Serina proteasa
Las serina proteasas (o serina endopeptidasas) son enzimas que escinden enlaces peptídicos en las proteínas. La serina sirve como aminoácido nucleofílico en el sitio activo (de la enzima). Se encuentran de forma ubicua tanto en eucariotas como en procariotas. Las serina proteasas se dividen en dos categorías amplias según su estructura: similares a la quimotripsina (similares a la tripsina) o similares a la subtilisina.
Clasificación
El sistema de clasificación de proteasas MEROPS cuenta con 16 superfamilias (a partir de 2013), cada una de las cuales contiene muchas familias. Cada superfamilia utiliza la tríada o díada catalítica en un pliegue proteico diferente y, por lo tanto, representa una evolución convergente del mecanismo catalítico. La mayoría pertenece a la familia S1 del clan PA (superfamilia) de proteasas.
Para superfamilias, P: superfamilia, que contiene una mezcla de familias de clases de nucleófilos, S: puramente serina proteasas. superfamilia. Dentro de cada superfamilia, las familias se designan por su nucleófilo catalítico (S: serina proteasas).
| Superfamilia | Familia | Ejemplos |
|---|---|---|
| SB | S8, S53 | SubtilisinaBacillus licheniformis) |
| SC | S9, S10, S15, S28, S33, S37 | Prolyl oligopeptidase (prolyl oligopeptidase)Sus scrofa) |
| SE | S11, S12, S13 | D-Ala-D-Ala peptidase CEscherichia coli) |
| SF | S24, S26 | Signal peptidase IEscherichia coli) |
| SH | S21, S73, S77, S78, S80 | Citomegalovirus assemblin (herpesvirus humano 5) |
| SJ | S16, S50, S69 | Lon-A peptidaseEscherichia coli) |
| SK | S14, S41, S49 | Clp proteasaEscherichia coli) |
| Así que... | S74 | Phage K1F endosialidase CIMCD proteína autolimpieza (Enterobacteria phage K1F) |
| SP | S59 | Nucleoporin 145Homo sapiens) |
| SR | S60 | Lactoferrina (Lactoferrina)Homo sapiens) |
| SS | S66 | Murein tetrapeptidase LD-carboxypeptidasePseudomonas aeruginosa) |
| ST | S54 | Rhomboid-1Drosophila melanogaster) |
| PA | S1, S3, S6, S7, S29, S30, S31, S32, S39, S46, S55, S64, S65, S75 | Chymotrypsin ABos taurus) |
| PB | S45, S63 | Penicilina G acylase precursor (en inglés)Escherichia coli) |
| PC | S51 | Dipeptidase EEscherichia coli) |
| PE | P1 | DmpA aminopeptidaseBrucella anthropi) |
| Ninguno | S48, S62, S68, S71, S72, S79, S81 |
Especificidad del substrato
Las serina proteasas se caracterizan por una estructura distintiva, que consta de dos dominios de barril beta que convergen en el sitio activo catalítico. Estas enzimas se pueden clasificar además según su especificidad de sustrato como tipo tripsina, tipo quimotripsina o tipo elastasa.
similar a la tripsina
Las proteasas similares a la tripsina escinden enlaces peptídicos siguiendo un aminoácido cargado positivamente (lisina o arginina). Esta especificidad está impulsada por el residuo que se encuentra en la base de la bolsa S1 de la enzima (generalmente un ácido aspártico o ácido glutámico con carga negativa).
similar a quimotripsina
La bolsa S1 de enzimas similares a la quimotripsina es más hidrofóbica que en las proteasas similares a la tripsina. Esto da como resultado una especificidad por residuos hidrófobos de tamaño mediano a grande, como tirosina, fenilalanina y triptófano.
similar a la trombina
Estos incluyen trombina, plasminógeno activador de tejidos y plasmina. Se ha descubierto que desempeñan funciones en la coagulación y la digestión, así como en la fisiopatología de trastornos neurodegenerativos como la demencia inducida por el Alzheimer y el Parkinson. En los venenos de serpiente se encuentran muchas isoformas de serina proteasa similares a la trombina altamente tóxicas.
similar a elastasa
Las proteasas similares a elastasa tienen una hendidura S1 mucho más pequeña que las proteasas similares a tripsina o quimotripsina. En consecuencia, tienden a preferirse residuos tales como alanina, glicina y valina.
similar a la subtilisina
La subtilisina es una serina proteasa en procariotas. La subtilisina no tiene relación evolutiva con el clan de la quimotripsina, pero comparte el mismo mecanismo catalítico utilizando una tríada catalítica para crear una serina nucleofílica. Este es el ejemplo clásico utilizado para ilustrar la evolución convergente, ya que el mismo mecanismo evolucionó dos veces de forma independiente durante la evolución.
Mecanismo catalítico
El actor principal en el mecanismo catalítico de las serina proteasas es la tríada catalítica. La tríada está ubicada en el sitio activo de la enzima, donde ocurre la catálisis, y se conserva en todas las superfamilias de enzimas serina proteasa. La tríada es una estructura coordinada que consta de tres aminoácidos: His 57, Ser 195 (de ahí el nombre "serina proteasa") y Asp 102. Cada uno de estos tres aminoácidos clave desempeña un papel esencial en la capacidad de escisión de las proteasas. Si bien los aminoácidos miembros de la tríada están ubicados lejos unos de otros en la secuencia de la proteína, debido al plegamiento, estarán muy cerca unos de otros en el corazón de la enzima. La geometría particular de los miembros de la tríada es muy característica de su función específica: se demostró que la posición de sólo cuatro puntos de la tríada caracteriza la función de la enzima que la contiene.
En caso de catálisis se produce un mecanismo ordenado en el que se generan varios intermediarios. La catálisis de la escisión del péptido puede verse como una catálisis de ping-pong, en la que se une un sustrato (en este caso, el polipéptido que se está escindiendo), se libera un producto (el extremo N "mitad" del el péptido), se une otro sustrato (en este caso, agua) y se libera otro producto (el extremo C terminal "la mitad" del péptido).
Cada aminoácido de la tríada realiza una tarea específica en este proceso:
- El sereno tiene un grupo -OH que es capaz de actuar como un nucleófilo, atacando el carbono carbonil del lazo tisil del péptido del sustrato.
- Un par de electrones en el nitrógeno de la histidina tiene la capacidad de aceptar el hidrógeno del grupo serino -OH, coordinando así el ataque del enlace del péptido.
- El grupo de carboxilo en el ácido aspartic a su vez bonos de hidrógeno con la histidina, haciendo que el átomo de nitrógeno mencionado anteriormente mucho más electronegativo.
Toda la reacción se puede resumir de la siguiente manera:
- El sustrato de polipéptidos se une a la superficie de la enzima serina proteasa de tal manera que el vínculo tisil se inserta en el sitio activo de la enzima, con el carbono de carbono de este enlace colocado cerca de la serina nucleófila.
- El sereno -OH ataca el carbono de carbonilo, y el nitrógeno de la histidina acepta el hidrógeno del -OH del [serina] y un par de electrones del doble vínculo del oxígeno de carbono se mueve al oxígeno. Como resultado, se genera un intermedio tetraedral.
- El vínculo que une el nitrógeno y el carbono en el enlace de péptidos ahora está roto. Los electrones covalentes creando este enlace se mueven para atacar el hidrógeno de la histidina, rompiendo la conexión. Los electrones que anteriormente se movieron del doble enlace de oxígeno de carbono se mueven de nuevo del oxígeno negativo para recrear el vínculo, generando un intermedio de acil-enzyme.
- Ahora, el agua entra en la reacción. El agua sustituye el N-terminus del péptido blanqueado, y ataca el carbono carbonílico. Una vez más, los electrones del doble vínculo se mueven al oxígeno haciéndolo negativo, ya que se forma el vínculo entre el oxígeno del agua y el carbono. Esto es coordinado por el nitrógeno de la histidina, que acepta un protón del agua. En general, esto genera otro intermedio tetraedral.
- En una reacción final, el vínculo formado en el primer paso entre el sereno y el carbono se mueve para atacar el hidrógeno que la histidina acaba de adquirir. El carbónico de carbono con deficiencia de electrones reforma el doble vínculo con el oxígeno. Como resultado, ahora se expulsa la C-terminus del péptido.
Efectos estabilizadores adicionales
Se descubrió que aminoácidos adicionales de la proteasa, Gly 193 y Ser 195, participan en la creación de lo que se llama un agujero de oxianión. Tanto Gly 193 como Ser 195 pueden donar hidrógenos de la cadena principal para formar enlaces de hidrógeno. Cuando se genera el intermedio tetraédrico de los pasos 1 y 3, el ion oxígeno negativo, habiendo aceptado los electrones del doble enlace carbonilo, encaja perfectamente en el agujero del oxianión. En efecto, las serina proteasas se unen preferentemente al estado de transición y se favorece la estructura general, disminuyendo la energía de activación de la reacción. Esta "vinculación preferencial" es responsable de gran parte de la eficiencia catalítica de la enzima.
Regulación de la actividad de la serina proteasa
Los organismos huéspedes deben garantizar que la actividad de las serina proteasas esté adecuadamente regulada. Esto se logra mediante el requisito de activación inicial de proteasas y la secreción de inhibidores.
Activación del zimógeno
Los zimógenos son los precursores generalmente inactivos de una enzima. Si las enzimas digestivas estuvieran activas cuando se sintetizaran, inmediatamente comenzarían a masticar los órganos y tejidos que se sintetizan. La pancreatitis aguda es una afección en la que hay una activación prematura de las enzimas digestivas en el páncreas, lo que resulta en una autodigestión (autólisis). También complica las investigaciones post mortem, ya que el páncreas a menudo se digiere a sí mismo antes de poder evaluarlo visualmente.
Los zimógenos son estructuras grandes e inactivas, que tienen la capacidad de romperse o transformarse en enzimas activadas más pequeñas. La diferencia entre zimógenos y enzimas activadas radica en el hecho de que el sitio activo de catálisis de los zimógenos está distorsionado. Como resultado, el polipéptido sustrato no puede unirse eficazmente y no se produce proteólisis. Sólo después de la activación, durante la cual la conformación y la estructura del zimógeno cambian y se abre el sitio activo, puede ocurrir la proteólisis.
| Zymogen | Enzyme | Notas |
|---|---|---|
| Trypsinogen | Trypsin | Cuando el trippsinogen entra en el intestino delgado del páncreas, secreciones de enteropeptidasa de la mucosa duodenal cleave la lisina 15 - isoleucine 16 peptide bond of the zymogen. Como resultado, el trippsinogen zymógeno se descompone en trippsin. Recordemos que Trypsin también es responsable de liberar los bonos de peptide de lisina, y por lo tanto, una vez que se genera una pequeña cantidad de trippsin, participa en la división de su propio zymógeno, generando aún más trippsin. El proceso de activación de la trippsia se puede llamar así autocatalítica. |
| Chymotrypsinogen | chymotrypsin | Después de la unión Arg 15 - Ile 16 en el chymotrypsinogen zymogen es cleaved por trippsin, la nueva estructura generada llamada un pi-chymotrypsin se somete a la autolisis (autodigestión), produciendo quimotrypsin activa. |
| Proelastase | elastase | Es activado por el escote a través de trippsin. |
Como se puede observar, la activación del tripsinógeno a tripsina es esencial, porque activa su propia reacción, así como la reacción tanto de la quimotripsina como de la elastasa. Por tanto, es fundamental que esta activación no se produzca de forma prematura. Existen varias medidas de protección que toma el organismo para evitar la autodigestión:
- La activación de trippsinogen por trippsin es relativamente lenta
- Los zymógenos se almacenan en gránulos zymógenos, cápsulas que tienen paredes que se consideran resistentes a la proteolisis.
Inhibición
Hay ciertos inhibidores que se parecen al intermedio tetraédrico y, por lo tanto, llenan el sitio activo, impidiendo que la enzima funcione correctamente. La tripsina, una poderosa enzima digestiva, se genera en el páncreas. Los inhibidores previenen la autodigestión del propio páncreas.
Las serina proteasas se combinan con inhibidores de serina proteasa, que desactivan su actividad cuando ya no son necesarios.
Las serina proteasas son inhibidas por un grupo diverso de inhibidores, incluidos inhibidores químicos sintéticos con fines terapéuticos o de investigación, y también inhibidores proteicos naturales. Una familia de inhibidores naturales llamados "serpinas" (abreviado de inhibidores de la serina proteasa) pueden formar un enlace covalente con la serina proteasa, inhibiendo su función. Las serpinas mejor estudiadas son la antitrombina y la alfa 1-antitripsina, estudiadas por su papel en la coagulación/trombosis y enfisema/A1AT, respectivamente. Los inhibidores artificiales irreversibles de moléculas pequeñas incluyen AEBSF y PMSF.
Se ha identificado una familia de inhibidores de la serina peptidasa de artrópodos, llamada pacifastina, en langostas y cangrejos de río, y puede funcionar en el sistema inmunológico de los artrópodos.
Papel en la enfermedad
Las mutaciones pueden provocar una disminución o un aumento de la actividad de las enzimas. Esto puede tener diferentes consecuencias, dependiendo del funcionamiento normal de la serina proteasa. Por ejemplo, las mutaciones en la proteína C pueden provocar una deficiencia de proteína C y predisponer a la trombosis. Además, algunas proteasas desempeñan un papel vital en la activación de la fusión entre la célula huésped y el virus al preparar la proteína Spike del virus para mostrar la proteína denominada "proteína de fusión" (TMPRSS2 activa la fusión del SARS-CoV-2). Las serina proteasas exógenas del veneno de serpiente causan una amplia gama de coagulopatías cuando se inyectan en un huésped debido a la falta de regulación de su actividad.
Uso diagnóstico
La determinación de los niveles de serina proteasa puede ser útil en el contexto de enfermedades particulares.
- Los niveles de factor de coagulación pueden ser necesarios en el diagnóstico de condiciones hemorrágicas o trombóticas.
- La elastasa fecal se emplea para determinar la actividad exocrina del páncreas, por ejemplo, en fibrosis quística o pancreatitis crónica.
- El antígeno específico de la próstata del suero se utiliza en la detección del cáncer de próstata, la estratificación del riesgo y la vigilancia posterior al tratamiento.
- La proteasa de serina, liberada por células mástiles, es un marcador diagnóstico importante para las reacciones de hipersensibilidad tipo 1 por ejemplo, anafilaxia. Más útil que la histamina debido a la vida media más larga, lo que significa que permanece en el sistema por una duración clínicamente útil de tiempo.
Efecto antimicrobiano
Debido a su actividad catalítica, algunas serina proteasas poseen potentes propiedades antimicrobianas. Varios estudios in vitro han demostrado la eficacia de algunas proteasas para reducir la virulencia mediante la escisión de proteínas de la superficie viral. La entrada viral a las células huésped está mediada por la interacción de estas proteínas de superficie con la célula huésped. Cuando estas proteínas se fragmentan o inactivan en la superficie viral, la entrada viral se ve afectada, lo que lleva a una reducción de la infectividad de un amplio espectro de microorganismos patológicamente relevantes como la influenza, el hRSV y otros.
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