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.

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.
Ze względu na położenie rozcinanego wiązania peptydowego wyróżnia się dwie podstawowe grupy enzymów proteolitycznych:
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).
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, trypsyna, chymotrypsyna, trombina |
| cysteinowe | wykorzystują reaktywną grupę tiolową reszty cysteiny | katepsyna C, papaina, kaspazy |
| aspartylowe | wykorzystują reszty kwasu asparaginowego uczestniczące w aktywacji cząsteczki wody | katepsyna E, pepsyna, renina, proteaza HIV-1 |
| metaloproteazy | w katalizie uczestniczy jon metalu, najczęściej cynku | karboksypeptydaza A, metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej |
| treoninowe | wykorzystują grupę hydroksylową reszty treoniny | katalityczne podjednostki proteasomu |
| glutamylowe | 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.

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. 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.
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.
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.
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, 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.