Proteazy

Proteazy (enzymy proteolityczne, peptydazy) – grupa enzymów katalizujących rozpad wiązań peptydowych w białkach i peptydach, prowadzący do powstawania krótszych łańcuchów peptydowych lub wolnych aminokwasów. Proces ten nazywany jest proteolizą. Proteazy hydrolityczne należą do klasy hydrolaz i tworzą podklasę EC 3.4 w międzynarodowej klasyfikacji enzymów. Występują u wszystkich grup organizmów i uczestniczą między innymi w trawieniu białek, regulacji procesów komórkowych, aktywacji innych białek oraz usuwaniu białek uszkodzonych lub zbędnych.

Mechanizm działania

Schemat dwóch mechanizmów hydrolizy wiązania peptydowego przez proteazy. U góry przedstawiono bezpośredni atak aktywowanej cząsteczki wody, a na dole mechanizm przebiegający przez przejściowy kompleks kowalencyjny enzymu z substratem

Podstawową reakcją katalizowaną przez proteazy jest hydroliza wiązania peptydowego. Enzym wiąże określony fragment substratu w centrum aktywnym, gdzie następuje hydrolityczne rozerwanie wiązania peptydowego C–N. W wyniku reakcji powstają krótsze peptydy lub wolne aminokwasy. Poszczególne proteazy różnią się swoistością substratową, zależną między innymi od sekwencji aminokwasów sąsiadujących z rozcinanym wiązaniem oraz przestrzennej struktury substratu.

Mechanizm katalityczny zależy od budowy centrum aktywnego enzymu. W części proteaz dochodzi do bezpośredniego ataku cząsteczki wody aktywowanej przez odpowiednie grupy funkcyjne enzymu lub jon metalu. W innych proteazach reakcję rozpoczyna atak nukleofilowy reszty aminokwasowej w centrum aktywnym, prowadzący do przejściowego utworzenia wiązania kowalencyjnego między enzymem a substratem. Powstały produkt pośredni ulega następnie hydrolizie, a enzym odzyskuje zdolność katalizowania kolejnej reakcji.

Klasyfikacja

Podział ze względu na miejsce działania

Ze względu na położenie rozcinanego wiązania peptydowego wyróżnia się dwie podstawowe grupy enzymów proteolitycznych:

  • endopeptydazy – rozcinają wiązania peptydowe wewnątrz łańcucha polipeptydowego, prowadząc do powstawania krótszych fragmentów białka;
  • egzopeptydazy – działają w pobliżu końców łańcucha peptydowego, odłączając pojedyncze aminokwasy lub krótkie fragmenty peptydowe. Należą do nich między innymi aminopeptydazy i karboksypeptydazy.

W terminologii biochemicznej określenie „proteinaza” bywa stosowane jako synonim proteazy, jednak w bardziej ścisłym znaczeniu odnosi się przede wszystkim do endopeptydaz. Podział ten jest uwzględniony w klasyfikacji enzymów opracowanej przez Międzynarodową Unię Biochemii i Biologii Molekularnej (IUBMB).

Podział ze względu na mechanizm katalityczny

W klasyfikacji uwzględniającej budowę centrum aktywnego wyróżnia się sześć głównych typów katalitycznych proteaz hydrolitycznych. Ich podział wynika z rodzaju grup chemicznych uczestniczących w rozrywaniu wiązania peptydowego.

Typ proteaz Charakterystyka Przykłady
serynowe w centrum aktywnym znajduje się reszta seryny uczestnicząca bezpośrednio w katalizie katepsyna A(inne języki), trypsyna, chymotrypsyna, trombina
cysteinowe wykorzystują reaktywną grupę tiolową reszty cysteiny katepsyna C(inne języki), papaina, kaspazy
aspartylowe wykorzystują reszty kwasu asparaginowego uczestniczące w aktywacji cząsteczki wody katepsyna E(inne języki), pepsyna, renina, proteaza HIV-1
metaloproteazy(inne języki) w katalizie uczestniczy jon metalu, najczęściej cynku karboksypeptydaza A(inne języki), metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej
treoninowe(inne języki) wykorzystują grupę hydroksylową reszty treoniny katalityczne podjednostki proteasomu
glutamylowe(inne języki) w katalizie uczestniczą reszty kwasu glutaminowego γ-glutamylotranspeptydaza

Z kolei klasyfikacja MEROPS grupuje proteazy na podstawie podobieństwa sekwencji aminokwasowych i struktury przestrzennej. Enzymy o wspólnym pochodzeniu ewolucyjnym zaliczane są do rodzin, które mogą być następnie łączone w większe jednostki określane jako klany. System ten umożliwia porównywanie proteaz występujących u różnych organizmów oraz analizę ich ewolucji i swoistości substratowej.

W bazie MEROPS wyróżnia się ponadto liazy peptydowe wykorzystujące reszty asparaginy do rozszczepiania wiązań peptydowych bez udziału hydrolizy. Są one ujmowane w szerszej klasyfikacji enzymów proteolitycznych, choć nie należą do hydrolaz peptydowych w ścisłym znaczeniu.

Struktura centrum aktywnego trypsyny, jednej z proteaz serynowych. Na żółto zaznaczono triadę katalityczną(inne języki), złożoną z reszt seryny, histydyny i kwasu asparaginowego

Znaczenie biologiczne

Proteazy uczestniczą w licznych procesach fizjologicznych, zarówno poprzez całkowity rozkład białek, jak i ograniczoną proteolizę prowadzącą do zmiany ich aktywności biologicznej. Enzymy trawienne, takie jak pepsyna, trypsyna i chymotrypsyna, odpowiadają za rozkład białek pokarmowych na krótsze peptydy, które mogą być następnie poddawane dalszej hydrolizie. Proteazy wewnątrzkomórkowe uczestniczą natomiast w usuwaniu białek uszkodzonych, nieprawidłowo sfałdowanych lub przeznaczonych do degradacji.

Szczególną rolę w degradacji białek komórkowych odgrywają proteasomy oraz lizosomy zawierające enzymy proteolityczne, w tym katepsyny(inne języki). Ograniczona proteoliza zachodzi również w aktywacji niektórych hormonów i enzymów, regulacji krzepnięcia krwi, przebudowie macierzy pozakomórkowej oraz procesie apoptozy, w którym istotną funkcję pełnią kaspazy.

Regulacja aktywności

Aktywność enzymów proteolitycznych podlega ścisłej regulacji, ponieważ niekontrolowany rozkład białek może prowadzić do uszkodzenia komórek i tkanek. Wiele proteaz powstaje początkowo w postaci nieaktywnych prekursorów, określanych jako proenzymy lub zymogeny. Ich aktywacja następuje poprzez odcięcie odpowiedniego fragmentu łańcucha polipeptydowego. Przykładem jest przekształcenie trypsynogenu w aktywną trypsynę.

Regulacja proteolizy obejmuje również oddzielanie enzymów od substratów w określonych przedziałach komórkowych, kontrolę warunków środowiska oraz działanie swoistych inhibitorów proteaz. Do naturalnych inhibitorów należą między innymi serpiny, cystatyny i tkankowe inhibitory metaloproteinaz (TIMP). Mechanizmy te ograniczają nadmierną aktywność enzymów i umożliwiają zachowanie równowagi pomiędzy syntezą a rozkładem białek.

Znaczenie kliniczne

Zaburzenia aktywności proteaz mogą być elementem patogenezy wielu chorób. Nadmierna lub nieprawidłowo zlokalizowana proteoliza może prowadzić do degradacji składników macierzy pozakomórkowej, uszkodzenia tkanek i zaburzeń sygnalizacji komórkowej. Zmiany aktywności określonych proteaz obserwuje się między innymi w chorobach zapalnych, nowotworach oraz chorobach neurodegeneracyjnych.

Proteazy są również ważnymi czynnikami w cyklach życiowych niektórych wirusów. Przykładem jest proteaza HIV, odpowiedzialna za rozcinanie wirusowych poliprotein i umożliwiająca dojrzewanie cząstek wirusa. Hamowanie aktywności tego enzymu stanowi jeden z mechanizmów działania leków przeciwretrowirusowych stosowanych w leczeniu zakażenia HIV.

Zastosowania przemysłowe

Proteazy znajdują zastosowanie w biotechnologii oraz w różnych gałęziach przemysłu, w szczególności spożywczym, detergentowym i skórzanym. W przetwórstwie żywności wykorzystuje się je między innymi do produkcji hydrolizatów białkowych(inne języki), modyfikowania właściwości surowców oraz wspomagania produkcji serów. W preparatach piorących umożliwiają rozkład zabrudzeń białkowych, natomiast w przemyśle skórzanym uczestniczą w enzymatycznej obróbce skór.

W zastosowaniach przemysłowych szczególne znaczenie mają proteazy pochodzenia mikrobiologicznego, zwłaszcza wytwarzane przez bakterie z rodzaju Bacillus. Ich wykorzystanie wynika między innymi z możliwości produkcji enzymów na dużą skalę oraz doboru preparatów działających w określonych warunkach temperatury i pH. Rozwój inżynierii białek umożliwia ponadto modyfikowanie ich stabilności i swoistości substratowej.

Uwagi

  1. ↑ W niektórych źródłach pomija się proteazy glutamylowe i treoninowe.

Przypisy

  1. ↑ Enzyme entry: EC 3.4.-.-, [w:] Expasy – Enzyme nomenclature database [online], SIB Swiss Institute of Bioinformatics(inne języki) (ang.).
    EC 3.4.-.-, [w:] ExplorEnz – the Enzyme Database [online], International Union of Biochemistry and Molecular Biology (ang.).
    EC 3.4.-.-, [w:] BRENDA [online], Leibniz Institute DSMZ(inne języki) (ang.).
  2. 1 2 EC 3.4 – Acting on Peptide Bonds (Peptidases). Preamble [online] [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  3. 1 2 3 4 5 6 7 Carlos López-Otín, Judith S. Bond, Proteases: Multifunctional Enzymes in Life and Disease, „Journal of Biological Chemistry”, 283 (45), 2008, s. 30433–30437, DOI: 10.1074/jbc.R800035200, PMID: 18650443, PMCID: PMC2576539 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  4. 1 2 3 Neil D. Rawlings, Alex Bateman, How to use the MEROPS database and website to help understand peptidase specificity, „Protein Science”, 30 (1), 2021, s. 83–92, DOI: 10.1002/pro.3948, PMID: 32920969, PMCID: PMC7737757 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  5. ↑ Lizbeth Hedstrom, Serine Protease Mechanism and Specificity, „Chemical Reviews”, 102 (12), 2002, s. 4501–4524, DOI: 10.1021/cr000033x, PMID: 12475199 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  6. ↑ Edward Bańkowski, Biochemia. Podrecznik dla studentow studiow licencjackich i magisterskich, wyd. 2, Wrocław: MedPharm Polska, 2014, s. 194, ISBN 978-83-7846-003-9.
  7. 1 2 Paweł Kafarski, Barbara Lejczak, Chemia bioorganiczna, Warszawa: PWN, 1994, s. 141, ISBN 83-01-11247-6.
  8. 1 2 3 Neil D. Rawlings i inni, The MEROPS database of proteolytic enzymes, their substrates and inhibitors in 2017 and a comparison with peptidases in the PANTHER database, „Nucleic Acids Research”, 46 (D1), 2018, D624–D632, DOI: 10.1093/nar/gkx1134, PMID: 29145643, PMCID: PMC5753285 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  9. ↑ Enzyme entry: EC 3.4.16.5, [w:] Expasy – Enzyme nomenclature database [online], SIB Swiss Institute of Bioinformatics(inne języki) (ang.).
    EC 3.4.16.5, [w:] ExplorEnz – the Enzyme Database [online], International Union of Biochemistry and Molecular Biology (ang.).
    EC 3.4.16.5, [w:] BRENDA [online], Leibniz Institute DSMZ(inne języki) (ang.).
  10. ↑ Enzyme entry: EC 3.4.14.1, [w:] Expasy – Enzyme nomenclature database [online], SIB Swiss Institute of Bioinformatics(inne języki) (ang.).
    EC 3.4.14.1, [w:] ExplorEnz – the Enzyme Database [online], International Union of Biochemistry and Molecular Biology (ang.).
    EC 3.4.14.1, [w:] BRENDA [online], Leibniz Institute DSMZ(inne języki) (ang.).
  11. ↑ Enzyme entry: EC 3.4.23.34, [w:] Expasy – Enzyme nomenclature database [online], SIB Swiss Institute of Bioinformatics(inne języki) (ang.).
    EC 3.4.23.34, [w:] ExplorEnz – the Enzyme Database [online], International Union of Biochemistry and Molecular Biology (ang.).
    EC 3.4.23.34, [w:] BRENDA [online], Leibniz Institute DSMZ(inne języki) (ang.).
  12. ↑ Galen Andrew Collins, Alfred L. Goldberg, The Logic of the 26S Proteasome, „Cell”, 169 (5), 2017, s. 792–806, DOI: 10.1016/j.cell.2017.04.023, PMID: 28525752, PMCID: PMC5609836 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  13. 1 2 3 Vito Turk i inni, Cysteine cathepsins: From structure, function and regulation to new frontiers, „Biochimica et Biophysica Acta – Proteins and Proteomics”, 1824 (1), 2012, s. 68–88, DOI: 10.1016/j.bbapap.2011.10.002, PMID: 22024571, PMCID: PMC5609836 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  14. ↑ David R. McIlwain, Thorsten Berger, Tak W. Mak, Caspase Functions in Cell Death and Disease, „Cold Spring Harbor Perspectives in Biology”, 5 (4), 2013, a008656, DOI: 10.1101/cshperspect.a008656, PMID: 23545416, PMCID: PMC3683896 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  15. ↑ Peter G.W. Gettins, Serpin Structure, Mechanism, and Function, „Chemical Reviews”, 102 (12), 2002, s. 4751–4804, DOI: 10.1021/cr010170+, PMID: 12475206 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  16. ↑ Kai Kessenbrock, Vicki Plaks, Zena Werb, Matrix Metalloproteinases: Regulators of the Tumor Microenvironment, „Cell”, 141 (1), 2010, s. 52–67, DOI: 10.1016/j.cell.2010.03.015, PMID: 20371345, PMCID: PMC2862057 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  17. ↑ Anthony G. Tomasselli, Robert L. Heinrikson, Targeting the HIV-protease in AIDS therapy: a current clinical perspective, „Biochimica et Biophysica Acta”, 1477 (1–2), 2000, s. 189–214, DOI: 10.1016/S0167-4838(99)00273-3, PMID: 10708858 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  18. 1 2 Abdul Razzaq i inni, Microbial Proteases Applications, „Frontiers in Bioengineering and Biotechnology”, 7, 2019, s. 110, DOI: 10.3389/fbioe.2019.00110, PMID: 31263696, PMCID: PMC6584820 [dostęp 2026-10-20] (ang.).
  19. ↑ Rani Gupta, Qasim K. Beg, Peter Lorenz, Bacterial Alkaline Proteases: Molecular Approaches and Industrial Applications, „Applied Microbiology and Biotechnology”, 59 (1), 2002, s. 15–32, DOI: 10.1007/s00253-002-0975-y, PMID: 12073127 [dostęp 2026-10-20] (ang.).