Serina protease - Serine protease

Serina endopeptidases
Estrutura cristalina da quimiotripsina bovina. Os resíduos catalíticos são mostrados como bastões amarelos. Renderizado a partir do PDB 1CBW .
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Estrutura cristalina da Tripsina , uma serina protease típica.

Serina proteases (ou serina endopeptidases ) são enzimas que clivam ligações peptídicas em proteínas . A serina atua como o aminoácido nucleofílico no local ativo (da enzima) . Eles são encontrados de forma ubíqua em eucariotos e procariontes . Serina proteases se enquadram em duas grandes categorias com base em sua estrutura: semelhante à quimiotripsina (semelhante à tripsina) ou semelhante à subtilisina .

Classificação

O sistema de classificação de protease MEROPS conta 16 superfamílias (em 2013), cada uma contendo muitas famílias . Cada superfamília usa a tríade ou díade catalítica em uma dobra protéica diferente e, portanto, representa a evolução convergente do mecanismo catalítico . A maioria pertence à família S1 do clã PA (superfamília) de proteases.

Para superfamílias , P = superfamília, contendo uma mistura de famílias da classe de nucleófilos , S = proteases puramente serina. superfamília. Dentro de cada superfamília, as famílias são designadas por seu nucleófilo catalítico, (S = serina proteases).

Famílias de proteases de serina

Especificidade do substrato

As serina proteases são caracterizadas por uma estrutura distinta, consistindo em dois domínios de barril beta que convergem no sítio ativo catalítico. Essas enzimas podem ser ainda categorizadas com base em sua especificidade de substrato como tipo tripsina, tipo quimiotripsina ou tipo elastase.

Semelhante à tripsina

As proteases semelhantes à tripsina clivam as ligações peptídicas após um aminoácido carregado positivamente ( lisina ou arginina ). Esta especificidade é impulsionada pelo resíduo que se encontra na base da bolsa S1 da enzima (geralmente um ácido aspártico ou ácido glutâmico com carga negativa ).

Semelhante à quimiotripsina

A bolsa S1 de enzimas semelhantes à quimiotripsina é mais hidrofóbica do que nas proteases semelhantes à tripsina. Isso resulta em uma especificidade para resíduos hidrofóbicos de médio a grande porte, como tirosina , fenilalanina e triptofano .

Semelhante à trombina

Estes incluem trombina , plasminogênio ativador de tecidos e plasmina . Descobriu-se que eles desempenham papéis na coagulação e na digestão, bem como na fisiopatologia de doenças neurodegenerativas, como a demência induzida por Alzheimer e Parkinson.

Tipo elastase

As proteases do tipo elastase têm uma fenda S1 muito menor do que as proteases do tipo tripsina ou quimiotripsina. Consequentemente, resíduos como alanina , glicina e valina tendem a ser preferidos.

Como subtilisina

A subtilisina é uma serina protease em procariotos . A subtilisina não está evolutivamente relacionada ao clã da quimotripsina, mas compartilha o mesmo mecanismo catalítico, utilizando uma tríade catalítica , para criar uma serina nucleofílica . Este é o exemplo clássico usado para ilustrar a evolução convergente , uma vez que o mesmo mecanismo evoluiu duas vezes independentemente durante a evolução .

Mecanismo catalítico

O principal ator no mecanismo catalítico nas serina proteases é a tríade catalítica. A tríade está localizada no sítio ativo da enzima, onde ocorre a catálise, e é preservada em todas as superfamílias de enzimas serina protease. A tríade é uma estrutura coordenada que consiste em três aminoácidos : His 57, Ser 195 (daí o nome "serina protease") e Asp 102. Cada um destes três aminoácidos chave desempenha um papel essencial na capacidade de clivagem das proteases. Enquanto os aminoácidos membros da tríade estão localizados longe uns dos outros na sequência da proteína, devido ao enovelamento, eles estarão muito próximos uns dos outros no coração da enzima. A geometria particular dos membros da tríade é altamente característica de sua função específica: foi mostrado que a posição de apenas quatro pontos da tríade caracteriza a função da enzima que a contém.

No caso de catálise, ocorre um mecanismo ordenado no qual vários intermediários são gerados. A catálise da clivagem do peptídeo pode ser vista como uma catálise ping-pong , na qual um substrato se liga (neste caso, o polipeptídeo sendo clivado), um produto é liberado (a "metade" do terminal N do peptídeo), outro o substrato se liga (neste caso, água), e outro produto é liberado (a "metade" do terminal C do peptídeo).

Cada aminoácido na tríade executa uma tarefa específica neste processo:

• A serina possui um grupo -OH capaz de atuar como nucleófilo , atacando o carbono carbonílico da ligação peptídica cindível do substrato.
• Um par de elétrons no nitrogênio da histidina tem a capacidade de aceitar o hidrogênio do grupo serina- OH, coordenando assim o ataque da ligação peptídica .
• O grupo carboxila do ácido aspártico, por sua vez, se liga à histidina , tornando o átomo de nitrogênio mencionado acima muito mais eletronegativo .

Toda a reação pode ser resumida da seguinte forma:

• O substrato polipeptídico se liga à superfície da enzima serina protease de modo que a ligação cindível seja inserida no sítio ativo da enzima, com o carbono carbonílico dessa ligação posicionado próximo à serina nucleofílica .
• A serina -OH ataca o carbono da carbonila , e o nitrogênio da histidina aceita o hidrogênio do -OH da [serina] e um par de elétrons da ligação dupla do oxigênio da carbonila se move para o oxigênio. Como resultado, um intermediário tetraédrico é gerado.
• A ligação que une o nitrogênio e o carbono na ligação peptídica agora está quebrada. Os elétrons covalentes que criam essa ligação se movem para atacar o hidrogênio da histidina , quebrando a conexão. Os elétrons que anteriormente se moviam da ligação dupla do oxigênio carbonil voltam do oxigênio negativo para recriar a ligação, gerando um intermediário acil-enzima.
• Agora, a água entra na reação. A água substitui o terminal N do peptídeo clivado e ataca o carbono carbonílico . Mais uma vez, os elétrons da ligação dupla se movem para o oxigênio, tornando-o negativo, à medida que a ligação entre o oxigênio da água e o carbono é formada. Isso é coordenado pelo nitrogênio da histidina , que aceita um próton da água. No geral, isso gera outro intermediário tetraédrico.
• Em uma reação final, a ligação formada na primeira etapa entre a serina e o carbono da carbonila se move para atacar o hidrogênio que a histidina acabou de adquirir. O carbono carbonilado, agora deficiente em elétrons, forma novamente a dupla ligação com o oxigênio. Como resultado, o terminal C do peptídeo é ejetado.

Efeitos estabilizadores adicionais

Foi descoberto que aminoácidos adicionais da protease, Gly 193 e Ser 195 , estão envolvidos na criação do que é chamado de buraco de oxiânion . Ambos Gly 193 e Ser 195 podem doar hidrogênios de base para ligações de hidrogênio. Quando o intermediário tetraédrico da etapa 1 e da etapa 3 é gerado, o íon de oxigênio negativo, tendo aceito os elétrons da ligação dupla de carbonila , se encaixa perfeitamente no buraco do oxiânion. Com efeito, as serina proteases ligam-se preferencialmente ao estado de transição e a estrutura geral é favorecida, diminuindo a energia de ativação da reação. Esta "ligação preferencial" é responsável por grande parte da eficiência catalítica da enzima.

Regulação da atividade de serina protease

Os organismos hospedeiros devem garantir que a atividade das serina proteases seja adequadamente regulada. Isso é alcançado pela necessidade de ativação inicial da protease e da secreção de inibidores.

Ativação de zimogênio

Zimógenos são os precursores geralmente inativos de uma enzima. Se as enzimas digestivas estivessem ativas ao serem sintetizadas, elas iriam imediatamente começar a mastigar os órgãos e tecidos sintetizadores. A pancreatite aguda é uma dessas condições, na qual há ativação prematura das enzimas digestivas do pâncreas, resultando em autodigestão (autólise). Também complica as investigações pós - morte , pois o pâncreas costuma se digerir antes de ser avaliado visualmente.

Os zimogênios são estruturas grandes e inativas, que têm a capacidade de se fragmentar ou se transformar em enzimas ativadas menores. A diferença entre os zimógenos e as enzimas ativadas reside no fato de que o sítio ativo para a catálise dos zimógenos é distorcido. Como resultado, o polipeptídeo substrato não pode se ligar com eficácia e a proteólise não ocorre. Somente após a ativação, durante a qual a conformação e a estrutura do zimogênio mudam e o sítio ativo é aberto, pode ocorrer a proteólise .

Como pode ser visto, a ativação do tripsinogênio a tripsina é essencial, pois ativa sua própria reação, assim como a reação tanto da quimiotripsina quanto da elastase . Portanto, é fundamental que essa ativação não ocorra prematuramente. Existem várias medidas de proteção tomadas pelo organismo para prevenir a autodigestão:

• A ativação do tripsinogênio pela tripsina é relativamente lenta
• Os zimogênios são armazenados em grânulos de zimogênio, cápsulas com paredes consideradas resistentes à proteólise.

Inibição

Existem certos inibidores que se assemelham ao intermediário tetraédrico e, assim, preenchem o sítio ativo, impedindo que a enzima funcione adequadamente. A tripsina, uma poderosa enzima digestiva, é gerada no pâncreas. Os inibidores evitam a autodigestão do próprio pâncreas.

Serina proteases são emparelhadas com inibidores de serina protease , que desligam sua atividade quando não são mais necessários.

As serina proteases são inibidas por um grupo diverso de inibidores , incluindo inibidores químicos sintéticos para fins de pesquisa ou terapêuticos, e também inibidores proteicos naturais. Uma família de inibidores naturais chamados "serpinas" (abreviado de inibidores de serina protease ) pode formar uma ligação covalente com a serina protease, inibindo sua função. As serpinas mais bem estudadas são a antitrombina e a alfa 1-antitripsina , estudadas por seu papel na coagulação / trombose e enfisema / A1AT , respectivamente. Inibidores de pequenas moléculas irreversíveis artificiais incluem AEBSF e PMSF .

Uma família de inibidores da serina peptidase de artrópodes , chamada pacifastina , foi identificada em gafanhotos e lagostins e pode funcionar no sistema imunológico dos artrópodes .

Papel na doença

As mutações podem levar à diminuição ou aumento da atividade das enzimas. Isso pode ter consequências diferentes, dependendo da função normal da serina protease. Por exemplo, mutações na proteína C podem levar à deficiência de proteína C e predispor à trombose . Além disso, algumas proteases desempenham um papel vital na ativação da fusão célula-vírus do hospedeiro, iniciando a proteína Spike do vírus para mostrar a proteína chamada "proteína de fusão" ( TMPRSS2 ativa a fusão SARS-CoV-2 ).

Uso diagnóstico

A determinação dos níveis de serina protease pode ser útil no contexto de doenças específicas.

• Os níveis do fator de coagulação podem ser necessários no diagnóstico de condições hemorrágicas ou trombóticas.
• A elastase fecal é empregada para determinar a atividade exócrina do pâncreas, por exemplo, na fibrose cística ou na pancreatite crônica .
• O antígeno sérico específico da próstata é usado no rastreamento do câncer de próstata , estratificação de risco e monitoramento pós-tratamento.
• A serina protease, liberada pelos mastócitos , é um importante marcador diagnóstico para reações de hipersensibilidade do tipo 1 (por exemplo, anafilaxia ). Mais útil do que, por exemplo, histamina devido à meia-vida mais longa , o que significa que permanece no sistema por um período de tempo clinicamente útil.

Veja também

Referências

links externos

• O banco de dados online MEROPS para peptidases e seus inibidores: Serina Peptidase
• Site de serina proteases na Saint Louis University (SLU)
• Serina + proteases nos cabeçalhos de assuntos médicos da Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA (MeSH)