Proteaasid

Proteaasid ehk peptidaasid või proteinaasid on ensüümid, mis lagundavad valke. Täpsemalt katkestavad need aminohapete vahelisi peptiidsidemeid hüdrolüüsi teel või uuemate avastuste põhjal ka elimineerimisreaktsiooni teel kaksiksideme moodustamisega. Proteaase leidub nii eukarüootsetes ja prokarüootsetes rakkudes kui ka viirustes. Need on evolutsiooni käigus mitmel korral tekkinud, mistõttu viivad eri klassidesse kuuluvad proteaasid sama reaktsiooni läbi väga erineval moel. Varem peeti proteaase vaid maomahlas sisalduvateks toiduvalke lagundavateks ensüümideks. Nüüdseks on leitud, et proteaasidel on elusorganismides tunduvalt laialdasemad ülesanded. Proteolüütilistel protsessidel on fundamentaalne roll ovulatsioonis, viljastumisel, embrüonaalses arengus, luude moodustumisel, rakutsükli regulatsioonis, haavade paranemisel, angiogeneesis ja mujal. Muutused proteaaside ekspressioonis ja struktuuris põhjustavad inimestel paljusid haigusi, nagu vähki, artriiti, osteoporoosi, neurodegeneratiivseid ja südame-veresoonkonna haigusi. Peptiidsidemete lõhkumine proteaaside abil võib valke lagundada aminohapeteks, kuid translatsioonijärgse töötlemise käigus võib toimuda ka valkude spetsiifiline lõikamine. Kuigi proteaaside rühm on väga suur ja mitmekesine, toimub peptiidsideme lõhkumine suures osas ühtemoodi. Reaktsiooni käigus toimub peptiidsideme polarisatsioon ning nukleofiili aktivatsioon karbonüülrühma süsiniku sidumiseks. Reaktsiooni läbiviimiseks on kaks teed. Aspartaat-, glutamaat- ja metalloproteaasides aktiveerib aminohappejääk või metalliioon veemolekuli, mis seejärel käitub nukleofiilina ja ründab peptiidsidemes karbonüülset süsinikku. Peptiidside nõrgeneb ja moodustub tetraeedriline vaheühend. Seejärel protoneerib nukleofiilne hüdroksiidioon amiinrühma ja amiinrühm tõrjutakse välja, mis tähendab, et peptiidside laguneb. 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 teise tetraeedrilise vaheühendi kaudu. Kõige viimasena avastatud proteaaside rühm asparagiinproteaasid aga ei kasuta peptiidsideme lõhkumiseks veemolekuli ja kuuluvad seega hoopis teise ensüümide klassi – amidiin-lüaasid, mis elimineerivad amidiinist ammooniumrühma kaksiksideme moodustamisega. Asparagiinproteaasid lõikavad iseennast, kasutades asparagiinijääki nukleofiilina. Proteaase kasutatakse paljudes tööstusharudes, nagu toiduaine-, naha-, farmaatsia- ja siiditööstuses, puhastusvahendite tootmises ja jäätmekäitluses. Toiduainetööstuses kasutatakse proteaase peamiselt õllepruulimisel, õlle hägu eemaldamisel, juustuvalmistamisel ja pagaritööstuses taina omaduste muutmisel. Samuti kasutatakse neid liha pehmendamiseks ning sojatoodete ja suure valgusisaldusega toidulisandite valmistamiseks. Nahatööstuses on proteaasid peitsimisel ja karvade eemaldamisel heaks alternatiiviks ohtlikele kemikaalidele. Farmaatsia- ja kosmeetikatööstuses kasutatakse proteaasidest näiteks keratinaase keratiini lagundamiseks akne ja psoriaasi puhul, samuti armide eemaldamisel, naha epiteeli taastamiseks ja paranemisprotsessi kiirendamiseks. Nahahoolduseks on kasutatud ka näiteks papaiini ja bromelaiini, mida seostatakse rakkude uuenemisega, keratinolüüsiga ja surnud rakkude eemaldamisega epidermisest. 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. Ilmselt kõige laiemalt tuntud proteaas on botuliin, metalloproteaaside hulka kuuluv ensüüm, mida kasutatakse kosmeetikas kortsude vähendamiseks ning meditsiinis näiteks kõõrdsilmsuse ja lihasespasmide vastu. Teadustöös ja laboratoorses diagnostikas on laialdaselt kasutusel näiteks hallitusseenest Tritirachium album pärit proteinaas K, mida kasutatakse DNA ja RNA eraldamiseks bioloogilisest materjalist ja papaiin, mida kasutatakse rakkude isoleerimiseks. Proteaase klassifitseeritakse tänapäeval põhiliselt kolmel viisil: katalüüsi keemilise mehhanismi alusel (aktiivtsentri põhjal), katalüüsi reaktsiooni detailide alusel (substraadispetsiifilisus) ja molekulaarse struktuuri ning homoloogia alusel. Lisaks saab proteaase jagada aluselisteks, happelisteks ja neutraalseteks. Vastavalt ensüümi aktiivtsentris paiknevale funktsionaalrühmale jaotatakse proteaasid järgnevaks seitsmeks katalüütiliseks tüübiks: seriinproteaase iseloomustab seriinrühma esinemine aktiivtsentris ning katalüütilise nukleofiilina käitub seriini kõrvalahela hüdroksüülrühm. Inimese kehas on seriinproteaaside ülesanneteks näiteks lagundada toiduvalke, osaleda vere hüübimisel, infektsioonidega võitlemisel ja spermi sisenemisel munarakku. Viirustel aitavad need ensüümid rakke nakatada ning bakteritel substraati lagundada. Esimene seriinproteaas, mida põhjalikult uuriti, oli kümotrüpsiin – pankreases toodetud seedeensüüm, mis lagundab fenüülalaniini, türosiini ja trüptofaani vahelisi peptiidsidemeid. Ensüümikomisjon jaotab seriinproteaasid alam-alamklassidesse seriin-tüüpi karboksüpeptidaasid (EC 3.4.16) ja seriin-endopeptidaasid (EC 3.4.21); tsüsteiinproteaasidel on katalüütiliseks nukleofiiliks tsüsteiini kõrvalahela tioolrühm. Tsüsteiinproteaasid on näiteks papaias leiduv papaiin ja ananassis leiduv promelaiin. Tsüsteiinproteaasid on paigutatud alam-alamklassidesse tsüsteiin-endopeptidaasid (EC 3.4.22) ja tsüsteiin-tüüpi karboksüpeptidaasid (EC 3.4.18); aspartaatproteaaside puhul on nukleofiiliks aktiveeritud veemolekul, mis on otseselt seotud aspartaadijäägi kõrvalahelaga. Siia rühma kuulub näiteks enamiku selgroogsete maos leiduv ensüüm pepsiin, mis katalüüsib kahe hüdrofoobse aminohappe vahelise peptiidsideme hüdrolüüsi; selle optimaalne pH on 1–2. Teine aspartaatproteaas on näiteks renniin, mida kasutatakse piimatööstuses, et toota stabiilset kalgendit. Aspartaatproteaasid on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.23; metalloproteaaside puhul on nukleofiiliks aktiveeritud veemolekul, mida hoiab paigal üks või kaks metalliiooni, mille ligandideks on laenguga aminohapete kõrvalahelad. Metallideks võivad olla tsink, koobalt, mangaan, nikkel, vask või raud ning üks metalliioon on tavaliselt seotud kolme aminohappejäägiga. Metalloproteaasid on jaotatud kahte alam-alamklassi: metallo-karboksüpeptidaasid (EC 3.4.17) ja metallo-endopeptidaasid (EC 3.4.24); treoniinproteaasidel on katalüütiliseks nukleofiiliks treoniini kõrvalahela hüdroksüülrühm. Need kuuluvad näiteks proteosoomi ensüümide hulka ja on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.25. glutamaatproteaasid avastati 2004. aastal, kui leiti, et teatud seentest pärit endopeptidaasid kasutavad nukleofiilina glutamaati; asparagiinproteaasid kirjeldati kõige viimasena, kui avaldati soolekepikesest leitud Tsh-autotransporteri kristallstruktuur, mille abil tõestati, et on olemas seitsmes katalüütiline tüüp, mis kasutab nukleofiilina asparagiini. Asparagiinproteaasid ei kuulu aga hüdrolaaside hulka, vaid on amidiinlüaasid (EC 4.3.2). Seega on need küll valke lagundavad ensüümid ehk proteaasid, kuid mitte peptidaasid, mis definitsiooni järgi on peptiidsidemeid lagundavad hüdrolaasid. 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. Ükski proteaas ei hüdrolüüsi kõiki peptiidsidemeid, vaid on spetsiifilised peptiidahelas kindlas positsioonis paiknevatele peptiidisidemete suhtes. Substraadispetsiifilisuse alusel jaotatakse proteaasid järgmistesse gruppidesse: eksoproteaasid vajavad hüdrolüüsi alustamiseks vaba N-terminaalset aminorühma või C-terminaalset karboksüülrühma ning katkestavad peptiidsideme maksimaalselt kolme aminohappejäägi kauguselt. Eksopeptidaasid grupeeritakse veel järgmistesse alamklassidesse: aminoproteaasid eemaldavad ühe aminohappejäägi peptiidahela vabast N-terminaalsest otsast. Siia rühma kuulub näiteks juustu valmistamiseks kasutatavas piimhappebakteris Lactococcus lactis leiduv ja juustu valmimist mõjutav ensüüm aminopeptidaas C. Ensüümikomisjon paigutab aminoproteaasid alam-alamklassi EC 3.4.11; karboksüproteaasid eemaldavad ühe aminohappejäägi peptiidahela vabast C-terminaalsest otsast. Sellised on näiteks inimese pankreases toodetavad valkude lagundamise ja imendumisega seotud karboksüpeptidaas A1 ja pagaripärmis leiduv karboksüpeptidaas Y. Karboksüproteaasid on paigutatud alam-alamklassidesse EC 3.4.16–18, kus neid eristatakse aktiivtsentri põhjal; dipeptidüül-proteaasid lõikavad N-terminaalsest otsast kaks aminohappejääki. Siia kuulub näiteks roti (Rattus norvegicus) lüsosoomides leiduv dipeptidüül-peptidaas I, mis aktiveerib teisi proteaase. Dipeptidüül-peptidaasid on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.14; tripeptidüül-proteaasid eemaldavad peptiidahela N-terminaalsest otsast kolm aminohappejääki. Siia rühma kuulub näiteks inimese lüsosoomides leiduv tripeptidüül-peptidaas I, mis osaleb hüdrofoobsete valkude lagundamises. Tripeptidüül-peptidaasid on koos dipeptidüül-peptidaasidega paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.14; diproteaasid vajavad kahte vaba ahela otsa ja lõikavad otstest ära kaks aminohappejääki. Need on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.13; peptidüül-dipeptidaasid eemaldavad valguahela C-terminaalsest otsast dipeptiidi. Siia rühma kuulub näiteks soolekepikeses leiduv peptidüül-dipeptidaas Dcp, mille peamine roll on rakusiseste valkude lõikamine. Peptidüül-dipeptidaasid on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.15; endoproteaasid hüdrolüüsivad valguahela keskel (üldjuhul ahela otstest kaugel) paiknevaid α-peptiidsidemeid. Sellised ensüümid on näiteks kümotrüpsiin, pepsiin ja papaiin. Endopeptidaasid algatavad toiduvalkude seedimise, luues uusi N- ja C-terminaalseid otsi eksopeptidaaside jaoks, mis viivad protsessi lõpule. Endoproteaasid jagunevad seriini-, tsüsteiini-, aspartaadi-, metallo- ja treoniinitüüpi endoproteaasideks; oomegaproteaasid ei vaja sarnaselt endopeptidaasidega vaba N- või C-terminaalset otsa, kuid hüdrolüüsivad peptiidsidemeid hoopis ahela otste läheduses. Lisaks α-peptiidsidemetele hüdrolüüsivad need ka isopeptiidsidemeid. Oomegapeptidaasid on paigutatud alam-alamklassi EC 3.4.19. Erinevad proteaaside klassid jaotatakse omakorda perekondadeks ensüümide aminohappelise järjestuse alusel, kusjuures kõige olulisem on klassifitseerimisel katalüütilise domeeni järjestus. Igal perekonnal on ka tüüpensüüm, milleks on tavaliselt proteaas, mida on enim uuritud. Osa proteaase, mis pärinevad samast eellasensüümist, on evolutsiooni käigus nii palju muutunud, et nende sugulust on raske aminohappelise järjestuse alusel tõestada. Sel juhul võrreldakse valkude 3D-struktuure, mille põhjal jagatakse proteaasid veel klannidesse. Aminohappelise järjestuse ja 3D-struktuuri alusel on proteaasid perekondadesse ja klannidesse jagatud MEROPS andmebaasis, mida perioodiliselt uuendatakse. Neitzel, J. J. (2010) Enzyme Catalysis: The Serine Proteases. Nature Education 3(9):21 www.nature.com Kasutatud 21.09.2016 (inglise) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) Amidine-lyases Kasutatud 23.10.2016 (inglise) 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) 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) NC-IUBMB Enzyme Nomenclature Kasutatud 21.09.2016 (inglise) 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) MEROPS andmebaas Kasutatud 21.09.2016 (inglise) 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) 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)