סרין פרוטאז

מבנה קריסטלוגרפי של הסרין פרואז טריפסין.

סרין פרוטאז או סרין אנדופפטידאז (שם חדש) הוא שם של משפחת אנזימי פפטידאז (אנזימים שמבקעים קשרים פפטידים בחלבונים). סרין פרוטאזות מאופיינים על ידי נוכחות של סרין באתר הפעיל של האנזים. סרין פרוטאז מקופל בהתאמה מבנית ויתר על כן הוא תת-קבוצה לאותה משפחה עם התאמה רצפית משותפת. בגוף האדם מכיל האנזים כימוטריפסין כמו סבטיליזין אלפא או בטא הידרוליזה וסיגנל-אות פפטידאז. סרין פרוטאז נוטל תפקיד בתפקוד הגוף כולל קרישת דם, במערכת החיסון ודלקת. כמו כן, תורם לעיכול אנזימי בפרוקריוטים ובאאוקריוטים.

שלשת סרין פרוטאז של כימוטריפסין מסונתזים על ידי תאים בלבלב, מופרשים במעי הדק ואחראים לזירוז של הידרוליזה של קשר פפטידי. שלושת האנזימים דומים מבנית, וניתן לראות את הדמיון באמצעות סריקה בקרני רנטגן. ההבדל הנראה הוא בקשר פפטידי בשלושת האנזימים שנקרא קשר scissile. ההבדל באנזימים, כמו ברוב האנזימים הוא הספציפיות בראקציית הקטליזה (פירוק) שלהם. כל אחד מסרין פרוטאז מכווין באזור שונה של שרשרת פוליפפטידית.

• כימוטריפסין: אחראי לביקוע קשרים פפטידיים, בקצה הקרבוקסילי של שיירים ארומטיים. בעל העדפה להכללה של פניל אלנין, טריפטופן ואלנין אשר מתאים למבנה הכיס ההידרופובי. הספציפיות של כימוטריפסין נובעת מ"כיס" באתר הפעיל הקושר סובסטרט, המתאים לקבוצות הידרופוביות גדולות.
• טריפסין: אחראי לביקוע קשר פפטידי בשל חומצה אמינית בעלת מטען חיובי במקום הכיס ההידרופובי של כימוטריפסין. מבקע אחרי חומצות אמיניות ארגינין וליזין. בעל אותה שלשה קטליטית של כימוטריפסין, בעל כיס שונה- צר יותר ומכיל חומצה אספרטית, הקושרת קבוצות חיוביות.
• אלסטאז: אחראי לביקוע קשר פפטידי אחרי חומצה אמינית נטרילית קטנה כמו אלנין, גליצין וואלין. הכיס אשר קיים בטריפסין ובכימוטריפסין עכשיו מכיל ואלין בצורה חלקית וחוסם מעבר חומצות אמינו עם שייר גדול.

שילוב של שלושת האנזימים יוצר תפקוד יעיל ובעיקר אחראי על פירוק חלבונים.

סאבטיליזין

סאבטיליזין הוא סרין פרוטאז בפרוקריוטים. סאבטיליזין לא קשור אבולוציונית לכימוטריפסין, אבל הוא מכיל שלשה קטליטית זהה.

מנגנון קטליזה

המרכיב העיקרי במנגנון הקטליזה של כימוטריפסין וסאבטיליזין הוא השלשה הקטליטית. השלישייה ממוקמת באתר הפעיל של האנזים במקום בו קטליזה מתרחשת ומשמרת את אנזימי סרין פרוטאז. השלשה מתואמת במבנה ומרכיבה שלוש חומצות אמיניות. היסטידין (His-57)סרין (Ser-195) (ומכאן השם סרין פרוטאז) וחומצה אספרטית (Asp-102). ממוקמים קרוב אחד לשני בלב האנזים חומצות אלו הן המפתח לחומצות אמינו אשר בעלות תפקיד ביכולת ביקוע של פרוטאז.

קטליזה של פפטיד יכולה להיראות כמו קטליזת פינג-פונג, אשר קישור סובסטרט (במקרה זה פוליפפטיד) מתבקע, תוצר משוחרר (במקרה זה N טרמינלי, חצוי בפפטיד) קישור סובסטרט אחר (מים) תוצר נוסף (קצה C-חצי מפפטיד).

כל שלש חומצות האמינו מבצעות תפקיד ספציפי בתהליך זה:

• הסרין בעל קבוצת OH יכול לפעול כנוקלאופיל, לתקוף פחמן קרבוניל של קשר פפטידי scissile של סובסטרט. זוג אלקטרונים של היסטידין יכולים לקבל מימן מסרין-מקבוצת OH, כך מתואמת התקיפה לקשר הפפטידי.

קבוצה קרבוקסילית של חומצה אספרטית בקשר המימני פונה עם היסטידין, יוצר זוג אלקטרונים בעל מטען יותר שלילי. כל הראקציה יכולה להיות מסוכמת כאמור:

• קישור סובסטרט פוליפפטיד למשטח של אנזים סרין פרוטאז, כמו קשר scissile חודר לאתר הפעיל של אנזים אשר פחמן קרבונילי ממוקם קרוב לסרין הנקלאופילי.
• סרין OH תוקף פחמן קרבוניל, וחנקן של היסטידין מקבל חנקן מ OH וזוג אלקטרונים מקשר כפול של חמצן קרבוניל- נע לחמצן.
• הקשר מצטרף לחנקן ולפחמן של קשר פפטידי- כעת מבוקע. האלקטרון הקוולנטייוצר קשר זה, נע כדי לתקוף מימן של היסטידין, שבירה של הקשר. האלקטרונים אשר לפני כן זזו לחמצן הקרבוניל, זזים בחזרה לקשר הכפול מהחמצן השלילי נוצר חלל פנים אצטיל אנזים.
• כעת, מים מגיבים בראקציה. מים מחליפים את הקצה האמיני לביקוע פפטיד ותוקפים פחמן קרבוניל. שוב, האלקטרונים מהקשר הכפול זזים לחמצן יוצרים מטען שלילי הקושר בין חמצן לפחמן ולמים. זהו תיאום על ידי חנקן של היסטידין, אשר מקבל פרוטון מהמים.
• בתגובה האחרונה הקשר יוצר את הצעד הראשון בין סרין ותזוזת פחמן קרבוניל כדי לתקוף מימן אשר ההיסטידין זה עתה קיבל. כעת האלקטרון על הפחמן הקרבונילי נוטה בחסר ויוצר קשר כפול עם חמצן- כתוצאה מכך, קצה הקרבוקסילי של הפפטיד נבקע.

אפקטים מייצבים נוספים

חומצות אמיניות נוספות של פרוטאז Gly 193 ו-Ser 195 מעורבות בחור האוקסיאניון ( Oxyanion Hole ).‏ Ser 195 ו-Gly 193 יכולות לתרום מימן לקשר המימני. כאשר נוצר חלל פנים אצטיל אנזים, היון החמצני השלילי מקבל אלקטרון מהקשר הכפול הקרבונילי ונכנס בהתאמה מושלמת לחור האוקסיאניון. סרין פרוטאז נקשר למצב המעבר וכולל מבנה מועדף. אנרגיית השפעול יורדת בראקציה. העדפת קישור אחראית לניצולת קטליטית של אנזים.

זימוגן

יש מעכבים מסוימים אשר ממלאים את האתר הפעיל ומונעים מהאזמים לתפקד כראוי. טריפסין, אנזים עוצמתי, מעכב את עיכול הלבלב על ידי יצירת חלל בלבלב.

זימוגן מופיע בצורתו הלא פעילה, פועלים לאחר סינתזה ואז מיד מתחילים את הסנתוז ברקמה האורגנית. דלקת לבלב יכולה להתרחש כאשר יש פעילות אנזימטית בטרם עת, הגורם לעיכול עצמי.

זימוגנים גדולים בצורתם הלא פעילה, יש ביכולתם להתפרק לאנזימים קטנים ופעילים. ההבדל בין זימוגן לאנזים פעיל הוא באתר הפעיל של הקטליז, לכן רק לאחר שפעול, ושינוי במבנה יכול להתרחש פרוטאוליזיס.

זימוגן	אנזים	הערות
טריפסינוגן	טריפסין	כאשר טריפסינוגן חודר למעי הדק, מופרש מהקרום הרירי של התריסריון, מבוקע אחרי ליזין 15הקשר הפפטידי של זימוגן. כתוצאה מכך, טריפסינוגן הופך לטריפסין. טריפסין גם כן אחראי לביקוע קשר פפטידי אחרי ליזין.
כמוטריפסינוגן	כמוטריפסין	עיכול תוך תאי, יוצר שפעול של כימוטריפסין.
פרואלסטאז	אלסטאז	משופעל על ידי ביקוע דרך טריפסין .

כפי שנראה, פעילות כמוטריפסינוגן לכימוטריפסין חיונית, מכיוון שהפעולה היא ראקציה של עצמה. חשוב שהשפעול לא יתרחש בטרם עת. יש מספר אמצעי הגנה למניעת עיכול עצמי:

- שפעול טריפסינוגן על ידי טריפסין, יחסית איטי.

- זימוגנים מאוכסנים בקפסולה העמידה בפני פרוטאוליזה.

עיכוב

סרין פרוטאז מעוכב על ידי מגוון קבוצות מעכבים, כולל מעכבים כימיים מלאכותיים וטבעיים. משפחה אחת של מעכב טבעי נקראת "סרפינס" (קיצור של מעכב סרין פרוטאז), היכול ליצור קשר קוולנטי עם סרין פרוטאז, ועל ידי כך גורם לעיכוב בפעולה. הלמידה הטובה ביותר של סרפינס הם אנטיתרומבין ואלפא 1 אנטירפסין, למידת תפקידם בקרישה ובתרומבוזה ונפחת / A1AT. מולקולה קטנה מלאכותית ובלתי הפיכה היא AEBSF ו PMSF .

תפקיד במחלות

מוטציה יכולה לגרום להפחתה בפעילות האנזימטית. עלולה לגרום, לדוגמה למוטציה בחלבון C, אשר יוביל לרמה נמוכה מידי של חלבון ולהפחתה בפעילות ולגרום לפקקת.

שימוש לאבחון

הגדרה של רמת סרין פרוטאז יכולה לשמש להקשר של מחלה ספציפית.

- רמת גורם קרישה יכולה לאבחן מצב תרומבוטי.

- אלסטז צואתי, ניתן לאבחן פעילות הקשורה להפרשת בלוטות אל מחוץ לגוף של הלבלב, CF או דלקת לבלב כרונית.

- פרוסטטה מסוימת יכולה לקבוע סיכון של סרטן הערמונית.

ראו גם

• ציסטאין פרוטאז

קישורים חיצוניים

• Serine protease site of the Washington University in St. Louis (WUSTL)