Proteasen (proteïnasen, peptidasen en proteolytische enzymen) spelen een zeer belangrijke rol in het menselijk leven. Tot op heden zijn meer dan 500 van deze enzymen geïdentificeerd in het menselijk lichaam, die worden gecodeerd door 2% van alle genen. Proteolytische activiteit wordt waargenomen in alle levensvormen en virussen.
Hoofdclassificatie
Op basis van het katalytische residu kunnen proteasen worden onderverdeeld in 7 brede groepen:
- Serine - gebruik van serine-alcohol.
- Cysteïne - het gebruik van cysteïne thiol.
- Threonine - omzet van secundair alcoholthreonine.
- Aspartic - met behulp van aspartaatcarbonzuur.
- Glutamine - gebruik van het carbonzuur glutamaat.
- Metalloprotease - metaalomzet, meestal zink.
- Asparagine-peptidelyasen - Asparagine wordt gebruikt om een uitsluitingsreactie uit te voeren (waarbij geen water nodig is).
Proteasen werden eerst gegroepeerd in 84 families op basis van hun proteolytische activiteit, engeclassificeerd onder 4 katalytische types:
- serine;
- cysteïne;
- asparaginezuur;
- metaal.
Betekenis
Totale proteolytische activiteit speelt een belangrijke rol in veel lichaamsprocessen. Dit zijn bevruchting, vertering, groei, rijping, veroudering en zelfs de dood. Proteasen reguleren veel fysiologische processen door de activering van synthese en de verslechtering van eiwitrijk voedsel te beheersen. Ze spelen een belangrijke rol bij de reproductie en verspreiding van virussen, bacteriën en parasieten en zijn daarom verantwoordelijk voor de efficiënte overdracht van ziekten veroorzaakt door pathogene stoffen. Deze enzymen zorgen ervoor dat tumorcellen zich kunnen delen, de intercellulaire ruimte en bloedvaten van de longen kunnen vullen en zich kunnen verspreiden naar andere weefsels van het lichaam.
Biologische functies
Proteolytische activiteit heeft de volgende functies:
- Post-translationele verwerking. Omvat verwijdering van methionine en/of omzetting van een inactief of niet-functioneel eiwit in een actieve eenheid.
- splitsing van voorlopereiwitten. Dit is nodig om ervoor te zorgen dat de protease alleen op de juiste locatie en context wordt geactiveerd. Onjuiste proteolytische activiteit kan zeer schadelijk zijn voor het lichaam.
- Eiwitdegradatie. Kan intracellulair of extracellulair voorkomen. Vervult een aantal functies: verwijdert beschadigde en abnormale eiwitten; voorkomt hun accumulatie; dient om cellulaire processen te reguleren door het verwijderen vanenzymen.
- Spijsvertering. Eiwitten verkregen uit voedsel worden afgebroken tot peptideketens door pepsine, trypsine, chymotrypsine en elastase. Om ongepaste of voortijdige activering van spijsverteringsenzymen (die pancreatitis kunnen veroorzaken) te voorkomen, werken ze als een inactief zymogeen.
Enzymen
Proteolytische enzymen worden aangetroffen in bacteriën, virussen, sommige soorten algen en planten. Maar de meeste zitten in dieren. Er zijn verschillende soorten proteolytische activiteit van enzymen. Ze zijn ingedeeld volgens de plaatsen waar de afbraak van eiwitten wordt gekatalyseerd. De twee hoofdgroepen zijn exopeptiden en endopeptidasen. In het lichaam worden eiwitmaterialen aanvankelijk aangevallen door pepsine. Wanneer het eiwit in de dunne darm terechtkomt, wordt het gedeeltelijk verteerd door de maag. Hier wordt het blootgesteld aan proteolytische enzymen die door de pancreas worden uitgescheiden. Vervolgens worden pancreasenzymen geactiveerd in de darm, waardoor eiwitten worden omgezet in aminozuren die gemakkelijk door de wanden worden opgenomen. Zo wordt de alvleesklier beschermd tegen zelfvertering.
Bacteriën
Microbiële proteasen zijn een van de belangrijke groepen in de industrieel-commerciële productie van enzymen. Er zijn studies uitgevoerd om de proteolytische activiteit van bacteriën te bepalen om hun rol binnen de pathogenese van infectieziekten op te helderen. De focus lag op het onderzoek van melkzuurbacteriën uit verschillende yoghurtsoorten en gefermenteerde melksoorten. Ze zijn wijdverbreid in de natuur. Dit zijn lactobacillen, lactococci, bifidobacteriën, streptokokken, enterokokken en sporolactobacillen. Ze zijn onderverdeeld in soorten, ondersoorten, varianten en stammen.
Proteolytische activiteit is een zeer belangrijk kenmerk van melkzuurbacteriën. Bacteriële proteasen zijn enzymen die hydrolyse-peptidebindingen in eiwitten en polypeptiden katalyseren. Ze spelen een belangrijke rol in de industriële biotechnologie en de farmaceutische industrie. Studies hebben aangetoond dat 13 stammen proteolytische activiteit hebben. Vijf daarvan, namelijk L1, L2, L6, L7, L9 vertoonden de hoogste activiteit.
Peptins
Proteolytische activiteit van pepsine wordt gemeten onder invloed van een magnetisch veld op het lichaam. De moleculaire structuur van pepsine wordt gekenmerkt door D-ruimtelijke symmetrie. Het inactieve pro-enzym pepsinogeen wordt gesynthetiseerd in de cellen van het maagslijmvlies. Het is ook aanwezig in verschillende biologische vloeistoffen (bloed, urine, zaad- en hersenvocht). Pepsinogeen wordt gekenmerkt door autokatalytische activering. De secretie ervan wordt gestimuleerd door de nervus vagus, sympathische vezels, gastrine, histamine, secretine en cholecystokinine. Gastrine werkt als een pariëtale celstimulator. Dit polypeptide bestaat in 2 vormen die 34 en 17 aminozuren bevatten. Metingen van de proteolytische activiteit van pepsine in relatie tot standaard hemoglobine onthulden vergelijkbare veranderingen in de spijsverteringsactiviteit van het enzym.
Proteolyse en ziekte
Anomaal proteolytischactiviteit wordt geassocieerd met veel ziekten. Bij pancreatitis leidt lekkage van proteasen en hun voortijdige activering in de pancreas tot zelfontbranding van de pancreas. Mensen met diabetes kunnen een verhoogde lysosoomactiviteit hebben en de afbraak van bepaalde eiwitten kan aanzienlijk worden verhoogd. Chronische ontstekingsziekten (reumatoïde artritis) kunnen leiden tot het vrijkomen van lysosomale enzymen in de extracellulaire ruimte. Dit vernietigt de omliggende weefsels. Een disbalans tussen proteasen en antiproteasen kan leiden tot de vernietiging van longweefsel bij emfyseem veroorzaakt door het roken van tabak.
Andere ziekten zijn onder meer spierdystrofie, huiddegeneratie, aandoeningen van de luchtwegen en het maag-darmkanaal, kwaadaardige tumoren.
Niet-enzymatische proteolyse
De eiwitruggengraat is zeer stabiel in water bij neutrale pH en kamertemperatuur, hoewel de hydrolysesnelheid van verschillende peptidebindingen kan variëren. De halfwaardetijd van het verval van peptidebindingen varieert van 7 tot 350 jaar.
Sterke minerale zuren kunnen gemakkelijk peptidebindingen in eiwitten hydrolyseren. De standaardmanier om een eiwit te hydrolyseren is door het te verhitten tot 105°C of het 24 uur in zoutzuur te laten weken.
Bepalingsmethode
Er zijn verschillende methoden om proteolytische activiteit te bepalen. Bijvoorbeeld hydrolyse van caseïne, hemoglobine of azocaseïne. De eerste methode is niet duur, maar caseïne is moeilijk op te lossen. De hemoglobinehydrolysemethode is duurder. Bij gebruik moet de ondergrond worden gedenatureerd. De derde methode vermijdt dit, maar het is ook niet goedkoop. De snelste, niet dure methode is het gebruik van een melksubstraat. Het bevat minder apparatuur en kan worden gebruikt in trainingen. Het enige dat nodig is, is magere melk en een waterbad.
Experimentele procedure
Twee milliliter van een bufferoplossing (natriumacetaat pH 5,0 met CaCI2) wordt toegevoegd aan 3 milliliter magere melk. Dit mengsel wordt 10 minuten in een waterbad op 30°C gehouden. Om het melkstollingsproces te zien, wordt een lichtbron gebruikt. Het springt net zoveel seconden over als nodig is om een stuk melk ter grootte van een speldenknop te stollen. Een adequate periode voor nauwkeurigheid ligt tussen één en twee minuten. Enzymblokkering wordt gedefinieerd als de hoeveelheid die nodig is om het eerste gecoaguleerde fragment in één minuut te vormen onder de gekozen experimentele omstandigheden.
Proteasen als antivirale middelen
Momenteel zijn er een aantal goedgekeurde geneesmiddelen met proteolytische activiteit voor gebruik bij de behandeling van virale infecties. De meeste worden voornamelijk gebruikt voor de behandeling van herpesvirus, humaan immunodeficiëntievirus, respiratoire syncytiële infecties en infecties met het influenza A-virus. Dit zijn nucleoside-analogen die werken door de virale DNA-synthese te remmen.
Onderzoek van het afgelopen decennium heeft aangetoond dat proteasen een absolute vereiste zijn in de levenscyclus van veel virussen. Invloed vindt plaats ofweldoor splitsing van voorlopereiwitten met een hoog molecuulgewicht om functionele producten te verkrijgen, of door katalyse van structurele eiwitten die nodig zijn voor de assemblage en morfogenese van virale deeltjes.
Tot op heden zijn vier proteaseremmers goedgekeurd:
- "Saquinavir" (Invirase, Ro 31-8959).
- Indinavir (Crixivan, MK-639).
- "Ritonavir" (Norvir, AVT-538).
- "Nelfinavir" (Viracept, AG1343).
Andere drugs
Picornavirus-proteasen vormen een van de grootste families van medisch belangrijke menselijke pathogenen. Enterovirussen worden in verband gebracht met verschillende klinische syndromen, waaronder aandoeningen van de bovenste luchtwegen, aseptische meningitis, encefalitis, myocarditis, hand-, mond- en klauwzeer. In dit geval zullen proteasen helpen. Slijmoplossers met proteolytische activiteit:
- "Trypsine".
- "Ribonuclease".
- "Chimozin"
Een ander potentieel antirhinovirus-medicijn is Pleconaril.
