Sistematica proteine, Biochimica

Sistematica di enzimi e proteine

Proteasi

Enzimi importantissimi che appartengono alla classe delle idrolasi, sono capaci di catalizzare una scissione idrolitica del legame peptidico. Importanti nella maturazione delle proteine negli eucarioti, servono sempre proteasi; in tutti i meccanismi della morte cellulare programmata; nei meccanismi della coagulazione per la quale interviene una cascata di proteasi; proteasi digestive; sono presenti anche le proteasi virali, tra i bersagli preferiti delle terapie antivirali perché i virus si replicano producendo poliproteine che devono essere tagliate da proteasi virali per diventare attive.

Sono enzimi che si sono evoluti per tagliare legami peptidici in maniera specifica; ci sono proteasi che riconoscono sequenze peptidiche discrete (un po' come le nucleasi) e tagliano solo in presenza di quella sequenza polipeptidica; altre proteasi tagliano un po' tutti i legami; ci sono delle proteasi di posizione, la carbossipeptidasi, taglia le proteine solo a partire dal loro C-terminale, tagliando un peptide alla volta (corrispettivo nucleasico della carbossipeptidasi sono le esonucleasi, tagliano da una estremità del DNA).

Le proteasi hanno alcuni aspetti in comune, devono avere un sito attivo particolare adatto a legare un intero peptide o una proteina, servirà un sito attivo dotato di una certa plasticità, possono riconoscere un legame peptidico specifico ma che può essere presente in più proteine, quindi necessitano di una plasticità, adattando la loro specificità di substrato a proteine diverse. Se il legame peptidico che una proteasi deve aggredire si trova all'interno della proteina substrato, la proteasi non lo taglia. Tutte le proteasi legano il substrato attraverso interazioni non covalenti, legami idrogeno, interazioni elettrostatiche, interazioni idrofobiche; riescono a formare quindi un complesso enzima-substrato non covalente. Possono anche formare un complesso enzima-prodotto.

L'equazione di Michaelis-Menten sarà in questo caso E+S=ES=EP=E+P. Rispetto alla classica cinetica, le proteasi aggiungono un passaggio in più. La caratteristica è che il complesso enzima-prodotto è un complesso covalente che fa sì che l'equazione di Michaelis-Menten sia descrivibile a quattro termini. La cinetica non varia nella rappresentazione dell'equazione, poiché, essendo un'equazione lineare, non ramificata, anche aggiungendo un passaggio all'interno dello schema di reazione, si osserverà lo stesso svolgimento, si può determinare Km e Vmax anche per le proteasi; per ricavarla sarà necessario integrare il complesso ES e il complesso EP, il ché ha delle limitazioni in quanto il complesso EP si forma con reazione irreversibile; tuttavia con buona approssimazione si può ricondurre correttamente alla cinetica di Michaelis-Menten.

Proteasi a serina

Analizziamo una sottoclasse delle proteasi, le proteasi a serina: tripsina, chimotripsina, elastasi (proteasi digestive); trombina, TPA, plasmina (proteasi della cascata della coagulazione); subtilisina (proteasi che riconosce quasi tutti i legami peptidici e ha una Km molto bassa, efficienza catalitica molto elevata, è prodotta dal Bacillus subtilis). Tutte queste proteasi hanno una serina nel loro sito catalitico: la serina fa parte della cosiddetta triade catalitica, comprende tre amminoacidi, serina, istidina e acido aspartico. In una combinazione particolare, questi tre amminoacidi costituiscono un'efficiente sito attivo per la catalisi dell'idrolisi del legame peptidico in tutte le proteasi a serina.

Sono in parte omologhe, hanno somiglianze nella struttura, anche se i residui di serina, istidina e aspartato sono situati in maniere diverse, spesso poste sempre nello stesso sito, His 57, Asp 102, Ser 195, cioè all'allineamento delle sequenze si allineano sulla triade catalitica e si numerano coi residui.

Le proteasi a serina digestive sono tre: tripsina, chimotripsina e elastasi, prodotte nelle cellule acinose del pancreas, dunque fanno parte della secrezione esocrina del pancreas; vengono prodotte e secrete come precursori inattivi (proteina secreta ma non attiva, importante perché se fossero attive verrebbero a digerire la cellula, nel coledoco digerirebbero la parete), sono fatte in maniera da attivarsi nel duodeno. L'attivazione dipende da un cambiamento del pH, nel duodeno lievemente acido, in contrapposizione al succo pancreatico basico, ricco di bicarbonato; quindi abbassamento del pH e legame di ioni calcio determinano l'attivazione.

Chimotripsinogeno, tripsinogeno e elastasi sono i precursori di chimotripsina, tripsina ed elastasi: sono proteine più lunghe delle proteine attive che nella regione N-terminale vengono tagliate, si idrolizzano tra di loro, cioè nella regione N-terminale è presente una sequenza polipeptidica che normalmente ostruisce il sito attivo, ma viene liberata attraverso l'attivazione delle altre proteine (si autoattivano l'una con l'altra). Nel duodeno operano la loro azione digestiva degradando le proteine in peptidi più piccoli.

Queste proteasi sono molto simili, non appartengono solo alla stessa sottoclasse, ma anche alla stessa famiglia. Sono formate da due domini, tenuti insieme da regioni disordinate. I due domini sono uno un accenno di beta-barrel e un pavimento beta, contornati da strutture ad alfa elica, struttura a dominio piuttosto complessa che identifica bene due lobi. La triade catalitica si trova nello spazio fra i due lobi. Di fatto la chimotripsina rappresenta una "mascella e mandibola", i due domini sono fatti in maniera da possedere una zona interna che separa i due domini piuttosto flessibile e in mezzo la triade catalitica Ser, His, Asp.