プロテアーゼ

プロテアーゼ（ペプチダーゼまたはプロテイナーゼとも呼ばれる）は、ペプチド結合を加水分解することによって、原始的な生物におけるタンパク質の分解とアミノ酸の生成に必要な単純な破壊酵素の一種です。プロテアーゼは、タンパク質の進化の初期段階で発生した可能性が高く、何度も応用されています。異なるクラスのプロテアーゼは、通常、全く異なる触媒メカニズムを通じて同じプロテオリシス反応を実行します。プロテアーゼは、動物界、植物界、真菌、細菌、古細菌、ウイルスなど、さまざまなソースに存在し、消化、免疫系の機能、血液循環など、多くの体のプロセスに関与しています。

分類

触媒残基に基づいて、プロテアーゼはセリンプロテアーゼ、システインプロテアーゼ、スレオニンプロテアーゼ、アスパラギン酸プロテアーゼ、グルタミン酸プロテアーゼ、メタロプロテアーゼ、アスパラギンペプチドライアーゼの7つの広いグループに分類できます。アスパラギンは脱離反応を実行します（水は不要です）。

実際、プロテアーゼは進化的関係に基づいて84のファミリーに主にグループ化され、セリン、システイン、アスパラギン酸、メタロプロテアーゼの4つの触媒タイプに分類されます。スレオニンおよびグルタミン酸プロテアーゼがそれぞれ1995年と2004年に記述されるまで、アスパラギンペプチドライアーゼは2011年に触媒タイプの第7のプロテオリティック酵素として記述されました。そのプロテオリティックメカニズムは異常であり、脱離反応を実行する際に、触媒アスパラギンが化学的な環状構造を形成し、適切な条件下でタンパク質中のアスパラギン残基で自己切断します。根本的に異なるメカニズムのおかげで、ペプチドライアーゼをペプチダーゼに含めることは議論の余地があります。代わりに、プロテアーゼは、活性な最適pHに基づいて分類されることもあります。この分類方法に従って、酸性プロテアーゼ、塩基性プロテアーゼ（またはアルカリプロテアーゼ）、およびタイプ1過敏症に関与する中性プロテアーゼが見つかります。プロテアーゼの進化的スーパーファミリーの別の最新の分類は、MEROPSデータベースに見られ、プロテアーゼはまず構造、メカニズム、触媒残基の順序に基づいて「クラン」（スーパーファミリー）で分類されます。各「クラン」内で、プロテアーゼは配列の類似性に基づいてさらにファミリーに分類され、各ファミリーには数百の関連プロテアーゼが存在する可能性があります。現在までに、50以上のクランが知られており、それぞれがプロテオリシスの独立した進化的起源を示しています。

触媒メカニズム

プロテアーゼは、アミノ酸残基を結びつけるペプチド結合を切断することによって、長いタンパク質鎖を短い断片に切り分けることに関与しています。いくつかのプロテアーゼは、タンパク質鎖から末端のアミノ酸を切り離すことができ、他のプロテアーゼはタンパク質の内部ペプチド結合を攻撃するかもしれません。触媒のプロセスは、次の2つのメカニズムのいずれかによって達成されます。アスパラギン酸、グルタミン酸、メタロプロテアーゼは、水分子を活性化し、求核的にペプチド結合を直接攻撃して加水分解します。セリン、スレオニン、システインプロテアーゼは、基質タンパク質を攻撃してプロテアーゼと共有結合的に結びつける求核残基（通常は触媒トライアド内）を採用し、最初の半分の生成物を放出します。この共有結合アシル酵素中間体は、活性化された水によってさらに分解され、生成物の後半を放出し、自由酵素を再生します。プロテオリシスは非常に多様であり、広範囲のタンパク質基質が加水分解される可能性があります。これは、消化酵素トリプシンのケースであり、摂取されたタンパク質の配列を小さなペプチド断片に切り分けることができます。しかし、一般的に多様なプロテアーゼは、基質上の単一のアミノ酸に結合し、その残基に対してのみ特異性を持つことができます。一部のプロテアーゼは非常に特異的であり、特定の配列を持つ基質のみを消化します。この特異性のレベルは、血液凝固やウイルスポリプロテインにとって、正確な切断イベントを達成するための前提条件です。プロテアーゼは、自己自身がタンパク質であるため、他のプロテアーゼ分子、時には同じ種類のもので加水分解されることもあり、これはプロテアーゼ活性の調節方法として機能します。一部のプロテアーゼは自己分解後にあまり活性を示さず、他のプロテアーゼはより活性を示します。

機能

プロテアーゼに関する研究は、長い間、タンパク質の破壊のための鈍い攻撃者としての元々の役割に主に焦点を当ててきました。これらの非特異的な分解機能を超えて、プロテアーゼは新しいタンパク質生成物を生み出すための非常に特異的なプロテオリティック処理の反応を触媒し、プロテアーゼ研究の新しい時代を切り開きます。多くの発見が、プロテアーゼが多くの生物学的プロセスの制御において重要であることを示しており、これは多くのタンパク質の運命、局在、活性を調節し、タンパク質間相互作用を調整し、新しい生理活性分子を生成し、細胞情報の処理に寄与し、分子信号を生成、伝達、増幅することによって行われます。これらの多様な作用の結果、プロテアーゼはDNAの複製と転写、細胞の増殖と分化、形態形成と組織のリモデリング、熱ショックと未折りたたみタンパク質応答、炎症、免疫、アポトーシスなどに影響を与える可能性があります。

応用

プロテアーゼの研究価値は非常に大きく、プロテアーゼは産業、医学、生物技術に広く応用されています。生物におけるプロテアーゼの重要な役割に従い、プロテオリティックシステムの小さな変化は、神経変性疾患、癌、心血管疾患、炎症性疾患などの複数の病理学的状態の根底にある可能性があります。したがって、プロテアーゼは、潜在的な薬物ターゲットまたは診断および予後バイオマーカーとして、製薬業界で重要な役割を果たします。さまざまなプロテアーゼが、元の機能または完全に人工的な機能のために医療に応用されています。プロテアーゼは、発達の手がかりや環境の変化を反映して、特定の植物タンパク質の処理、成熟、または破壊にも寄与します。同様に、多くの感染微生物は、複製のためにプロテアーゼを必要とし、または病原性因子として扱い、これにより人間の生活に大きく関連する疾患の管理のためのプロテアーゼ標的療法の開発が加速されました。プロテアーゼは、バイオテクノロジー産業においても主要な焦点であり、生化学試薬としての有用性や多数の製品の製造において重要です。消化プロテアーゼは、多くの洗濯用洗剤の一部として、またパン改良剤としてパン産業でも広く使用されることがあります。

生物多様性

プロテアーゼは、原核生物から真核生物、ウイルスに至るまで、すべての生物に存在し、食物タンパク質の単純な消化から高度に調整されたカスケードまで、さまざまな生理反応に関与しています。機能が知られている植物のプロテアーゼは、主に発達の調節に関与し、光合成の調節にも役割を果たします。動物のプロテアーゼは、食物中のタンパク質を消化し、代謝を制御するのに役立ちます。細菌によって分泌されるプロテアーゼは、タンパク質のリサイクルにおける全球的な炭素および窒素循環に特に重要であり、これらの生物における栄養信号によって調節される傾向があります。細菌のプロテアーゼは、外毒素または病原性因子として機能することもあり、細菌の病原性を引き起こすことがあります。ウイルス由来のプロテアーゼは高い特異性を示し、非常に制限された基質配列のみを切断します。プロテアーゼは、タンパク質のアミノ酸配列に応じて特定のペプチド結合を切断することによって制限されたプロテオリシスを実行するか、ペプチドをアミノ酸に完全に分解することによって無制限のプロテオリシスを実行することができます。その活性は、タンパク質の機能を廃止することによる破壊的な変化であるか、またはそれを主要な成分に消化することができ、機能の活性化やシグナル伝達経路におけるシグナルであることもあります。

参考文献