Цистеиновые протеазы

Система классификации протеаз MEROPS насчитывает 14 суперсемейств плюс несколько необозначенных семейств (с 2013 года), каждая из которых содержит большое количество семейств. Каждое надсемейство использует каталитическую триаду или диаду в разных белковых складках, и, таким образом, представляют собой конвергентную эволюцию каталитического механизма.

Для суперсемейств, P = суперсемейство, которое состоит из смесь семейств класса нуклеофилов, C = суперсемейство чисто цистеиновых протеаз. Внутри каждого суперсемейства, входящие в них семейства обозначаются каталитическим нуклеофилом (C = цистеинпротеазы).

В таблице указаны все суперсемейства цистеиновых протеаз:

Реакционный механизм, опосредованный цистеиновой протеазой путём расщепления пептидной связи.

Первым шагом в механизме реакции, посредством которого цистеиновые протеазы катализируют гидролиз пептидных связей, является депротонизация тиола в активном центре фермента смежной аминокислотой с основной боковой цепью, обычно гистидиновым остатком. Следующим шагом является нуклеофильная атака анионной серы депротонированного цистеина на карбонильном атоме углерода основания. На этой стадии фрагмент субстрата высвобождается с аминовым концом, остаток гистидина в протеазе восстанавливается до депротонированной формы и образуется тиоэфирное промежуточное соединение, связывающее новый карбокси-конец субстрата с цистеиновым тиолом. Поэтому их также иногда называют тиол-протеазами. Затем тиоэфирную связь гидролизуют с образованием фрагмента карбоновой кислоты на оставшемся фрагменте субстрата при регенерации свободного фермента.

Протеазы обычно синтезируются в виде больших белков-предшественников, называемых зимогенами, примером служат предшественники сериновых протеаз трипсиноген и химотрипсиноген и пепсиноген, предшественник аспарагиновой протеазы. Протеаза активируется удалением ингибирующего сегмента или белка. Активация происходит, когда протеаза доставляется в конкретный внутриклеточный компартмент (например, в лизосому) или во внеклеточную среду (например, в просвет желудка). Данная система предотвращает повреждения клеток, которые продуцируют протеазу.

Ингибиторы протеаз обычно представляют собой белки с доменами, которые интернируют или блокируют активный сайт протеазы для предотвращения доступа к субстрату. При конкурентном ингибировании ингибитор связывается с активным центром, тем самым предотвращая взаимодействие фермента с субстратом. При неконкурентном ингибировании ингибитор связывается с аллостерическим сайтом, который изменяет конформацию активного сайта и, тем самым делает его недоступным для субстрата.

Примеры ингибиторов протеаз:

• Серпины
• Стефины
• Ингибиторы апоптоза.

Цистеиновые протеазы играют многогранную роль, практически во всех аспектах физиологии и развития. В растениях они важны для роста и развития, а также для накопления и мобилизации белков хранения, таких как семена. Кроме того, они участвуют в сигнальных путях и в ответ на биотические и абиотические стрессы[5]. У людей и других животных они ответственны за старение и апоптоз (запрограммированную гибель клеток), иммунные ответы белков MHC класса II, прогормоновая обработка и ремоделирование внеклеточного матрикса, важные для развития костей. Способность макрофагов и других клеток мобилизовывать эластолитические цистеиновые протеазы на их поверхности в специализированных условиях может также приводить к ускоренной деградации коллагена и эластина в местах воспаления при таких заболеваниях, как атеросклероз и эмфизема[6]. Несколько вирусов (например, полиомиелита, гепатита С) экспрессируют весь свой геном в виде простого массивного полипептида и используют протеазу для расщепления его на функциональные единицы (например, протеазу вируса гравировки табака).