja C=O side polariseerub, süsiniku ja lämmastikuvaheline side laguneb ning tekib kaks produkti (punane) ja vaba ensüüm (must). Joonise alumisel osal on kujutatud kaheetapilist tsüsteiin-, seriin, ja treoniinproteaasidele omast hüdrolüüsi. Esimeses etapis atakeerib ensüümiga seotud nukleofiil karbonüülrühma. C=O side jällegi polariseerub ja peptiidside laguneb. Tekib üks vabanenud produkt ning atsüül-ensüümvaheühend. Ensüümi vabastamiseks produktist toimub ensüümi ja produkti vahelise kovalentse sideme hüdrolüüs aktiveeritud veemolekuli abil.

Peptiidsidemete lõikamine proteaaside abil võib viia valkude lagundamiseni aminohapeteks, kuid võib toimuda ka valkude spetsiifiline lõikamine translatsioonijärgse töötlemise käigus.[5] Kuigi proteaasid on väga suur ja mitmekesine ensüümide rühm, toimub peptiidsideme lõhkumine põhisosas ühtemoodi. Reaktsiooni käigus toimub peptiidsidemes karbonüülrühma polarisatsioon ning nukleofiili aktivatsioon karbonüülrühma süsiniku atakeerimiseks.[6]

Reaktsiooni läbiviimiseks on kaks teed. Aspartaat-, glutamaat- ja metalloproteaasides aktiveerib aminohappejääk või metalliioon veemolekuli, mis seejärel käitub nukleofiilina ja atakeerib peptiidsidemes karbonüülset süsinikku. Peptiidside nõrgeneb ja moodustub tetraeedriline vaheühend. Seejärel toimub amiinrühma protoneerimine nukleofiilse hüdroksiidiooni poolt ja amiinrühma väljatõrjumine ehk peptiidsideme lagunemine.[1][7][8][9] Tsüsteiin-, seriin- ja treoniinproteaaside puhul moodustub nukleofiilse aminohappejäägi kaudu kõigepealt esimene tetraeedriline vaheühend, peptiidside lagundatakse ja produkti üks osa vabaneb. Produkti teise osaga on aga ensüüm kovalentselt seotud, moodustades atsüül-ensüüm vaheühendi. Seejärel toimub deatsüülimisreaktsioon, kus ensüüm vabaneb produktist aktiveeritud veemolekuli abil läbi teise tetraeedrilise vaheühendi.[1][7][8][9]

Kõige viimasena avastatud proteaaside rühm, asparagiinporteaasid aga ei kasuta peptiidsideme lagundamiseks veemolekuli ja seega kuuluvad hoopis teise ensüümide klassi, amidiin-lüaasid, mis elimineerivad amidiinist ammooniumrühma kaksiksideme moodustamisega.[2][10] Asparagiinproteaasid lõikavad iseennast, kasutades asparagiinijääki nukleofiilina.[8]


Kasutusalad[muuda | muuda lähteteksti]

Proteaasid on kasutuses väga erinevates tööstusharudes, nagu toiduaine-, naha-, farmaatsia- ja siiditööstuses, detergentide tootmises ja jäätmekäitluses.[5]

Toiduainetööstuses kasutatakse proteaase peamiselt õllepruulimisel, õlle hägu eemaldamisel, juustuvalmistamisel, pagaritööstuses taina omaduste muutmisel. Samuti liha pehmendamiseks, soja toodete ja kõrge valgusisaldusega toidulisandite valmistamiseks.[5] Nahatööstuses on proteaasid peitsimisel ja karvade eemaldamisel heaks alternatiiviks ohtlikele kemikaalidele.[5][3] Farmaatsia- ja kosmeetikatööstuses kasutatakse proteaasidest näiteks keratinaase keratiini eemaldamiseks akne ja psoriaasi puhul, samuti armide eemaldamisel, naha epiteeli taastamiseks ja paranemisprotsessi kiirendamiseks.[5] Naha hoolduseks on kasutatud ka näiteks papaiini ja bromelaiini, mida seostatakse rakkude uuenemisega, keratinolüütilise aktiivsusega ja surnud rakkude eemaldamisega epidermisest.[5] 1978. aastal sai USA Toidu- ja Ravimiameti (FDA) heakskiidu esimene proteaasne ravim urokinaas ehk u-PA, mida kasutatakse veresoontes ja veenisisestes kateetrites tekkinud trombide lagundamiseks.[11] Ilmselt kõige laiemalt tuntud proteaas on botuliin, metalloproteaaside hulka kuuluv ensüüm, mida kasutatakse kosmeetiliselt kortsude vähendamiseks ning meditsiinis näiteks kõõrdsilmsuse ja erinevate lihasspasmide vastu.[11]

Teadustöös ja laboratoorses diagnostikas on laialdaselt kasutusel näiteks hallitusseenest Tritirachium album pärit proteinaas K, mida kasutatakse DNA ja RNA eraldamiseks bioloogilisest materjalist[12][13] ja papaiin, mida kasutatakse rakkude isoleerimiseks.[14]

Klassifikatsioon[muuda | muuda lähteteksti]

Karboksüpeptidaas A on metalloproteaas, mis kasutab kofaktorina tsinki[13]

Proteaaside klassifitseerimiseks on hetkel kasutuses põhiliselt kolm meetodit: katalüüsi keemilise mehhanismi alusel (aktiivtsentri põhjal), katalüüsi reaktsiooni detailide alusel (substraadi spetsiifilisus) ja molekulaarse struktuuri ning homoloogia alusel.[15] Lisaks saab proteaase jagada aluselisteks, happelisteks ja neutraalseteks.[3] Vastavalt ensüümi aktiivtsentris paiknevale funktsionaalrühmale jaotatakse proteaasid järgnevaks seitsmeks katalüütiliseks tüübiks:[15]

  • seriinproteaase iseloomustab seriinrühma esinemine aktiivtsentris ning katalüütilise nukleofiilina käitub seriini kõrvalahela hüdroksüülrühm.[15][2] Inimesel on seriinproteaaside ülesandeks näiteks lagundada toiduvalke, osaleda verehüübimisel, infektsioonidega võitlemisel ja spermi sisenemisel munarakku.[1] Viirustel aitavad need rakke nakatada ning bakteritel substraati lagundada.[1] Esimene seriinproteaas, mida on detailsemalt uuritud, on kümotrüpsiin – pankreases toodetud seedeensüüm, mis lagundab fenüülalaniini, türosiini ja trüptofaani vahelisi peptiidisidemeid.[1][3] Seriinproteaasid on Ensüümikomisjoni poolt paigutatud alam-alamklassidesse seriin-tüüpi karboksüpeptidaasid (EC 3.4.16) ja seriin-endopeptidaasid (EC 3.4.21);[13]
  • tsüsteiinproteaasidel on katalüütiliseks nukleofiiliks tsüsteiini kõrvalahela tioolrühm.[15][2] Tsüsteiinproteaasid on näiteks papaias leiduv papaiin ja ananassis leiduv promelaiin.[3] Tsüsteiinproteaasid on paigutatud alam-alamklassidesse tsüsteiin-endopeptidaasid (EC 3.4.22) ja tsüsteiin-tüüpi karboksüpeptidaasid (EC 3.4.18);[13]
  • aspartaatproteaaside puhul on nukleofiiliks aktiveeritud vee molekul, mis on otseselt seotud aspartaadijäägi kõrvalahelaga.[2] Siia rühma kuulub näiteks enamiku selgroogsete maos leiduv ensüüm pepsiin, mis katalüüsib kahe hüdrofoobse aminohappe vahelise peptiidsideme hüdrolüüsi ja selle optimaalne pH on 1–2.[3] Teine aspartaatproteaas on näiteks renniin, mida kasutatakse piimatööstuses, et toota stabiilset kalgendit.[3] Aspartaatproteaasid on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.23;[13]
  • metalloproteaaside puhul on nukleofiiliks aktiveeritud veemolekul, mida hoiab paigal üks või kaks metalliiooni, mille ligandideks on laetud aminohapete kõrvalahelad.[2] Metallideks võivad olla tsink, koobalt, mangaan, nikkel, vask või raud ning üks metalliioon on tavaliselt seotud kolme aminohappejäägiga.[2][3] Metalloproteaasid on jaotatud kahte alam-alamklassi metallo-karboksüpeptidaasid (EC 3.4.17) ja metallo-endopeptidaasid (EC 3.4.24);[13]
  • treoniinproteaasidel on katalüütiliseks nukleofiiliks treoniini kõrvalahela hüdroksüülrühm.[2] Need kuuluvad näiteks proteosoomi ensüümide hulka ja on paigutatatud alam-alamklassi EC 3.4.25.[13]
  • glutamaatproteaasid avastati 2004. aastal, kui leiti, et teatud seentest pärit endopeptidaasid kasutavad nukleofiilina glutamaati;[2][16]
  • asparagiinproteaasid kirjeldati kõige viimasena, kui avaldati soolekepikesest leitud Tsh autotransporteri kristallstruktuur, mille abil tõestati, et on olemas seitsmes katalüütiline tüüp, mis kasutab nukleofiilina asparagiini.[2][17] Asparagiinproteaasid ei kuulu aga hüdrolaaside hulka, vaid on amidiinlüaasid (EC 4.3.2).[2] Seega, on need küll valke lagundavad ensüümid ehk proteaasid, kuid mitte peptidaasid, mis definitsiooni järgi on peptiidsidemeid lagundavad hüdrolaasid.[2]

Katalüütilise tüübi järgi klassifitseerimine paigutab ühte rühma proteaasid, mille aktiivtsentris on küll sama funktsionaalne rühm, kuid näiteks erinevate seriinproteaaside katalüüsimehhanism on väga erinev ning samuti ei ole nad kõik omavahel homoloogid.[15] Ükski proteaas ei hüdrolüüsi kõiki peptiidsidemeid, need on spetsiifilised peptiidahela peal kindlas positsioonis paiknevatele peptiidisidemetele. Substraadispetsiifilisuse alusel jaotatakse proteaasid järgmistesse gruppidesse:[15]

  • eksoproteaasid vajavad hüdrolüüsi alustamiseks vaba N-terminaalset aminorühma või C-terminaalset karboksüülrühma ning katkestavad peptiidsideme maksimaalselt kolme aminohappejäägi kauguselt.[15] Eksopeptidaasid grupeeritakse veel järgmistesse alamklassidesse:[15]
    • aminoproteaasid eemaldavad ühe aminohappejäägi peptiidahela vabast N-terminaalsest otsast.[15] Siia rühma kuulub näiteks juustu valmistamiseks kasutatavas piimhappebakteris Lactococcus lactis leiduv ja juustu valmimist mõjutav ensüüm aminopeptidaas C.[15] Aminoproteaasid on Ensüümikomisjoni poolt paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.11;[15][13]
    • karboksüproteaasid eemaldavad ühe aminohappejäägi peptiidahela vabast C-terminaalsest otsast.[15] Sellised on näiteks inimese pankreases toodetud valkude lagundamise ja imendumisega seotud karboksüpeptidaas A1 ja pagaripärmis leiduv karboksüpeptidaas Y.[15] Karboksüproteaasid on paigutatud alam-alamklassidesse EC 3.4.16–18, kus neid eristatakse aktiivtsentri põhjal;[15][13]
    • dipeptidüül-proteaasid lõikavad N-terminaalsest otsast kaks aminohappejääki.[15] Siia kuulub näiteks roti (Rattus norvegicus) lüsosoomides leiduv dipeptidüül-peptidaas I, mis aktiveerib teisi proteaase.[15] Dipeptidüül-peptidaasid on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.14;[15][13]
    • tripeptidüül-proteaasid eemaldavad peptiidahela N-terminaalsest otsast kolm aminohappejääki.[15] Siia rühma kuulub näiteks inimese lüsosoomides leiduv tripeptidüül-peptidaas I, mis osaleb hüdrofoobsete valkude lagundamises.[15] Tripeptidüül-peptidaasid on koos dipeptidüül-peptidaasidega paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.14;[15][13]
    • diproteaasid vajavad kahte vaba ahela otsa ja lõikavad otstest ära kaks aminohappejääki.[15] Need on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.13;[15][13]
    • peptidüül-dipeptidaasid eemaldavad valguahela C-terminaalsest otsast dipeptiidi.[15] Siia rühma kuulub näiteks soolekepikeses leiduv peptidüül-dipeptidaas Dcp, mille peamine roll on rakusiseste valkude lõikamine.[15] Peptidüül-dipeptidaasid on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.15;[15][13]
  • endoproteaasid hüdrolüüsivad valguahela keskel (üldjuhul ahela otstest kaugel) paiknevaid α-peptiidsidemeid.[15] Sellised ensüümid on näiteks kümotrüpsiin, pepsiin ja papaiin.[15] Endopeptidaasid algatavad toiduvalkude seedimist, luues uusi N- ja C-terminaalseid otsi eksopeptidaaside jaoks, mis viivad protsessi lõpule.[15] Endoproteaasid jagunevad seriini-, tsüsteiini-, aspartaadi-, metallo- ja treoniintüüpi endoproteaasideks;[15]
  • oomegaproteaasid ei vaja sarnaselt endopeptidaasidega vaba N- või C-terminaalset otsa, kuid hüdrolüüsivad peptiidsidemeid hoopis ahela otste läheduses.[15] Lisaks α-peptiidsidemetele hüdrolüüsivad need ka isopeptiidsidemeid.[15] Oomegapeptidaasid on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.19.[15][13]

Erinevad proteaaside klassid jaotatakse omakorda perekondadeks nende aminohappelise järjestuse alusel, kusjuures kõige olulisem on klassifitseerimisel katalüütilise domeeni järjestus.[15] Igal perekonnal on ka tüüpnäide, milleks on tavaliselt proteaas, mida on enim uuritud. Osa proteaase, mis pärinevad samast eellasensüümist on evolutsiooni käigus nii palju muutunud, et nende sugulust aminohappelise järjestuse alusel on raske tõestada. Sel juhul võrreldakse valkude 3D-struktuure, mille põhjal jagatakse proteaasid veel klannidesse.[15][16] Aminohappelise järjestuse ja 3D-struktuuri alusel on proteaasid perekondadesse ja klannidesse määratud MEROPS andmebaasis, mida perioodiliselt uuendatakse.[15]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Neitzel, J. J. (2010) Enzyme Catalysis: The Serine Proteases. Nature Education 3(9):21 www.nature.com Kasutatud 21.09.2016 (inglise)
  2. 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 2,10 2,11 Rawlings, N. D., et al., (2011) Asparagine Peptide Lyases: A SEVENTH CATALYTIC TYPE OF PROTEOLYTIC ENZYMES. The Journal of Biological Chemistry, nr 286, lk 38321-38328. www.jbc.org Kasutatud 21.09.2016 (inglise)
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 Rao, M. B. (1998). Molecular and Biotechnological Aspects of Microbial Proteases Microbiol Mol Biol Rev, nr 62(3), lk 597–635. www.ncbi.nlm.nih.gov Kasutatud 21.09.2016 (inglise)
  4. 4,0 4,1 4,2 Puente, X. S. et al., (2003) HUMAN AND MOUSE PROTEASES: A COMPARATIVE GENOMIC APPROACH. Nature Reviews, nr 4, lk 544–558. Kasutatud 26.09.2016 (inglise)
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 de Souza, P. M. et al., (2015). A biotechnology perspective of fungal proteases. Braz. J. Microbiol., nr 46(2). www.scielo.br Kasutatud 19.10.2016 (inglise)
  6. Li, Q et al., (2013). Commercial proteases: Present and future. FEBS Letters, nr 587(8), lk 1155–1163. onlinelibrary.wiley.com Kasutatud 23.10.2016 (inglise)
  7. 7,0 7,1 Kisselev, A. F. et al., (200). Why Does Threonine, and Not Serine, Function as the Active Site Nucleophile in Proteasomes? The Journal of Biological Chemistry, nr 275, lk 14831-14837. www.jbc.org Kasutatud 23.10.2016 (inglise)
  8. 8,0 8,1 8,2 Deu, E. et al., (2012). New approaches for dissecting protease functions to improve probe development and drug discovery. Nature Structural & Molecular Biology, nr 19, lk 9–16. www.nature.com Kasutatud 23.10.2016 (inglise)
  9. 9,0 9,1 Polgar, L. (2005). The catalytic triad of serine peptidases. CMLS, Cell. Mol. Life Sci., nr 62, lk 2161–2172. link.springer.com Kasutatud 23.10.2016 (inglise)
  10. Amidine-lyases Kasutatud 23.10.2016 (inglise)
  11. 11,0 11,1 Craik, C. S. et al., (2011). Proteases as therapeutics. Biochem J., nr 435(1), lk 1–16. www.ncbi.nlm.nih.gov Kasutatud 20.10.2016 (inglise)
  12. Ghatak, S. et al., (2015). A simple method of genomic DNA extraction from human samples for PCR-RFLP analysis. JBT, nr 24(4), lk 224-31. www.researchgate.net Kasutatud 20.10.2016 (inglise)
  13. 13,00 13,01 13,02 13,03 13,04 13,05 13,06 13,07 13,08 13,09 13,10 13,11 13,12 13,13 NC-IUBMB Enzyme Nomenclature Kasutatud 21.09.2016 (inglise)
  14. Huettner, JE ja Baughman, RW, (1986). Primary culture of identified neurons from the visual cortex of postnatal rats. Journal of Neuroscience, nr 6(10), lk 3044–3060. jneurosci.org Kasutatud 20.10.2016 (inglise)
  15. 15,00 15,01 15,02 15,03 15,04 15,05 15,06 15,07 15,08 15,09 15,10 15,11 15,12 15,13 15,14 15,15 15,16 15,17 15,18 15,19 15,20 15,21 15,22 15,23 15,24 15,25 15,26 15,27 15,28 15,29 15,30 15,31 15,32 15,33 15,34 MEROPS andmebaas Kasutatud 21.09.2016 (inglise)
  16. 16,0 16,1 Fujinaga, M., et al., (2004) The molecular structure and catalytic mechanism of a novel carboxyl peptidase from Scytalidium lignicolum. PNAS, nr. 101(10), lk 3364–3369. www.pnas.org Kasutatud 21.09.2016 (inglise)
  17. Tajima, N., et al., (2010) A Novel Intein-Like Autoproteolytic Mechanism in Autotransporter Proteins. J. Mol. Biol., nr 402, lk 645–656. www.researchgate.net Kasutatud 21.09.2016 (inglise)