Kas ir proteāze un ko tā dara organismā?

Ķīmiski runa ir par hidrolīzi: ūdens molekula tiek pievienota peptīdsaitei, un ķēde pārtrūkst, atstājot vienā pusē brīvu karboksilgrupu, otrā brīvu aminogrupu. Fermenta uzdevums ir savest kopā reaģentus pareizā leņķī un stabilizēt nestabilo starpstāvokli, kas veidojas reakcijas vidū.

Serīna proteāzēs aktīvajā centrā sadarbojas trīs aminoskābju atlikumi, ko sauc par katalītisko triādi. Serīna skābekļa atoms uzbrūk peptīdsaites oglekļa atomam, histidīns pārņem protonu, bet asparagīnskābe notur histidīnu pareizā stāvoklī. Metalloproteāzēs šo lomu veic cinka jons, kas aktivē ūdens molekulu.

Katra proteāze atpazīst noteiktu aminoskābi vai secību griezuma vietā. Tripsīns, piemēram, griež aiz bāziskām aminoskābēm, himotripsīns aiz lielām aromātiskām. Tieši tāpēc vairāku proteāžu kopdarbs sadala olbaltumvielu daudz efektīvāk nekā jebkura no tām atsevišķi.

Proteāzes iedala pēc tā, kas aktīvajā centrā veic ķīmisko uzbrukumu. Šī klasifikācija ir praktiska, jo katrai klasei ir savi inhibitori un sava optimālā vide.

Olbaltumvielu gremošana sākas kuņģī. Galvenās šūnas izdala pepsinogēnu, kas skābā vidē pats sevi pārveido par aktīvo pepsīnu. Pepsīns strādā tikai zemā pH vērtībā, tāpēc, kuņģa saturam nonākot divpadsmitpirkstu zarnā un tiekot neitralizētam, tā darbība apstājas.

Aizkuņģa dziedzeris (pancreas) izdala tripsinogēnu, himotripsinogēnu, proelastāzi un prokarboksipeptidāzes, visus neaktīvā veidā. Zarnas gļotādas ferments enteropeptidāze pārveido tripsinogēnu par tripsīnu, un tripsīns pēc tam aktivē pārējos. Šī kaskāde nozīmē, ka viss gremošanas fermentu komplekts ieslēdzas tikai zarnā, nevis pašā dziedzerī.

Kad aizsardzība neizdodas, sākas akūts pankreatīts: fermenti aktivējas paša dziedzera audos un sāk tos sagremot. Tieši tāpēc stipras, jostveida sāpes vēdera augšdaļā ar vemšanu ir stāvoklis, kurā jāizsauc neatliekamā palīdzība, nevis jāgaida.

• Pepsīns: kuņģis, skāba vide, sadala olbaltumvielas lielos fragmentos.
• Tripsīns un himotripsīns: tievā zarna, sadala fragmentus peptīdos.
• Karboksipeptidāzes: nokož aminoskābes no peptīda gala.
• Zarnu epitēlija peptidāzes: pabeidz sadalīšanu līdz atsevišķām aminoskābēm un dipeptīdiem.

Lielākā daļa organisma proteāžu neko nesagremo. Tās pārgriež vienu konkrētu vietu vienā konkrētā olbaltumvielā, un tieši šis grieziens ir signāls. Asins recēšanā viena aktivēta proteāze aktivē nākamo, tā pastiprinot sākotnējo signālu, līdz trombīns pārveido fibrinogēnu par fibrīnu un veidojas receklis.

Tāpat darbojas komplementa sistēma imunitātē un kaspāžu kaskāde programmētā šūnas nāvē. Kaspāzes šūnā glabājas kā neaktīvi prokaspāzes, un, saņemot signālu, tās savstarpēji aktivējas un sadala šūnas skeletu un DNS saistošās olbaltumvielas tā, ka šūna sakārtoti sabrūk, neizraisot iekaisumu.

Proteāzes arī pārveido hormonus. Insulīns veidojas no proinsulīna, izgriežot no tā vidējo posmu. Angiotenzīnu pārveidojošais enzīms izgriež divas aminoskābes no angiotenzīna I, radot spēcīgu asinsvadus sašaurinošu angiotenzīnu II. Zāles, kas šo fermentu bloķē, ir viena no biežāk lietotajām hipertensijas zāļu grupām.

Šūnā olbaltumvielas nepārtraukti tiek nomainītas. Bojātas, nepareizi salocījušās vai vairs nevajadzīgas olbaltumvielas tiek iezīmētas ar ubikvitīna ķēdi un nogādātas proteasomā, kas ir mucveida olbaltumvielu komplekss ar proteāzes aktivitāti iekšpusē. Tur tās sadala īsos peptīdos, kurus pēc tam var izmantot no jauna.

Otrs ceļš ir lizosoma, kuras skābajā iekšienē darbojas katepsīni. Šajā ceļā nonāk gan šūnas paša novecojušās organellas, gan no ārpuses uzņemtas daļiņas. Imūnsistēmā tieši lizosomu proteāzes sagriež svešas olbaltumvielas peptīdos, ko pēc tam uzrāda uz šūnas virsmas T limfocītiem.

Ārpusšūnu telpā darbojas matriksa metalloproteināzes, kas pārstrādā kolagēnu un citus saistaudu komponentus. Tās ir vajadzīgas brūču dzīšanā un audu pārbūvē, bet to pārmērīga aktivitāte veicina skrimšļa sabrukšanu locītavās un audzēja šūnu izplatīšanos.

Organisms pret savām proteāzēm aizsargājas ar inhibitoriem. Viens no svarīgākajiem ir alfa 1 antitripsīns, ko ražo aknas un kas plaušās bremzē neitrofilu izdalīto elastāzi. Iedzimta šī inhibitora nepietiekamība nozīmē, ka elastāze gadiem ilgi nekontrolēti noārda plaušu elastīgos audus, un attīstās emfizēma, bieži jaunākā vecumā nekā parasti un arī nesmēķētājiem.

Pretēja problēma ir proteāzes nepietiekamība. Hroniska pankreatīta vai cistiskās fibrozes gadījumā aizkuņģa dziedzeris ražo par maz fermentu, olbaltumvielas un tauki netiek sagremoti, un rezultāts ir caureja ar taukainiem izkārnījumiem, svara zudums un vitamīnu trūkums. Ar šiem pacientiem strādā gastroenterologs, un ārstēšanas pamatā ir fermentu aizstājterapija.

Proteāzes ir arī zāļu mērķis. Vīrusiem, tostarp HIV un koronavīrusiem, ir sava proteāze, kas sagriež vienu garu vīrusa olbaltumvielu funkcionējošās daļās. Proteāzes inhibitori šo soli bloķē, un vīruss saliek nepilnvērtīgas daļiņas. Tāpat proteāžu bloķēšana ir pamatā vairākiem mūsdienu antikoagulantiem, kas tieši nomāc trombīnu vai Xa faktoru.

Laboratorijā proteāzes aktivitāti mēra, izmantojot mākslīgu substrātu, kas, pārgriežot, maina krāsu vai sāk fluorescēt. Signāla pieauguma ātrums parāda fermenta aktivitāti, un, pievienojot pārbaudāmo vielu, var noteikt, vai tā ir inhibitors.

1. Izvēlas substrātu ar aminoskābju secību, ko konkrētā proteāze atpazīst.
2. Reakcijas maisījumā nodrošina fermentam piemērotu pH vērtību un temperatūru.
3. Reģistrē krāsas vai fluorescences pieaugumu laikā un aprēķina sākotnējo reakcijas ātrumu.
4. Atkārto ar dažādām substrāta koncentrācijām, lai noteiktu fermenta kinētiskos rādītājus.
5. Pārbauda specifiskus inhibitorus, kas apstiprina, kurai proteāžu klasei ferments pieder.

Visbiežāk proteāzes sajauc ar citiem gremošanas fermentiem. Amilāze sadala cieti, lipāze taukus, un tikai proteāze strādā ar olbaltumvielām, tāpēc uztura bagātinātāju sastāvā šie nosaukumi nav savstarpēji aizstājami. Tāpat proteāze nav tas pats, kas proteīns: proteāze ir ferments, kas pati arī sastāv no olbaltumvielas.

Otra sajaukšana ir starp proteāzi un proteasomu. Proteasoma ir liela daudzkomponentu struktūra šūnā, kuras iekšpusē darbojas proteāzes aktīvie centri, tātad tā ir konteiners ar fermentu, nevis atsevišķs ferments.

Nianse, ko kopsavilkumi parasti nemin, ir proteāžu loma garšas un sāpju uztverē. Uz šūnu virsmas atrodas receptori, kurus aktivē nevis izšķīdusi signālmolekula, bet proteāzes grieziens paša receptora ārējā galā: nogrieztais gals kļūst par saistošo daļu un paliek receptoram pieķēries. Tieši šādi trombīns iedarbojas uz trombocītiem, un līdzīgi receptori piedalās niezes un iekaisuma sāpju rašanās mehānismos.