Protéase -Protease

La structure d'une protéase ( TEV protease ) complexée avec son substrat peptidique en noir avec des résidus catalytiques en rouge.( PDB : 1LVB ​)

Une protéase (également appelée peptidase , protéinase ou enzyme protéolytique ) est une enzyme qui catalyse (augmente la vitesse de réaction ou « accélère ») la protéolyse , décompose les protéines en polypeptides plus petits ou en acides aminés simples et stimule la formation de nouveaux produits protéiques. . Ils le font en coupant les liaisons peptidiques dans les protéines par hydrolyse , une réaction où l'eau rompt les liaisons . Les protéases sont impliquées dans de nombreuses fonctions biologiques, notamment la digestion des protéines ingérées, le catabolisme des protéines (dégradation des anciennes protéines) et la signalisation cellulaire .

En l'absence d'accélérateurs fonctionnels, la protéolyse serait très lente, prenant des centaines d' années . Les protéases peuvent être trouvées dans toutes les formes de vie et les virus . Ils ont évolué plusieurs fois indépendamment , et différentes classes de protéases peuvent effectuer la même réaction par des mécanismes catalytiques complètement différents .

Classification

A base de résidu catalytique

Les protéases peuvent être classées en sept grands groupes :

Les protéases ont d'abord été regroupées en 84 familles selon leur relation évolutive en 1993, et classées en quatre types catalytiques : sérine , cystéine , aspartique et métallo protéases. Les protéases thréonine et glutamique n'ont été décrites qu'en 1995 et 2004 respectivement. Le mécanisme utilisé pour cliver une liaison peptidique consiste à rendre nucléophile un résidu d'acide aminé contenant la cystéine et la thréonine (protéases) ou une molécule d'eau (protéases aspartique, glutamique et métallo) afin qu'il puisse attaquer le groupe carbonyle du peptide. Une façon de fabriquer un nucléophile consiste à utiliser une triade catalytique , où un résidu d'histidine est utilisé pour activer la sérine , la cystéine ou la thréonine en tant que nucléophile. Ce n'est pas un regroupement évolutif, cependant, car les types nucléophiles ont évolué de manière convergente dans différentes superfamilles , et certaines superfamilles montrent une évolution divergente vers plusieurs nucléophiles différents.

Lyases peptidiques

Un septième type catalytique d'enzymes protéolytiques, l'asparagine peptide lyase , a été décrit en 2011. Son mécanisme protéolytique est inhabituel puisque, plutôt que l'hydrolyse , il effectue une réaction d'élimination . Au cours de cette réaction, l' asparagine catalytique forme une structure chimique cyclique qui se clive au niveau des résidus d'asparagine dans les protéines dans les bonnes conditions. Compte tenu de son mécanisme fondamentalement différent, son inclusion en tant que peptidase peut être discutable.

Basé sur la phylogénie évolutive

Une classification à jour des superfamilles évolutives de protéases se trouve dans la base de données MEROPS. Dans cette base de données, les protéases sont classées d'abord par « clan » ( superfamille ) en fonction de la structure, du mécanisme et de l'ordre des résidus catalytiques (par exemple le clan PA où P indique un mélange de familles nucléophiles). Au sein de chaque « clan », les protéases sont classées en familles sur la base de la similarité des séquences (par exemple, les familles S1 et C3 au sein du clan PA). Chaque famille peut contenir plusieurs centaines de protéases apparentées (par exemple la trypsine , l'élastase , la thrombine et la streptogrisine au sein de la famille S1).

Actuellement, plus de 50 clans sont connus, chacun indiquant une origine évolutive indépendante de la protéolyse.

Basé sur un pH optimal

Alternativement, les protéases peuvent être classées selon le pH optimal dans lequel elles sont actives :

Fonction et mécanisme enzymatique

Une comparaison des deux mécanismes hydrolytiques utilisés pour la protéolyse . L'enzyme est représentée en noir, la protéine substrat en rouge et l'eau en bleu. Le panneau supérieur montre l'hydrolyse en 1 étape où l'enzyme utilise un acide pour polariser l'eau, qui hydrolyse ensuite le substrat. Le panneau inférieur montre l'hydrolyse en 2 étapes où un résidu dans l'enzyme est activé pour agir comme un nucléophile (Nu) et attaquer le substrat. Cela forme un intermédiaire où l'enzyme est liée de manière covalente à la moitié N-terminale du substrat. Dans un second temps, l'eau est activée pour hydrolyser cette catalyse intermédiaire et complète. D'autres résidus d'enzymes (non représentés) donnent et acceptent des hydrogènes et stabilisent électrostatiquement l'accumulation de charge le long du mécanisme de réaction.

Les protéases sont impliquées dans la digestion de longues chaînes protéiques en fragments plus courts en divisant les liaisons peptidiques qui relient les résidus d'acides aminés . Certains détachent les acides aminés terminaux de la chaîne protéique ( exopeptidases , comme les aminopeptidases , la carboxypeptidase A ) ; d'autres attaquent les liaisons peptidiques internes d'une protéine ( endopeptidases , comme la trypsine , la chymotrypsine , la pepsine , la papaïne , l'élastase ).

Catalyse

La catalyse est réalisée par l'un des deux mécanismes suivants :

  • Les aspartiques, glutamiques et métallo-protéases activent une molécule d'eau, qui effectue une attaque nucléophile sur la liaison peptidique pour l'hydrolyser.
  • Les sérine, thréonine et cystéine protéases utilisent un résidu nucléophile (généralement dans une triade catalytique ). Ce résidu effectue une attaque nucléophile pour lier de manière covalente la protéase à la protéine substrat, libérant la première moitié du produit. Cet intermédiaire acyl-enzyme covalent est ensuite hydrolysé par de l'eau activée pour compléter la catalyse en libérant la seconde moitié du produit et en régénérant l'enzyme libre.

Spécificité

La protéolyse peut être très complexe , de sorte qu'une large gamme de substrats protéiques est hydrolysée. C'est le cas des enzymes digestives telles que la trypsine , qui doivent être capables de cliver le réseau de protéines ingérées en fragments peptidiques plus petits. Les protéases promiscuous se lient généralement à un seul acide aminé sur le substrat et n'ont donc de spécificité que pour ce résidu. Par exemple, la trypsine est spécifique des séquences ...K\... ou ...R\... ('\'=site de clivage).

A l'inverse, certaines protéases sont très spécifiques et ne clivent que les substrats avec une certaine séquence. La coagulation du sang (comme la thrombine ) et le traitement des polyprotéines virales (comme la protéase TEV ) nécessitent ce niveau de spécificité afin d'obtenir des événements de clivage précis. Ceci est réalisé par des protéases ayant une longue fente ou un tunnel de liaison avec plusieurs poches qui se lient à des résidus spécifiés. Par exemple, la protéase TEV est spécifique de la séquence ...ENLYFQ\S... ('\' = site de clivage).

Dégradation et autolyse

Les protéases, étant elles-mêmes des protéines, sont clivées par d'autres molécules de protéase, parfois de la même variété. Cela agit comme une méthode de régulation de l'activité de la protéase. Certaines protéases sont moins actives après autolyse (par exemple la protéase TEV ) tandis que d'autres sont plus actives (par exemple le trypsinogène ).

Biodiversité des protéases

Les protéases sont présentes dans tous les organismes, des procaryotes aux eucaryotes en passant par les virus . Ces enzymes sont impliquées dans une multitude de réactions physiologiques allant de la simple digestion des protéines alimentaires à des cascades hautement régulées (par exemple, la cascade de la coagulation sanguine , le système du complément , les voies de l'apoptose et la cascade d'activation de la prophénoloxydase chez les invertébrés). Les protéases peuvent soit rompre des liaisons peptidiques spécifiques ( protéolyse limitée ), en fonction de la séquence d'acides aminés d'une protéine, soit décomposer complètement un peptide en acides aminés ( protéolyse illimitée ). L'activité peut être un changement destructeur (abolir la fonction d'une protéine ou la digérer en ses composants principaux), il peut s'agir d'une activation d'une fonction ou d'un signal dans une voie de signalisation.

Végétaux

Des solutions végétales contenant des protéases appelées présure végétarienne sont utilisées depuis des centaines d'années en Europe et au Moyen-Orient pour la fabrication de fromages casher et halal . La présure végétarienne de Withania coagulans est utilisée depuis des milliers d'années comme remède ayurvédique pour la digestion et le diabète dans le sous-continent indien. Il est également utilisé pour faire Paneer .

Les génomes végétaux codent pour des centaines de protéases, dont la plupart ont une fonction inconnue. Ceux dont la fonction est connue sont largement impliqués dans la régulation du développement . Les protéases végétales jouent également un rôle dans la régulation de la photosynthèse .

Animaux

Les protéases sont utilisées dans tout un organisme pour divers processus métaboliques. Les protéases acides sécrétées dans l'estomac (comme la pepsine ) et les protéases à sérine présentes dans le duodénum ( trypsine et chymotrypsine ) permettent de digérer la protéine des aliments. Les protéases présentes dans le sérum sanguin ( thrombine , plasmine , facteur Hageman , etc.) jouent un rôle important dans la coagulation du sang, ainsi que la lyse des caillots et le bon fonctionnement du système immunitaire. D'autres protéases sont présentes dans les leucocytes ( élastase , cathepsine G ) et jouent plusieurs rôles différents dans le contrôle métabolique. Certains venins de serpent sont également des protéases, telles que l'hémotoxine de vipère et interfèrent avec la cascade de coagulation du sang de la victime. Les protéases déterminent la durée de vie d'autres protéines jouant des rôles physiologiques importants comme les hormones, les anticorps ou d'autres enzymes. Il s'agit de l'un des mécanismes de régulation "d'activation" et "d'arrêt" les plus rapides de la physiologie d'un organisme.

Par une action coopérative complexe, les protéases peuvent catalyser des réactions en cascade , qui se traduisent par une amplification rapide et efficace de la réponse d'un organisme à un signal physiologique.

Bactéries

Les bactéries sécrètent des protéases pour hydrolyser les liaisons peptidiques des protéines et ainsi décomposer les protéines en leurs acides aminés constitutifs . Les protéases bactériennes et fongiques sont particulièrement importantes pour les cycles mondiaux du carbone et de l'azote dans le recyclage des protéines, et une telle activité a tendance à être régulée par des signaux nutritionnels dans ces organismes. L'impact net de la régulation nutritionnelle de l'activité des protéases parmi les milliers d'espèces présentes dans le sol peut être observé au niveau global de la communauté microbienne, car les protéines sont décomposées en réponse à la limitation du carbone, de l'azote ou du soufre.

Les bactéries contiennent des protéases responsables du contrôle général de la qualité des protéines (par exemple, le protéasome AAA+ ) en dégradant les protéines dépliées ou mal repliées .

Une protéase bactérienne sécrétée peut également agir comme une exotoxine et être un exemple de facteur de virulence dans la pathogenèse bactérienne (par exemple, la toxine exfoliative ). Les protéases exotoxiques bactériennes détruisent les structures extracellulaires.

Virus

Les génomes de certains virus codent pour une polyprotéine massive , qui a besoin d'une protéase pour la cliver en unités fonctionnelles (par exemple, le virus de l'hépatite C et les picornavirus ). Ces protéases (par exemple la protéase TEV ) ont une spécificité élevée et ne clivent qu'un ensemble très restreint de séquences de substrat. Ils sont donc une cible commune pour les inhibiteurs de protéase .

Archées

Les archées utilisent des protéases pour réguler divers processus cellulaires depuis la signalisation cellulaire , le métabolisme , la sécrétion et le contrôle de la qualité des protéines. Seules deux protéases dépendantes de l'ATP sont présentes chez les archées : la protéase LonB associée à la membrane et un complexe de protéosome 20S soluble .

Les usages

Le domaine de la recherche sur les protéases est énorme. Depuis 2004, environ 8 000 articles liés à ce domaine ont été publiés chaque année. Les protéases sont utilisées dans l'industrie, la médecine et comme outil de recherche biologique de base.

Les protéases digestives font partie de nombreux détergents à lessive et sont également largement utilisées dans l'industrie du pain dans l'amélioration du pain . Une variété de protéases sont utilisées médicalement à la fois pour leur fonction native (par exemple le contrôle de la coagulation du sang) ou pour des fonctions complètement artificielles (par exemple pour la dégradation ciblée de protéines pathogènes). Des protéases hautement spécifiques telles que la protéase TEV et la thrombine sont couramment utilisées pour cliver les protéines de fusion et les étiquettes d'affinité de manière contrôlée.

Inhibiteurs

L'activité des protéases est inhibée par les inhibiteurs de protéase . Un exemple d'inhibiteurs de protéase est la superfamille des serpines . Il comprend l'alpha 1-antitrypsine (qui protège le corps contre les effets excessifs de ses propres protéases inflammatoires ), l'alpha 1-antichymotrypsine (qui fait de même), l'inhibiteur C1 (qui protège le corps contre l'activation excessive déclenchée par les protéases de son propre système complémentaire ), l'antithrombine (qui protège le corps d' une coagulation excessive ), l'inhibiteur de l'activateur du plasminogène-1 (qui protège le corps d'une coagulation inadéquate en bloquant la fibrinolyse déclenchée par la protéase ) et la neuroserpine .

Les inhibiteurs naturels de la protéase comprennent la famille des protéines lipocalines , qui jouent un rôle dans la régulation et la différenciation cellulaire. Les ligands lipophiles , attachés aux protéines de lipocaline, se sont avérés posséder des propriétés inhibitrices de la protéase tumorale. Les inhibiteurs de protéase naturels ne doivent pas être confondus avec les inhibiteurs de protéase utilisés en thérapie antirétrovirale. Certains virus , dont le VIH/SIDA , dépendent des protéases dans leur cycle de reproduction. Ainsi, des inhibiteurs de protéase sont développés en tant qu'agents thérapeutiques antiviraux .

D'autres inhibiteurs naturels de la protéase sont utilisés comme mécanismes de défense. Des exemples courants sont les inhibiteurs de la trypsine trouvés dans les graines de certaines plantes, les plus notables pour les humains étant le soja, une culture vivrière majeure, où ils agissent pour décourager les prédateurs. Les graines de soja crues sont toxiques pour de nombreux animaux, y compris les humains, jusqu'à ce que les inhibiteurs de protéase qu'elles contiennent aient été dénaturés.

Voir également

Les références

Liens externes