Proteáza

Proteázy (iné názvy: proteináza, peptidázy, proteolytický enzým) sú enzýmy zo skupiny hydroláz, ktoré sú schopné štiepiť peptidovú väzbu medzi dvoma aminokyselinami peptidového reťazca. Tento proces sa nazýva proteolýza a v bunke je prísne regulovaný. Proteázy sa okrem katabolizmu bielkovín zúčastňujú mnohých ďalších procesov. Sú súčasťou regulačných kaskád, sú esenciálne pre poskladanie niektorých vírusových častíc, regulujú apoptózu, upravujú bielkoviny do ich konečnej primárnej štruktúry a v ich chybnej funkcii majú pôvod niektoré globálne rozšírené ochorenia. Proteázy sú rozšírené vo všetkých taxónoch, od baktérií a jednobunkových eukaryotických organizmov až k hubám, rastlinám a živočíchom.

Nomenklatúra

Najširšie používaný názov pre enzýmy štiepiace peptidovú väzbu je proteáza. V tomto ponímaní je možné proteázy rozdeliť podľa substrátu na proteinázy (substrát proteín) a peptidázy (substrát peptid) . Napriek najširšie používanému názvu sa však novšie zavádza ako hlavný názov pre tieto enzýmy "peptidáza" (podľa peptidovej väzby, ktoré štiepia). Peptidázy je možné rozdeliť podľa miesta štiepenia na exopeptidázy (odštepujú aminokyselinu na N- alebo C-konci polypeptidového reťazca) a endopeptidázy (štiepia peptidovú väzbu vo vnútri sekvencie polypeptidového reťazca). Endopeptidázy sú v rámci tejto schémy nazývané aj proteinázy.

Rozdelenie

Hlavné rozdelenie proteáz je dané katalytickou aminokyselinou, čiže aminokyselinou, ktorá priamo sprostredkuje štiepenie peptidovej väzby. Podľa toho je určených šesť skupín proteáz: aspartátové, serínové, treonínové cysteínové, metetaloproteázy a glutamátové proteázy.

Aspartátové proteázy

Aspartátové proteázy tvoria dimér, medzi ktorého podjednotkami sú dve asparágové kyseliny tvoriace aktívne centrum enzýmu. Sú evolučne najmladšie a zároveň ich je spomedzi všetkých proteáz najmenej (4 %). Do svojej veľkej väzbovej dutiny sú schopné viazať veľké substráty a ich substrátová špecifita je široká. Pre funkciu aspartátových proteáz je optimálne kyslé pH. Ich špecifickým inhibítorom je pepstatín. Medzi aspartátové proteázy patrí napr. pepsín, renín a rôzne vírusové a mikrobiálne proteázy.

Serínové proteázy

Katalýza proteolýzy serínovými proteázami je sprostredkovaná alkoholovou skupinou serínu, no katalýze zväčša napomáhajú ďalšie dve aminokyseliny - kyselina asparágová a histidín. Tie spolu so serínom tvoria tzv. katalytickú triádu. Serínové proteázy sú najrozšírenejšie (35 %), majú širokú substrátovú špecifitu a bázické pH optimum. Patria medzi ne napr. trypsín, plazmín, trombín alebo HCV proteáza.

Treonínové proteázy

Treonínové proteázy sprostredkujú katalýzu sekundárnou alkoholovou skupinou treonínu. Ide o malú skupinu, ktorej hlavný zástupca je proteazóm a jeho analógy v jednoduchších organizmoch.

Cysteínové proteázy

Cysteínové proteázy tvoria diméry a vo vyššom množstve sa vyskytujú v ovocných plodoch. Ich pH optimum je neutrálne. Príkladmi sú papaín, katepsíny a kalpaíny.

Metaloproteázy

Metaloproteázy sú evolučne starou a početnou (34 %) skupinou proteáz. Ich katalytická funkcia je sprostredkovaná atómom kovu koordinovanom aminokyselinami. Ich pH optimum je neutrálne a je možné ich inhibovať chelatačnými činidlami (napr. pomocou EDTA). Metaloproteázy v organizme typicky štiepia proteíny v medzibunkovom matrixe, ide napr. o kolagenázu, membránové peptidázy alebo enzým ACE.

Glutamátové proteázy

Glutamátové proteázy sú najnovšie objavenou skupinou proteáz (2004), ktoré boli predtým považované za aspartátové proteázy necitlivé na pepstatín. V aktívnom centre majú dva glutamátové zvyšky.

Degradácia bielkovín

Degrádacia bielkovín je jednou zo základných úloh proteáz v bunke. Podieľajú sa na degradácii chybných bielkovín, bielkovín označených na degradáciu a určujú polčas bielkovín v bunke.

Degradácia ne proteazóme

Proteazóm je veľký bielkovinový komplex pozostávajúci zo siedmich α- a siedmich ß-podjednotiek usporiadaných cylindricky. Aktívne miesto tvorí treonín, ktorý je lokalizovaný na ß-podjednotkách. Proteazómy štiepia bielkoviny na heptapeptidy až nonapeptidy. Na štiepenie jednej peptidovej väzby pritom spotrebujú v priemere 0,1 molekúl ATP. Degradácia na proteazóme je regulovaná tzv. ubikvitináciou. Molekula ubikvitínu sa tioesterovou väzbou viaže na bielkovinu určenú na degradáciu (zv. cez lyzínový zvyšok) a následne dochádza k reťazeniu ubikvitínov. To, či bude nakoniec proteín degradovaný, závisí na počte a dĺžke reťazcov ubikvitínu .

N-koncové pravidlo

N-koncové pravidlo určuje polčas života bielkovín v bunke. Stabilita bielkoviny v bunke a teda polčas jej života priamo súvisí s tým, aké aminokyseliny sa nachádzajú na jej N-konci. Podľa N-koncového pravidla sú aminokyseliny buď destabilizujúce (ide hlavne o aromatické aminokyseliny) alebo stabilizujúce. Tiež existujú sekundárne destabilizujúce aminokyseliny, z ktoré sú často aminotransferázami modifikované na destabilizujúce. Z terciárne destabilizujúcich aminokyselín vznikajú aminotransferázami sekundárne destabilizujúce aminokyseliny .

Lyzozomálne proteázy

Bielkoviny prijaté z vonkajšieho prostredia bunky (typicky fagocytózou) sú degradované v lyzozóme. V tejto organele pôsobia proteázy s kyslým pH optimom, teda aspartátové a cysteínové proteázy, a súhrnne sa nazývajú katepsíny. Konkrétne ide o exopeptidázy katepsín B a H, katepsín L štiepiaci kolagén a elastín, či katepsín D. Zohrávajú veľkú rolu pre prezentáciu peptidov na MHC glykoproteínoch druhej triedy na povrchu imunitných buniek a tiež sú dôležité pre vznik metastáz rakovinového bujnenia, pri ktorom sa používajú diagnosticky a terapeuticky.

Apoptické proteázy

Proteázy sú esenciálne v dôležitom bunkovom procese a to v apoptóze. Apoptóza je typ programovanej bunkovej smrti, ktorá je dôležitá pre vývoj plodu, ako obranný mechanizmus a pri procese starnutia organizmu. Proteázy sprostredkujúce apoptózu sa nazývajú kaspázy. Tieto aspartátové proteázy sú syntetizované ako neaktívne proenzýmy, ktoré sú aktivované štiepením prostredníctvom inej kaspázy. Hlavné kaspázy sú kaspázy 8, 9 a 10, ktoré apoptózu aktivujú a kaspázy 3, 6 a 7, ktoré ju priamo vykonávajú.

Regulačné kaskády

Proteázy sa zúčastňujú niektorých regulačných kaskád, v ktorých aktivovaná proteáza štiepi ďalšiu proteázu, ktorá sa po štiepení stáva aktívnou a štiepi ďalšiu, atď. Dve hlavné regulačné kaskády proteáz sa zúčastňujú v zrážaní krvi a aktivácii komplementu. V prípade zrážania krvi vedú dve rôznym spôsobom aktivované regulačné kaskády proteáz ku rovnakému efektu - premene protrombínu na trombín, ktorý štiepi fibrinogén na fibrín. Fibrín vytvára dlhé vlákna, ktoré sú zosieťované a tvoria krvnú zrazeninu. V prípade komplementu vedie sled proteolytických štiepení a spájaní proteolytických štepov ku vzniku póru v membráne bunky označenej imunitným systémom. Obom procesom predchádzajú dlhé regulačné kaskády, pretože ich zle načasované alebo chybné spustenie môže byť pre organizmus fatálne.

Vírusové proteázy

Vírusové proteázy sú dôležitou súčasťou životného cyklu niektorých vírusov, z tých známejších ide predovšetkým o vírus hepatitídy C a o HIV. Oba tieto vírusy sa rozširujú z buniek do buniek v podobe vírusových partikulí, v ktorých je exprimovaná ich celá genetická informácia do podoby veľkého polyproteínu, ktorého rozštiepenie na jednotlivé funkčné časti umožňuje partikuliam vystúpiť z bunky a ďalej sa rozširovať. Niektoré liečivá proti týmto vírusom sú založené na inhibícii aktivácie ich proteáz.

Parazitické proteázy

Proteázy zohrávajú dôležité úlohy v životnom cykle niektorých parazitov. Môžu napomáhať pri ich invázii do hostiteľského organizmu, štiepení hostiteľských bielkovín za účelom získania energie a uhlíku, môžu modulovať imunitnú odpoveď hostiteľa a sprostredkovať vývoj parazita, ktorý je obvykle doprevádzaný nejakou morfologickou zmenou. Typickým parazitom využívajúcim proteázy je Plasmodium spôsobujúce maláriu, ktoré vo svojej potravovej vakuole štiepi hemoglobín pomocou početného súboru proteáz.