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.
Funktsioon.
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.
Töömehhanism.
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.
Kasutusalad.
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.
Klassifikatsioon.
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 liigitatakse proteaasid seitsmeks katalüütiliseks tüübiks:
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 järgi rühmitatakse proteaase järgmiselt:
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.