Serina protease

[miniatura|dereita|250px|Estrutura de cristalografía de raios X da [tripsina, unha serina protease típica.]]

As **serina proteases** ou **serina endopeptidases** (tamén **serín proteases**) son encimas que rompen enlaces peptídicos de proteínas, nas cales o aminoácido serina funciona como nucleófilo no sitio activo do encima. Encóntranse amplamente distribuídas en eucariotas e procariotas. As serina proteases divídense en dúas clases segundo a súa estrutura: de tipo quimotripsina (ou tipo tripsina) ou de tipo subtilisina. Nos humanos, son responsables de coordinar varias funcións fisiolóxicas, como a dixestión, resposta inmune, coagulación do sangue e reprodución. Un grupo á parte é o das subtilisinas procarióticas.

### Tipo tripsina 
As proteases de tipo tripsina rompen os enlaces peptídicos situados despois dun residuo aminoácido lisina ou arxinina cargado positivamente.
Esta especificidade está determinada polo residuo que se sitúa na base do peto S1 do encima (xeralmente un residuo de ácido aspártico ou ácido glutámico cargado positivamente).

### Tipo quimotripsina 
O peto S1 dos encimas de tipo quimotripsina é máis hidrofóbico que o das proteases de tipo tripsina. Isto ten como resultado unha especificidade por residuos hidrofóbicos de tamaño medio ou grande, como a tirosina, fenilalanina e triptófano.

### Tipo elastase 
As proteases de tipo elastase teñen unha fenda S1 moito menor que a das proteases de tipo tripsina ou quimotripsina. En consecuencia, tenden a preferir residuos como a alanina, glicina e valina.

### Tipo subtilisina 
A subtilisina é unha serina protease de procariotas. A subtilisina non está relacionada evolutivamente co clan da quimotripsina, mais comparte o mesmo mecanismo catalítico utilizando unha tríade catalítica, para crear unha serina nucleofílica. Este é o exemplo clásico que ilustra a evolución converxente, xa que o mesmo mecanismo evolucionou dúas veces durante a evolución.

## Mecanismo catalítico 
400px|dereita|Mecanismo de reacción das serina proteases.
O principal protagonista no mecanismo catalítico dos encimas do clan da quimotripsina e a subtilisina mencionados antes é a *tríade catalítica*. A tríade está localizada no sitio activo do encima, onde ten lugar a catálise, e está preservado en todas as serina proteases. A tríade é unha estrutura coordinada que consta dos tres aminoácidos seguintes: histidina (His 57), serina (Ser 195, polo cal reciben o nome de serina proteases) e ácido aspártico (Asp 102). Estes tres aminoácidos clave xogan todos un papel esencial na capacidade de romper enlaces que teñen as proteases. Mentres que os aminoácidos membros da tríade están localizados lonxe uns dos outros na secuencia da proteína, pero debido ao pregamento, quedan moi próximos no centro do encima. A xeometría particular dos membros da tríade é moi característica das súas funcións específicas: a posición de só catro puntos da tríade caracteriza a función do encima que a contén.

No momento da catálise, ocorre un mecanismo ordenado no cal se xeran varios intermediarios. A catálise da clivaxe do péptido pode considerarse que é unha catálise ping-pong, na cal un substrato se une (neste caso o polipéptido que vai ser clivado), libérase un produto (a "metade" N-terminal do péptido), únese outro substrato (neste caso a auga), e libérase outro produto (a "metade" C-terminal do péptido).

Cada aminoácido da tríade realiza unha tarefa específica neste proceso:
* A serina ten un grupo OH que pode actuar como nucleófilo, atrae o carbono do carbonilo do enlace peptídico que se vai romper do substrato.
* Un par de electróns do nitróxeno da histidina ten a capacidade de aceptar o hidróxeno do grupo OH da serina, coordinando así o ataque ao enlace peptídico.
* O grupo carboxilo do ácido aspártico á súa vez establece un enlace de hidróxeno coa histidina, facendo que o átomo de nitróxeno mencionado antes sexa moito máis electronegativo.

A reacción completa pode resumirse así:
* O polipéptido substrato únese á superficie do encima serina protease de modo que o enlace a romper se insira no sitio activo do encima, co carbono do carbonilo deste enlace situado preto da serina nucleofílica.
* O grupo OH da serina ataca o carbono carbonílico, e o nitróxeno da histidina acepta o hidróxeno do OH da serina e móvense un par de electróns desde o dobre enlace do oxíxeno carbonílico ao oxíxeno. Como resultado, xérase un intermediario tetraédrico.
* Agora rompe o enlace que une o nitróxeno e o carbono no enlace peptídico. Os electróns covalentes que forman este enlace móvense para atacar o hidróxeno da histidina, rompendo a conexión. Os electróns que previamente se moveron desde o dobre enlace do oxíxeno carbonílico móvense de novo desde o oxíxeno negativo para volver a formar o enlace, xerando un intermediario acil-encima.
* Seguidamente, entra na reacción a auga. A auga substitúe o N-terminal do péptido cortado, e ataca o carbono carbonílico. Unha vez máis, os electróns do dobre enlace móvense cara ao oxíxeno, facéndoo negativo, á vez que se forma o enlace entre o oxíxeno da auga e o carbono. Isto está coordinado polo nitróxeno da histidina, o cal acepta un protón da auga. En conxunto, isto xera outro intermediario tetraédrico.
* Nunha reacción final, o enlace formado no primeiro paso entre a serina e o carbono carbonílico móvese para atacar o hidróxeno que a histidina acaba de captar. O agora o carbono carbonílico deficiente en electróns refai o dobre enlace co oxíxeno. Como resultado, o C-terminal do péptido é liberado.

### Efectos estabilizantes adicionais 
Descubriuse que outros dous aminoácidos adicionais da protease, a *Gly 193* e a *Ser 195*, están implicados en crear o que se denomina un *oco oxianión*. Tanto a *Gly 193* coma a *Ser 195* poden doar hidróxenos do eixe carbonado da molécula para establecer enlaces de hidróxeno. Cando se xeran os intermediarios tetraédricos dos pasos 1 e 3, o ión oxíxeno negativo, que aceptou os electróns do dobre enlace do carbonilo encaixa perfectamente no oco oxianión. De feito, as serina proteases únense preferentemente ao estado de transición e a estrutura global é favorecida, rebaixando a enerxía de activación da reacción. Esta "unión preferente" é responsable de moita da eficiencia catalítica do encima.

## Regulación da actividade das serina proteases 
Os organismos que conteñen estes encimas deben asegurarse que a actividade das serina proteases está ben regulada. Isto conséguese ao ser necesaria unha activación inicial da protease, e pola secreción de inhibidores.

### Activación de cimóxenos 
Os cimóxenos (ou zimóxenos) son os precursores de maior tamaño xeralmente inactivos dun encima, como moitos encimas dixestivos. Se os encimas dixestivos fosen activos desde o momentos en que se sintetizan, empezarían inmediatamente a dixerir os órganos e tecidos que os sintetizaron. A pancreatite aguda é un exemplo de doenza na cal hai unha activación prematura dos encimas dixestivos no páncreas, e como resultado prodúcese autodixestión (autólise). Isto tamén complica as investigacións post mortem, xa que o páncreas a miúdo se autodixire antes de que poida ser avaliado visualmente.

Os cimóxenos son grandes estruturas proteicas inactivas, que teñen a capacidade de perder unha parte por clivaxe ou cambiar formando un encima máis pequeno activado. Só despois da activación o sitio activo ten a conformación axeitada para que teña lugar a proteólise.

Como pode verse, a activación do tripsinóxeno a tripsina é esencial, porque esta activa a súa propia reacción, e tamén a reacción da quimotripsina e a elastase. Por tanto, é esencial que esta activación non ocorra prematuramente. Hai varias medidas de protección no organismo para previr a autodixestión, como son:
* A activación do tripsinóxeno pola tripsina é relativamente lenta.
* Os cimóxenos son almacenados en gránulos de cimóxeno, que son vesículas con paredes que se cre son resistentes á proteólise.

### Inhibición 
Hai algúns inhibidores que lembran o intermediario tetraédrico, e poden ocupar o sitio activo do encima, impedindo que este poida funcionar axeitadamente.

As serina proteases son inhibidas por diversos inhibidores, entre os que están inhibidores químicos sintéticos para a investigación ou propósitos terapéuticos, e inhibidores proteicos naturais. Unha familia de inhibidores naturais é a das chamadas "serpinas" (abreviación de inhibidores das serina proteases), que poden formar un enlace covalente coas serina proteases, inhibindo a súa función. As *serpinas* mellor estudadas son a antitrombina e a alfa 1-antitripsina, estudadas polo seu papel na coagulación/trombose e enfisema/A1AT, respectivamente.
Moléculas pequenas artificiais que son inhibidores irreversibles son AEBSF e PMSF.

Identificouse unha familia de inhibidores de serina proteases de artrópodos, chamadas pacifastinas, en insectos e crustáceos, que poden funcionar no sistema inmunitario deses animais.

## Papel en enfermidades 
As mutacións nestes encimas poden orixinar un incremento ou diminución da súa actividade. Isto pode ter diferentes consecuencias, dependendo da función normal das serina proteases. Por exemplo, as mutacións na proteína C poden causar deficiencia en proteína C e predispoñer á trombose.

## Uso en diagnósticos 
A determinación dos niveis de serina proteases pode ser útil no contexto de determinadas enfermidades.
* Pode pedirse a medida dos factores de coagulación para o diagnóstico de condicións hemorráxicas ou trombóticas.
* A elastase fecal emprégase para determinar a actividade exócrina do páncreas, por exemplo, na fibrose quística ou na pancreatite crónica.
* A medida dos niveis de antíxeno prostático específico sérico utilízase en casos de cancro de próstata.
* As serina proteases están relacionadas cos mastocitos, e son un marcador de diagnóstico importante para as reaccións de hipersensibilidade de tipo 1 (por exemplo a anafilaxe). É máis útil que, por exemplo, a histamina debido á súa maior vida media, o que significa que permanece no sistema durante un período de tempo útil clinicamente.

## Notas 
## Véxase tamén 
### Outros artigos 
* Serina hidrolase
* Cisteína protease

### Ligazóns externas 
* Base de datos en liña MEROPS para as peptidases e os seus inhibidores: Serine Peptidase 
* Serine Proteases da Saint Louis University (SLU)
*