موضوع مقاله: پروتئاز | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پروتئاز | مقدمه: پروتئازها شامل سرین پروتئازها، متالوپروتئازها، آسپارتیک پروتئازها، سیستئین پروتئازها و ترئونین پروتئازها، می‌باشند. | ## بخش 1: پروتئاز | یک پروتئاز ممکن است چندین سوبسترا داشته باشد یا اینکه یک سوبسترا توسط چندین پروتئاز برش یابد. پروتئازها اغلب به صورت آبشاری عمل می‌کنند یعنی به‌طور پی در پی یک پروتئاز باعث فعال شدن پروتئاز بعد از خود می‌شود. نمونه بارز واکنش‌های آبشاری پروتئازی را می‌توان در خزان یاخته‌ای (اپوپتوز) و پروتئازهای کاسپاز مشاهده کرد.. برای مثال: تعداد زیادی از پروتئین‌هایی که در سلول‌ها بیان می‌شوند به فرم غیرفعال هستند. بسیاری از پروتئین‌ها مانند آنزیم‌ها، سایتوکین‌ها، هورمون‌های رشد، رسپتورهای سلولی و…، به این روش فعال می‌شوند. در اثر این کنترل پروتئولایتیکی، فعالیت‌های مختلف سلولی مانند رونویسی و همانندسازی، پیشرفت سیکل سلولی، تکثیر سلول، تمایز، اپوپتوز و…، کنترل می‌شود. نقص در این سیستم پردازش پروتئولایتیکی همچنین می‌تواند منجر به بیماری‌هایی مانند سرطان، آرتریت، بیماری‌های نورودژنراتیو و بیماری‌های قلبی عروقی شود. دگرادوم در سلول‌های مختلف تعداد زیادی پروتئاز در هر زمان مشخص و شرایط خاص بیان می‌شود. برای مثال در انسان تاکنون بیش از ۵۰۰ پروتئاز شناسایی شده‌است که به‌طور متوسط در هر سلول د رهر شرایط خاص حدود ۲۰۰ تا از آن‌ها بیان می‌شوند. به کلیه پروتئازها و سوبستراهای آن‌ها که در یک زمان مشخص و تحت یک شرایط خاص در یک سلول بیان می‌شوند، دگرادوم آن سلول گفته می‌شود. رده‌بندی بر پایه باقیمانده کاتالیزوری پروتئازها را می‌توان به هفت گروه گسترده تقسیم کرد: سرین پروتئازها - با استفاده از یک الکل سرین سیستئین پروتئازها - با استفاده از یک تیول سیستئین ترئونین پروتئازها - با استفاده از یک الکل ثانویه ترئونین آسپارتیک پروتئازها - با استفاده از یک کربوکسیلیک اسید آسپارتات گلوتامیک پروتئازها - با استفاده از یک کربوکسیلیک اسید گلوتامات متالوپروتئازها - با استفاده از یک فلز، معمولاً روی آسپارژین پپتید لیازها - با استفاده از یک آسپارژین برای انجام یک واکنش حذفی (بدون نیاز به آب) پروتئازها برای نخستین بار در سال ۱۹۹۳ بر اساس رابطه تکاملی خود در ۸۴ خانواده گروه‌بندی شدند و در چهار نوع کاتالیزوری طبقه‌بندی شدند: پروتئازهای سرین، سیستئین، آسپارتیک و متالو. مکانیسم مورد استفاده برای شکستن یک پیوند پپتیدی شامل هسته‌دوست کردن یک باقیمانده اسید آمینه است که دارای سیستئین و ترئونین (پروتئازها) یا یک مولکول آب (پروتئازهای آسپارتیک، گلوتامیک و متالو) باشد تا بتواند به گروه کربونیل پپتید حمله کند. یکی از راه‌های ایجاد یک هسته‌دوست، استفاده از یک سه‌تایی کاتالیزوری است که در آن از یک باقیمانده هیستیدین برای فعال کردن سرین، سیستئین یا ترئونین به عنوان هسته‌دوست استفاده می‌شود. با این حال، این یک گروه‌بندی تکاملی نیست، زیرا انواع هسته‌دوست به صورت تکامل همگرا در ابرخانواده‌های مختلف تکامل یافته‌اند و برخی از ابرخانواده‌ها تکامل واگرا را به چندین هسته‌دوست مختلف نشان می‌دهند. متالوپروتئازها، آسپارتیک و گلوتامیک پروتئازها از باقیمانده‌های جایگاه فعال خود برای فعال کردن یک مولکول آب استفاده می‌کنند که سپس به پیوند قابل شکست (scissile bond) حمله می‌کند. پپتید لیازها هفتمین نوع کاتالیزوری آنزیم‌های پروتئولیتیک، آسپارژین پپتید لیاز، در سال ۲۰۱۱ توصیف شد. مکانیسم پروتئولیتیک آن غیرمعمول است زیرا به جای هیدرولیز، یک واکنش حذفی انجام می‌دهد. در طی این واکنش، آسپارژین کاتالیزوری یک ساختار شیمیایی حلقوی تشکیل می‌دهد که تحت شرایط مناسب، خود را در باقیمانده‌های آسپارژین در پروتئین‌ها می‌شکند. با توجه به مکانیسم اساساً متفاوت آن، گنجاندن آن به عنوان یک پپتیداز ممکن است بحث‌برانگیز باشد. بر پایه فیلوژنی تکاملی طبقه‌بندی به‌روز ابرخانواده‌های تکاملی پروتئاز در پایگاه داده MEROPS یافت می‌شود. در این پایگاه داده، پروتئازها ابتدا بر اساس ساختار، مکانیسم و ترتیب باقیمانده‌های کاتالیزوری بر پایه «کلان» (ابرخانواده) طبقه‌بندی می‌شوند (به عنوان مثال کلان PA که در آن P نشان‌دهنده مخلوطی از خانواده‌های هسته‌دوست است). در هر «کلان»، پروتئازها بر اساس شباهت توالی به خانواده‌ها تقسیم می‌شوند (به عنوان مثال خانواده‌های S1 و C3 در کلان PA). هر خانواده ممکن است حاوی صدها پروتئاز مرتبط باشد (مثلاً تریپسین، الاستاز، ترومبین و استرپتوگریسین A در خانواده S1). در حال حاضر بیش از ۵۰ کلان شناخته شده است که هر کدام نشان‌دهنده یک منشأ تکاملی مستقل برای پروتئولیز است. بر پایه پی‌اچ (pH) بهینه به طور جایگزین، پروتئازها ممکن است بر اساس پی‌اچ (pH) بهینه‌ای که در آن فعال هستند طبقه‌بندی شوند: پروتئازهای اسیدی پروتئازهای خنثی که در حساسیت مفرط نوع ۱ نقش دارند. آنزیم به رنگ سیاه، پروتئین سوبسترا به رنگ قرمز و آب به رنگ آبی نشان داده شده است. پنل بالایی هیدرولیز ۱-مرحله‌ای را نشان می‌دهد که در آن آنزیم از یک اسید برای قطبی کردن آب استفاده می‌کند، که سپس سوبسترا را آبکافت می‌کند. | ## بخش 2: پروتئاز | پنل پایینی هیدرولیز ۲-مرحله‌ای را نشان می‌دهد که در آن یک باقیمانده در داخل آنزیم فعال می‌شود تا به عنوان یک هسته‌دوست (Nu) عمل کرده و به سوبسترا حمله کند. این یک واسطه ایجاد می‌کند که در آن آنزیم به صورت کووالانسی به نیمه انتهای-N سوبسترا متصل است. در مرحله دوم، آب برای هیدرولیز این واسطه و تکمیل کاتالیز با آزاد کردن نیمه دوم محصول و بازسازی آنزیم آزاد فعال می‌شود. سایر باقیمانده‌های آنزیم (نشان داده نشده‌اند) هیدروژن اهدا و قبول می‌کنند و به صورت الکترواستاتیک تجمع بار را در طول مکانیسم واکنش تثبیت می‌کنند. پروتئازها در هضم زنجیره‌های طولانی پروتئین به قطعات کوتاه‌تر از طریق شکستن پیوندهای پپتیدی که باقی‌مانده‌های اسید آمینه را به هم متصل می‌کنند، نقش دارند. برخی از آن‌ها اسیدهای آمینه انتهایی را از زنجیره پروتئین جدا می‌کنند (اگزوپپتیدازها، مانند آمینوپپتیدازها، کربوکسی‌پپتیداز A)؛ برخی دیگر به پیوندهای پپتیدی داخلی یک پروتئین حمله می‌کنند (اندوپپتیدازها، مانند تریپسین، کیموتریپسین، پپسین، پاپائین، الاستاز). کاتالیز کاتالیز از طریق یکی از دو سازوکار زیر انجام می‌شود: پروتئازهای آسپارتیک، گلوتامیک و متالو، یک مولکول آب را فعال می‌کنند که برای هیدرولیز پیوند پپتیدی، یک حمله هسته‌دوست انجام می‌دهد. پروتئازهای سرین، ترئونین و سیستئین از یک باقیمانده هسته‌دوست استفاده می‌کنند (معمولاً در یک سه‌تایی کاتالیزوری). آن باقیمانده یک حمله هسته‌دوست انجام می‌دهد تا پروتئاز را به صورت کووالانسی به پروتئین سوبسترا متصل کند و نیمه اول محصول را آزاد کند. این واسطه آسیل-آنزیم کووالانسی سپس توسط آب فعال هیدرولیز می‌شود تا کاتالیز با آزاد کردن نیمه دوم محصول و بازسازی آنزیم آزاد تکمیل شود. این مورد در رابطه با آنزیم‌های گوارشی مانند تریپسین صادق است که باید بتوانند مجموعه‌ای از پروتئین‌های بلعیده شده را به قطعات پپتیدی کوچک‌تر تقسیم کنند. پروتئازهای بی‌بندوبار معمولاً به یک اسید آمینه واحد روی سوبسترا متصل می‌شوند و بنابراین فقط برای آن باقیمانده ویژگی دارند. برعکس، برخی از پروتئازها بسیار اختصاصی هستند و فقط سوبستراهایی با توالی خاص را می‌شکنند. لخته شدن خون (مانند ترومبین) و پردازش پلی‌پروتئین ویروسی (مانند پروتئاز TEV) برای دستیابی به رویدادهای برش دقیق به این سطح از ویژگی نیاز دارند. این امر با داشتن یک شکاف یا تونل اتصال طولانی با چندین جیب که به باقیمانده‌های مشخص متصل می‌شوند، به دست می‌آید. تجزیه و خودکاوی پروتئازها که خود پروتئین هستند، توسط دیگر مولکول‌های پروتئاز، گاهی از همان نوع، شکسته می‌شوند. برخی از پروتئازها پس از خودکاوی (اتولیز) فعالیت کمتری دارند (مثلاً پروتئاز TEV) در حالی که برخی دیگر فعال‌تر می‌شوند (مثلاً تریپسینوژن). تنوع زیستی پروتئازها پروتئازها در تمام جانداران، از پروکاریوت‌ها تا یوکاریوت‌ها و ویروس‌ها وجود دارند. این آنزیم‌ها در بسیاری از واکنش‌های فیزیولوژیک از هضم ساده پروتئین‌های غذایی گرفته تا آبشارهای بسیار تنظیم‌شده (مانند آبشار انعقاد خون، سیستم کمپلمان، مسیرهای آپوپتوز و آبشار فعال‌کننده پرو‌فنول‌اکسیداز در بی‌مهرگان) نقش دارند. پروتئازها می‌توانند بسته به توالی اسید آمینه یک پروتئین، یا پیوندهای پپتیدی خاصی را بشکنند (پروتئولیز محدود)، یا یک پپتید را به طور کامل به اسیدهای آمینه تجزیه کنند (پروتئولیز نامحدود). این فعالیت می‌تواند یک تغییر تخریبی باشد (از بین بردن عملکرد یک پروتئین یا هضم آن به اجزای اصلی)، می‌تواند فعال‌سازی یک عملکرد باشد، یا می‌تواند سیگنالی در یک مسیر پیام‌رسانی باشد. گیاهان ژنوم گیاهان صدها پروتئاز را رمزگذاری می‌کند که عمدتاً عملکرد ناشناخته‌ای دارند. جانوران پروتئازها در سراسر بدن یک جاندار برای فرآیندهای متابولیک مختلف استفاده می‌شوند. پروتئازهای اسیدی ترشح شده در معده (مانند پپسین) و پروتئازهای سرین موجود در دوازدهه (تریپسین و کیموتریپسین) هضم پروتئین در غذا را ممکن می‌سازند. پروتئازهای موجود در سرم خون (ترومبین، پلاسمین، فاکتور هاگمن و غیره) نقش مهمی در لخته شدن خون، و همچنین لیز لخته‌ها و عملکرد صحیح سیستم ایمنی ایفا می‌کنند. سایر پروتئازها در گلبول‌های سفید (الاستاز، کاتپسین G) وجود دارند و نقش‌های مختلفی در کنترل متابولیک ایفا می‌کنند. برخی از سموم مار نیز پروتئاز هستند، مانند هموتوکسین افعی که در آبشار لخته شدن خون قربانی اختلال ایجاد می‌کند. | ## بخش 3: پروتئاز | پروتئازها طول عمر پروتئین‌های دیگری را که نقش‌های فیزیولوژیک مهمی ایفا می‌کنند، مانند هورمون‌ها، آنتی‌بادی‌ها یا آنزیم‌های دیگر، تعیین می‌کنند. این یکی از سریع‌ترین سازوکارهای تنظیمی «روشن کردن» و «خاموش کردن» در فیزیولوژی یک جاندار است. با یک عمل پیچیده و همکارانه، پروتئازها می‌توانند واکنش‌های آبشاری را کاتالیز کنند که منجر به تقویت سریع و کارآمد پاسخ جاندار به یک سیگنال فیزیولوژیک می‌شود. باکتری‌ها باکتری‌ها برای آبکافت پیوندهای پپتیدی در پروتئین‌ها، پروتئاز ترشح می‌کنند و بدین ترتیب پروتئین‌ها را به اسیدهای آمینه تشکیل‌دهنده آن‌ها تجزیه می‌کنند. پروتئازهای باکتریایی و قارچی به‌ویژه در چرخه‌های جهانی کربن و نیتروژن در بازیافت پروتئین‌ها اهمیت دارند و چنین فعالیتی در این جانداران تمایل دارد توسط سیگنال‌های تغذیه‌ای تنظیم شود. تأثیر خالص تنظیم تغذیه‌ای فعالیت پروتئاز در میان هزاران گونه موجود در خاک را می‌توان در سطح کلی جامعه میکروبی مشاهده کرد، زیرا پروتئین‌ها در پاسخ به محدودیت کربن، نیتروژن یا گوگرد تجزیه می‌شوند. باکتری‌ها حاوی پروتئازهایی هستند که مسئول کنترل کیفیت عمومی پروتئین (به عنوان مثال پروتئازوم AAA+) از طریق تجزیه پروتئین‌های بازشده یا بدتاشده می‌باشند. یک پروتئاز باکتریایی ترشح‌شده ممکن است به عنوان یک اگزوتوکسین (برون‌زهرابه) نیز عمل کند و نمونه‌ای از یک عامل بیماری‌زایی در بیماری‌زایی باکتریایی باشد (به عنوان مثال، سم لایه‌بردار). ویروس‌ها ژنوم برخی ویروس‌ها یک پلی‌پروتئین عظیم را رمزگذاری می‌کند که برای تبدیل شدن به واحدهای عملکردی به یک پروتئاز برای برش نیاز دارد (مانند ویروس هپاتیت سی و پیکورناویروس‌ها). این پروتئازها (مانند پروتئاز TEV) ویژگی بالایی دارند و فقط مجموعه بسیار محدودی از توالی‌های سوبسترا را می‌شکنند. باستانیان باستانیان از پروتئازها برای تنظیم فرآیندهای مختلف سلولی از پیام‌رسانی سلولی و متابولیسم گرفته تا ترشح و کنترل کیفیت پروتئین استفاده می‌کنند. تنها دو پروتئاز وابسته به ATP در باستانیان یافت می‌شود: پروتئاز LonB مرتبط با غشا و یک مجتمع پروتئازوم 20S محلول. تومورها پروتئازها به دلیل توانایی‌شان در تخریب ماتریکس‌های خارج سلولی، که تهاجم و متاستاز را تسهیل می‌کند، با پیشرفت سرطان مرتبط هستند؛ این آنزیم‌ها طیف متنوعی از سوبستراها را هدف قرار می‌دهند و به تمام مراحل تولید تومور کمک می‌کنند؛ برخی از پروتئازها دارای اثرات سرکوب‌گر تومور هستند که با بیش از ۳۰ آنزیم مختلف متعلق به سه کلاس مجزای پروتئاز مرتبط است. پروتئازها در صنعت، پزشکی و به عنوان یک ابزار تحقیقات بیولوژیکی پایه استفاده می‌شوند. پروتئازهای گوارشی بخشی از بسیاری از شوینده‌های لباس هستند و همچنین به طور گسترده در صنعت نان به عنوان بهبوددهنده نان استفاده می‌شوند. انواع مختلفی از پروتئازها از نظر پزشکی هم برای عملکرد بومی خود (مانند کنترل لخته شدن خون) و هم برای عملکردهای کاملاً مصنوعی (مانند تجزیه هدفمند پروتئین‌های بیماری‌زا) استفاده می‌شوند. پروتئازهای بسیار اختصاصی مانند پروتئاز TEV و ترومبین معمولاً برای برش پروتئین‌های همجوشی و برچسب‌های تمایلی به روشی کنترل‌شده استفاده می‌شوند. محلول‌های گیاهی حاوی پروتئاز که «پنیرمایه گیاهی» نامیده می‌شوند، صدها سال است که در اروپا و خاورمیانه برای ساخت پنیرهای کوشر و حلال استفاده می‌شوند. پنیرمایه گیاهی حاصل از گیاه پنیرباد هزاران سال است که به عنوان یک درمان آیورودا برای گوارش و دیابت در شبه‌قاره هند استفاده می‌شود. این خانواده شامل آلفا ۱-آنتی‌تریپسین (که از بدن در برابر اثرات بیش از حد پروتئازهای التهابی خود محافظت می‌کند)، آلفا ۱-آنتی‌کیموتریپسین (که همین کار را انجام می‌دهد)، مهارکننده C1 (که از بدن در برابر فعال شدن بیش از حد سیستم کمپلمان توسط پروتئاز محافظت می‌کند)، آنتی‌ترومبین (که از بدن در برابر انعقاد بیش از حد محافظت می‌کند)، مهارکننده فعال‌کننده پلاسمینوژن نوع ۱ (که با مسدود کردن فیبرینولیز تحریک‌شده توسط پروتئاز، از بدن در برابر انعقاد ناکافی محافظت می‌کند) و نوروسرپین است. مهارکننده‌های طبیعی پروتئاز شامل خانواده پروتئین‌های لیپوکالین است که در تنظیم و تمایز سلولی نقش دارند. مشخص شده است که لیگاندهای چربی‌دوست متصل به پروتئین‌های لیپوکالین، دارای ویژگی‌های مهارکننده پروتئاز تومور هستند. مهارکننده‌های طبیعی پروتئاز نباید با مهارکننده‌های پروتئاز مورد استفاده در درمان ضد رتروویروسی اشتباه گرفته شوند. بنابراین، مهارکننده‌های پروتئاز به عنوان عوامل درمانی ضد ویروسی توسعه یافته‌اند. نمونه‌های رایج، مهارکننده‌های تریپسین هستند که در دانه‌های برخی گیاهان یافت می‌شوند؛ برجسته‌ترین آن‌ها برای انسان، دانه سویا است (یک محصول غذایی اصلی)، که در آنجا برای بازدارندگی شکارچیان عمل می‌کنند. | ## جمع‌بندی | لوبیای سویا خام برای بسیاری از حیوانات از جمله انسان سمی است تا زمانی که مهارکننده‌های پروتئاز موجود در آن‌ها واسرشته شوند.