세린단백질가수분해효소

Serine protease
세린엔도펩티드가수분해효소
Chymotrypsin enzyme.png
소 키모트립신의 결정 구조.촉매 잔류물은 노란색 스틱으로 표시됩니다.PDB 1CBW에서 렌더링.
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EC 번호3.4.21.-
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전형적인 세린단백질가수분해효소인 트립신의 결정구조.

세린단백질가수분해효소(또는 세린엔도펩티드가수분해효소)는 단백질에서 펩타이드 결합을 분해하는 효소이다.세린은 (효소)[1] 활성 부위에서 친핵성 아미노산 역할을 한다.그들은 진핵생물과 원핵생물 모두에서 흔하게 발견된다.세린 단백질 분해 효소는 그 구조에 따라 키모트립신 유사(트립신 유사) 또는 서브틸리신 유사(subtilisin 유사)[2]의 두 가지 큰 범주로 나뉩니다.

분류

MEROPS 단백질분해효소 분류 시스템은 각각 많은 과를 포함하는 16개의 슈퍼 패밀리(2013년 기준)를 계수한다.각 슈퍼패밀리는 서로 다른 단백질 폴드에서 촉매 삼합체 또는 다이애드를 사용하므로 촉매 메커니즘의 수렴적 진화를 나타낸다.대부분은 단백질 분해 효소의 PA 클랜(슈퍼 패밀리)의 S1 패밀리에 속한다.

슈퍼패밀리의 경우, 친핵성 클래스 패밀리의 혼합물을 포함하는 P: 슈퍼패밀리, S: 순수 세린 단백질 분해효소.슈퍼 패밀리각 슈퍼패밀리 내에서 패밀리는 촉매성 친핵체(S: 세린단백질가수분해효소)에 의해 지정된다.

트립시노겐의 무질서한 활성화 도메인(PDB ID: 2PTN)의 힌지 모션.PACKMAN 힌지 예측을[3] 사용하여 예측되는 힌지는 파란색(여유 23:28)과 빨간색(여유 175:182)으로 표시됩니다.녹색 영역이 활성 사이트입니다.hdANM을[4] 사용하여 모션이 생성됩니다.
세린단백질가수분해효소군
슈퍼-
가족 		가족들 예
SB S8, S53 서브틸리신(Bacillus liceniformis)
SC S9, S10, S15, S28, S33, S37 프롤릴올리고펩티드가수분해효소(Sus scrofa)
SE S11, S12, S13 D-Ala-D-Ala펩티드가수분해효소C(대장균)
SF S24, S26 신호펩티드가수분해효소I(대장균)
SH S21, S73, S77, S78, S80 사이토메갈로바이러스 조립체(인간헤르페스바이러스5)
SJ S16, S50, S69 Lon-A펩티드가수분해효소(대장균)
SK S14, S41, S49 Clp단백질가수분해효소(대장균)
그렇게 S74 파지 K1F 엔도시알리다아제 CIMCD 자기절개단백질(엔토박테리아 파지 K1F)
SP S59 뉴클레오포린 145 (호모 사피엔스)
SR S60 락토페린(호모 사피엔스)
SS S66 무레인테트라펩티드가수분해효소LD-카르복시펩티드가수분해효소(Pseudomonas aeruginosa)
세인트 S54 Rhombid-1(드로소필라 멜라노가스터)
PA S1, S3, S6, S7, S29, S30, S31, S32,
S39, S46, S55, S64, S65, S75		 키모트립신 A (보스 황소자리)
PB S45, S63 페니실린G 아실라아제 전구체(대장균)
PC S51 디펩티드가수분해효소E(대장균)
PE P1 DmpA 아미노펩티드가수분해효소(Brucella antifi)
없음. S48, S62, S68, S71, S72, S79, S81

기판특이성

세린단백질가수분해효소는 촉매 활성 부위에서 수렴하는 두 개의 베타 배럴 도메인으로 구성된 독특한 구조로 특징지어진다.이들 효소는 기질 특이성에 따라 트립신 유사, 키모트립신 유사 또는 엘라스타아제 [5]유사 중 하나로 더욱 분류될 수 있다.

트립신 유사

트립신 유사 단백질 분해 효소는 양전하를 띤 아미노산(리신 또는 아르기닌)[6]에 이어 펩타이드 결합을 분해한다.이러한 특이성은 효소의 S1 포켓의 기저에 있는 잔류물(일반적으로 음전하를 띤 아스파라긴산 또는 글루탐산)에 의해 유도된다.

키모트립신 유사

키모트립신 유사 효소의 S1 포켓은 트립신 유사 단백질 분해효소보다 소수성입니다.이로 인해 티로신, 페닐알라닌 및 트립토판과 같은 중대형 소수성 잔류물에 대한 특이성이 발생한다.

트롬빈 유사

여기에는 트롬빈, 조직활성화 플라스미노겐 및 플라스민이 포함된다.그들은 응고와 소화뿐만 아니라 알츠하이머병이나 파킨슨병 유발 치매와 같은 신경변성 질환의 병태생리학에서도 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.

엘라스타아제 유사

엘라스타아제 유사 단백질 분해효소는 트립신 또는 키모트립신 유사 단백질 분해효소보다 훨씬 작은 S1 구분을 가진다.따라서 알라닌, 글리신, 발린 등의 잔류물이 바람직하다.

서브틸리신 유사

서브틸리신은 원핵생물에서 세린단백질가수분해효소이다.서브틸리신은 진화적으로 키모트립신-클란과 무관하지만, 친핵성 세린을 생성하기 위해 촉매 삼합체를 이용하는 동일한 촉매 메커니즘을 공유한다.이것은 수렴 진화를 설명하기 위해 사용된 전형적인 예입니다. 왜냐하면 같은 메커니즘이 진화 중에 독립적으로 두 번 진화했기 때문입니다.

촉매 메커니즘

serine protease reaction mechanism

세린 프로테아제에서 촉매 메커니즘의 주요 주체는 촉매 삼합체입니다.삼합체는 촉매작용이 일어나는 효소의 활성 부위에 위치하며, 세린 단백질 분해 효소의 모든 슈퍼패밀리에 보존됩니다.삼합체는 세 가지 아미노산으로 구성된 배위 구조이다.그의 57세 Ser 195(따라서 Serine protease라는 이름)와 Asp 102.이 세 가지 핵심 아미노산은 각각 단백질 분해 효소의 분해 능력에 필수적인 역할을 합니다.삼중의 아미노산 구성원은 단백질의 배열에서 서로 멀리 떨어져 있지만, 접힘으로 인해 효소의 심장부에서 서로 매우 가까이 있을 것이다.삼합체 부재의 특정 형상은 그 특정 기능에 대해 매우 특징적이며, 삼합체 부재의 단 4개 점의 위치가 함유 [7]효소의 기능을 특징짓는 것으로 나타났다.

촉매 작용의 경우 여러 개의 중간체가 생성되는 질서 있는 메커니즘이 발생합니다.펩타이드 절단 촉매는 기질이 결합(이 경우 폴리펩타이드 절단)되고 생성물이 방출되며(이 경우 N단 "펩타이드"의 "반쪽") 다른 기질이 결합되며(이 경우 물") 다른 생성물이 방출되는 탁구 촉매로 볼 수 있다(이 경우 펩타이드 C단 "반쪽").

삼중의 각 아미노산은 이 과정에서 특정 작업을 수행합니다.

전체 반응은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

  • 폴리펩타이드 기질은 시실 결합이 효소의 활성 부위에 삽입되도록 세린 단백질 분해효소 표면에 결합하고, 이 결합의 카르보닐 탄소는 친핵성 세린 근처에 위치한다.
  • 세린 -OH는 카르보닐 탄소를 공격하고 히스티딘의 질소는 [세린]의 -OH로부터 수소를 받아들여 카보닐 산소의 이중 결합에서 한 쌍의 전자가 산소로 이동한다.그 결과, 사면체 중간체가 생성된다.
  • 펩타이드 결합에서 질소와 탄소를 결합하는 결합이 이제 끊어졌습니다.이 결합을 만드는 공유 전자는 히스티딘의 수소를 공격하기 위해 움직이며 연결을 끊습니다.이전에 카르보닐 산소 이중 결합에서 이동했던 전자는 다시 음의 산소에서 이동하여 결합을 재생성하여 아실 효소 중간체를 생성합니다.
  • 이제 물이 반응합니다.물은 분해된 펩타이드의 N 말단을 대체하여 카르보닐 탄소를 공격한다.다시 한 번, 이중 결합의 전자는 물의 산소와 탄소 사이의 결합이 형성되면서 산소로 이동하게 됩니다.이것은 물에서 양성자를 받아들이는 히스티딘의 질소에 의해 조정된다.전반적으로, 이것은 또 다른 사면체 중간체를 생성한다.
  • 마지막 반응에서는 세린과 카르보닐 카본의 1단계에서 형성된 결합이 이동해 히스티딘이 방금 획득한 수소를 공격한다.이제 전자 결핍 카보닐 탄소는 산소와 이중 결합을 다시 형성합니다.그 결과, 펩타이드의 C 말단이 배출된다.

추가적인 안정화 효과

단백질 분해 효소의 추가적인 아미노산인 글리 193과 Ser 195가 옥시 음이온 구멍이라고 불리는 것을 만드는데 관여한다는 것이 발견되었다.Gli 193과 Ser 195는 수소 결합을 위해 백본 수소를 기증할 수 있다.1단계와 3단계의 사면체 중간체가 생성되면 카르보닐 이중결합에서 전자를 받아들인 음이온이 옥시 음이온 구멍에 완벽하게 들어맞는다.그 결과 세린단백질가수분해효소가 전이상태를 우선적으로 결합하고 전체적인 구조가 바람직해 반응활성화 에너지가 낮아진다.이러한 "선호 결합"은 효소의 촉매 효율의 많은 부분을 담당합니다.

세린단백질가수분해효소활성조절

숙주 유기체는 세린단백질가수분해효소의 활성이 적절히 조절되도록 보장해야 한다.이는 초기 단백질 분해효소 활성화 요건과 억제제 분비에 의해 달성된다.

시모겐 활성화

시모겐은 효소의 보통 비활성 전구체이다.만약 합성되었을 때 소화 효소가 활성화되었다면, 그들은 즉시 합성 기관과 조직을 씹기 시작할 것이다.급성 췌장염은 췌장 내 소화효소가 조기에 활성화돼 자가소화(자기분해)를 일으키는 질환이다.췌장은 육안으로 평가할 수 있기 전에 스스로 소화되기 때문에 사후 조사도 복잡하다.

Zymogen은 분해되거나 더 작은 활성 효소로 변할 수 있는 능력을 가진 크고 비활성적인 구조입니다.자이모겐과 활성효소의 차이는 자이모겐의 촉매 작용을 위한 활성 부위가 왜곡된다는 점에 있다.그 결과, 기판 폴리펩타이드가 효과적으로 결합할 수 없어 단백질 분해가 일어나지 않는다.활성 부위가 열려 있는 동안 자이모겐의 구조 및 구조가 변화한 후에만 단백질 분해가 발생할 수 있습니다.

자이모겐 효소 메모들
트립시노겐 트립신 트립시노겐이 췌장에서 소장으로 들어가면 십이지장 점막에서 나오는 엔테로펩티드가수분해효소 분비물이 자이모겐의 리신 15 - 이소류신 16 펩타이드 결합을 분해한다.그 결과, 자이모겐 트립시노겐은 트립신으로 분해된다.트립신은 리신펩타이드 결합을 분해하는 역할도 하므로 소량의 트립신이 생성되면 자신의 자이모겐을 분해하는 데 참여하여 더 많은 트립신을 생성한다는 점을 기억하십시오.따라서 트립신 활성화 과정은 자가 촉매라고 할 수 있다.
키모트립시노겐 키모트립신 키모트립시노겐의 Arg 15 - Ile 16 결합을 트립신에 의해 분해한 후, 새롭게 생성된 pi-키모트립신이라고 하는 구조가 자가 분해(자기 소화)되어 활성 키모트립신을 생성한다.
프로엘라스타아제 엘라스타아제 그것은 트립신을 통해 분해함으로써 활성화된다.

이처럼 트립신에 대한 트립시노겐 활성화는 키모트립신과 엘라스타아제 모두의 반응뿐만 아니라 자체 반응을 활성화하기 때문에 필수적이다.따라서 이 액티베이션이 너무 빨리 실행되지 않도록 하는 것이 중요합니다.자가 소화 불량을 방지하기 위해 유기체가 취하는 몇 가지 보호 조치가 있습니다.

  • 트립신에 의한 트립시노겐의 활성화는 비교적 느리다
  • 자이모겐은 단백질 분해에 내성이 있는 것으로 생각되는 벽을 가진 캡슐인 자이모겐 과립에 저장됩니다.

억제

사면체 중간체와 유사한 특정 억제제가 있어 활성 부위를 채우고 효소가 제대로 작동하지 못하게 한다.강력한 소화 효소인 트립신은 췌장에서 생성됩니다.억제제는 췌장 자체의 자가 소화 불량을 예방한다.

세린단백질가수분해효소는 세린단백질가수분해효소 억제제와 짝을 이루는데, [8][self-published source?]세린단백질가수분해효소는 더 이상 필요하지 않을 때 활동을 멈춘다.

세린단백질가수분해효소는 연구 또는 치료목적의 합성화학억제제 및 천연단백질억제제를 포함한 다양한 억제제에 의해 억제된다."serpins"라고 불리는 자연 억제제 중 하나는 세린 단백질 분해효소 억제제와 공유 결합을 형성하여 그 기능을 억제할 수 있습니다.가장 잘 연구된 세핀은 항트롬빈과 알파 1-안티트립신이며, 응고/혈전증 및 폐기종에 대한 역할을 위해 연구되었다/A1각각 AT.인공 비가역성 소분자 억제제는 AEBSF 및 PMSF를 포함한다.

피라틴이라고 불리는 절지동물 세린펩티드가수분해효소 억제제 패밀리는 메뚜기와 가재에서 확인되었으며 절지동물 면역 체계에서 [9]기능할 수 있다.

질병에서의 역할

돌연변이는 효소의 활성을 감소시키거나 증가시킬 수 있다.이것은 세린 단백질 분해효소의 정상적인 기능에 따라 다른 결과를 초래할 수 있다.예를 들어, 단백질 C의 돌연변이는 단백질 C 결핍을 초래할 수 있고 혈전증을 일으키기 쉽다.또한, 일부 단백질 분해 효소는 바이러스의 스파이크 단백질을 프라이밍하여 "퓨전 단백질"이라는 이름의 단백질을 보여줌으로써 숙주 세포와 바이러스의 융합 활성화에 중요한 역할을 한다.

진단 용도

세린단백질가수치의 결정은 특정 질환의 맥락에서 유용할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Hedstrom, L. (Dec 2002). "Serine protease mechanism and specificity". Chem Rev. 102 (12): 4501–24. doi:10.1021/cr000033x. PMID 12475199.
  2. ^ Madala PK, Tyndall JD, Nall T, Fairlie DP (Jun 2010). "Update 1 of: Proteases universally recognize beta strands in their active sites". Chem Rev. 110 (6): PR1–31. doi:10.1021/cr900368a. PMID 20377171.
  3. ^ Khade, Pranav M.; Kumar, Ambuj; Jernigan, Robert L. (2020-01-17). "Characterizing and Predicting Protein Hinges for Mechanistic Insight". Journal of Molecular Biology. 432 (2): 508–522. doi:10.1016/j.jmb.2019.11.018. ISSN 1089-8638. PMC 7029793. PMID 31786268.
  4. ^ Khade, Pranav M.; Scaramozzino, Domenico; Kumar, Ambuj; Lacidogna, Giuseppe; Carpinteri, Alberto; Jernigan, Robert L. (November 2021). "hdANM: a new comprehensive dynamics model for protein hinges". Biophysical Journal. 120 (22): 4955–4965. Bibcode:2021BpJ...120.4955K. doi:10.1016/j.bpj.2021.10.017. PMC 8633836. PMID 34687719.
  5. ^ Ovaere P, Lippens S, Vandenabeele P, Declercq W (Aug 2009). "The emerging roles of serine protease cascades in the epidermis". Trends Biochem Sci. 34 (9): 453–63. doi:10.1016/j.tibs.2009.08.001. PMID 19726197.
  6. ^ Evnin, Luke B.; Vásquez, John R.; Craik, Charles S. (1990). "Substrate specificity of trypsin investigated by using a genetic selection". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (17): 6659–63. Bibcode:1990PNAS...87.6659E. doi:10.1073/pnas.87.17.6659. JSTOR 2355359. PMC 54596. PMID 2204062.
  7. ^ Iván, Gábor.; Szabadka, Zoltán; Ordög, Rafael; Grolmusz, Vince; Náray-Szabó, Gábor (2009). "Four Spatial Points That Define Enzyme Families". Biochemical and Biophysical Research Communications. 383 (4): 417–420. CiteSeerX 10.1.1.150.1086. doi:10.1016/j.bbrc.2009.04.022. PMID 19364497.
  8. ^ "Kimball's Biology Pages, Serine Proteases". Archived from the original on 2005-12-13. Retrieved 2008-06-02.
  9. ^ Breugelmans B, Simonet G, van Hoef V, van Soest S, Vanden BJ (2009). "Pacifastin-related peptides: structural and functional characteristics of a family of serine peptidase inhibitors". Peptides. 30 (3): 622–32. doi:10.1016/j.peptides.2008.07.026. PMID 18775459. S2CID 8797134.

외부 링크