Papainliknande proteas
Papain , familjens namnemedlem, från Carica papaya
| |
| Identifiers | |
|---|---|
| Symbol | Peptidas_CA |
| Pfam klan | CL0125 |
| MEROPS | CA |
Papainliknande proteaser (eller papainliknande (cystein) peptidaser ; förkortat PLP eller PLCP ) är en stor proteinfamilj av cysteinproteasenzymer som delar strukturella och enzymatiska egenskaper med gruppens namnemedlem, papain . De finns i livets alla områden . Hos djur är gruppen ofta känd som cysteinkathepsiner , eller, i äldre litteratur lysosomala peptidaser . I MEROPS -proteasenzymklassificeringssystemet bildar papainliknande proteaser Clan CA . Papainliknande proteaser delar en gemensam katalytisk dyad- aktiv plats med en cysteinaminosyrarest som fungerar som en nukleofil .
Det mänskliga genomet kodar för elva cysteinkatepsiner som har ett brett spektrum av fysiologiska funktioner. I vissa parasiter har papainliknande proteaser roller i värdinvasion , såsom cruzipain från Trypanosoma cruzi . I växter är de involverade i värdförsvar och i utveckling. Studier av papainliknande proteaser från prokaryoter har släpat efter sina eukaryota motsvarigheter. I cellulära organismer syntetiseras de som preproenzymer som inte är enzymatiskt aktiva förrän mogna, och deras aktiviteter regleras hårt, ofta genom närvaron av endogena proteashämmare såsom cystatiner . I många RNA-virus , inklusive signifikanta mänskliga patogener som coronaviruset SARS-CoV och SARS-CoV-2 , har papainliknande proteasproteindomäner ofta roller vid bearbetning av polyproteiner till mogna virala icke-strukturella proteiner . Många papainliknande proteaser anses vara potentiella läkemedelsmål .
Klassificering
MEROPS - systemet för proteasenzymklassificering definierar klan CA som innehållande de papainliknande proteaserna. De tros ha ett delat evolutionärt ursprung. Från och med 2021 innehöll klanen 45 familjer.
Strukturera
Strukturen av papain var bland de tidigaste proteinstrukturerna som experimentellt bestämdes genom röntgenkristallografi . Många papainliknande proteasenzymer fungerar som monomerer , även om några få, såsom cathepsin C (Dipeptidyl-peptidas I), är homotetramerer . Den mogna monomerstrukturen är karakteristiskt uppdelad i två lober eller subdomäner, kända som L-domänen ( N-terminal ) och R-domänen ( C-terminal ), där det aktiva stället är beläget mellan dem. L-domänen är primärt spiralformad medan R-domänen innehåller beta-ark i en beta-fat- liknande form, omgiven av en helix. Enzymsubstratet interagerar med båda domänerna i en utökad konformation .
Papainliknande proteaser syntetiseras ofta som preproenzymer eller enzymatiskt inaktiva prekursorer. En signalpeptid vid N-terminalen , som fungerar som en subcellulär lokaliseringssignal , klyvs av signalpeptidas för att bilda en zymogen . Posttranslationell modifiering i form av N-kopplad glykosylering sker också parallellt. Zymogenet är fortfarande inaktivt på grund av närvaron av en propeptid som fungerar som en inhibitor som blockerar åtkomst till det aktiva stället. Propeptiden avlägsnas genom proteolys för att bilda det mogna enzymet.
Katalytisk mekanism
Papainliknande proteaser har en katalytisk dyad bestående av en cystein- och en histidinrest , som bildar ett jonpar genom sina laddade tiolat- och imidazoliumsidokedjor . Det negativt laddade cysteintiolatet fungerar som en nukleofil . Ytterligare närliggande rester - aspartat , asparagin eller glutamin - placerar de katalytiska resterna; i papain kallas de nödvändiga katalytiska resterna cystein, histidin och aspartat ibland den katalytiska triaden (liknar serinproteaser) . Papainliknande proteaser är vanligtvis endopeptidaser , men vissa medlemmar i gruppen är också, eller till och med uteslutande, exopeptidaser . Vissa virala papainliknande proteaser, inklusive de från koronavirus , kan också klyva isopeptidbindningar och kan fungera som deubikitinaser .
Fungera
Eukaryoter
Däggdjur
Hos djur, särskilt inom däggdjursbiologi, kallas medlemmar av den papainliknande proteasfamiljen vanligtvis som cysteinkathepsiner - det vill säga cysteinproteasmedlemmarna i gruppen av proteaser som kallas katepsiner (som inkluderar cystein-, serin- och asparaginproteaser ) . Hos människor finns det 11 cysteinkatepsiner: B , C , F , H , K , L , O , S , V , X och W . De flesta katepsiner uttrycks i hela kroppen, men vissa har snävare vävnadsfördelning .
Även om det historiskt är känt som lysosomala proteaser och huvudsakligen studerats för deras roll i proteinkatabolism, har cysteinkathepsiner sedan dess identifierats som spelar stora roller i ett antal fysiologiska processer och sjukdomstillstånd. Som en del av normala fysiologiska processer är de involverade i nyckelsteg av antigenpresentation som en del av det adaptiva immunsystemet , ombyggnad av den extracellulära matrisen , differentiering av keratinocyter och bearbetning av peptidhormoner . Cysteinkatepsiner har associerats med cancer och tumörprogression , hjärt-kärlsjukdomar , autoimmuna sjukdomar och andra mänskliga hälsotillstånd. Cathepsin K har en roll i benresorption och har studerats som ett läkemedelsmål för osteoporos .
Parasiter
Ett antal parasiter , inklusive helminter (parasitiska maskar), använder papainliknande proteaser som mekanismer för invasion av sina värdar . Exempel inkluderar Toxoplasma gondii och Giardia lamblia . Hos många plattmaskar finns det mycket höga nivåer av uttryck av cysteinkatepsiner; i leverfluken Fasciola hepatica har gendupliceringar producerat över 20 paraloger av ett katepsin L- liknande enzym. Cysteinkatepsiner är också en del av den normala livscykeln för den encelliga parasiten Leishmania , där de fungerar som virulensfaktorer . Enzymet och potentiella läkemedelsmålet cruzipain är viktigt för livscykeln för parasiten Trypanosoma cruzi , som orsakar Chagas sjukdom .
Växter
Medlemmar av den papainliknande proteasfamiljen spelar ett antal viktiga roller i växtutvecklingen , inklusive fröns groning , åldrande blad och att svara på abiotisk stress . Papainliknande proteaser är involverade i reglering av programmerad celldöd i växter, till exempel i tapetum under utveckling av pollen . De är också viktiga för växtimmunitet och ger försvar mot skadedjur och patogener . Förhållandet mellan växtpapainliknande proteaser och patogensvar - såsom cystatinhämmare - har beskrivits som en evolutionär kapprustning .
Vissa PLP-familjemedlemmar i växter har kulinariska och kommersiella tillämpningar. Familjens namnemedlem, papain , är en proteas som härrör från papaya , som används som köttmörning . Liknande men mindre använda växtprodukter inkluderar bromelain från ananas och ficin från fikon .
Prokaryoter
Även om papainliknande proteaser finns i alla livets domäner , har de studerats mindre väl i prokaryoter än i eukaryoter . Endast ett fåtal prokaryota PLP-enzymer har karakteriserats genom röntgenkristallografi eller enzymatiska studier, mestadels från patogena bakterier, inklusive streptopain från Streptococcus pyogenes ; xylellain, från växtpatogenen Xylella fastidiosa ; Cwp84 från Clostridium difficile ; och Lpg2622 från Legionella pneumophila .
Virus
Den papainliknande proteasfamiljen inkluderar ett antal proteindomäner som finns i stora polyproteiner som uttrycks av RNA-virus . Bland de bäst studerade virala PLP:erna är nidovirala papainliknande proteasdomäner från nidovirus , särskilt de från coronavirus . Dessa PLPs är ansvariga för flera klyvningshändelser som bearbetar ett stort polyprotein till virala icke-strukturella proteiner, även om de utför färre klyvningar än det 3C-liknande proteaset (även känt som huvudproteaset). Coronavirus PLPs är multifunktionella enzymer som också kan fungera som deubiquitinaser (klyver isopeptidbindningen till ubiquitin ) och "deISGylating enzymer" med analog aktivitet mot det ubiquitin-liknande proteinet ISG15 . Hos mänskliga patogener inklusive SARS-CoV , MERS-CoV och SARS-CoV-2 är PLP-domänen väsentlig för viral replikation och anses därför vara ett läkemedelsmål för utveckling av antivirala läkemedel .