بيبسين

إنزيم البيبسين ( يُلفظ : / ˈpɛpsɪn / ) هو إنزيم داخلي يُحلل البروتينات إلى ببتيدات وأحماض أمينية أصغر . وهو أحد الإنزيمات الهاضمة الرئيسية في الجهاز الهضمي للإنسان والعديد من الحيوانات الأخرى، حيث يُساعد على هضم البروتينات الموجودة في الطعام . البيبسين هو بروتياز أسبارتيك ، يستخدم حمض الأسبارتيك كمحفز في موقعه النشط . ^{[ 2 ]}

يُعدّ البيبسين أحد الإنزيمات الداخلية الثلاثة الرئيسية ( الإنزيمات التي تقطع البروتينات من المنتصف) في الجهاز الهضمي البشري ، إلى جانب الكيموتريبسين والتريبسين . كما توجد إنزيمات خارجية تزيل الأحماض الأمينية من طرفي البروتينات ( مثل الكاربوكسي ببتيدازات التي يُنتجها البنكرياس والأمينوببتيدازات التي تُفرزها الأمعاء الدقيقة). خلال عملية الهضم، تتعاون هذه الإنزيمات، التي يتخصص كل منها في قطع الروابط بين أنواع معينة من الأحماض الأمينية ، لتفكيك البروتينات الغذائية إلى مكوناتها، أي الببتيدات والأحماض الأمينية، التي يسهل امتصاصها في الأمعاء الدقيقة . يتميز البيبسين بنطاق واسع ^من التخصص في القطع، ولكن بعض الأحماض الأمينية مثل التيروسين والفينيل ألانين والتريبتوفان تزيد من احتمالية القطع. ^[ 3 ^]

يتم إطلاق طليعة إنزيم البيبسين ، البيبسينوجين، من قبل الخلايا الرئيسية في جدار المعدة، وعند اختلاطه مع حمض الهيدروكلوريك الموجود في العصارة المعدية ، يتم تنشيط البيبسينوجين ليصبح بيبسين. ^{[ 2 ]}

كان البيبسين أحد أوائل الإنزيمات التي اكتشفها ثيودور شوان عام 1836. وقد اشتق شوان اسمه من الكلمة اليونانية πέψις (pepsis) ، والتي تعني " الهضم " (من πέπτειν (peptein ) بمعنى "يهضم"). ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} وقد تبين أن مادة حمضية قادرة على تحويل الأطعمة النيتروجينية إلى مواد قابلة للذوبان في الماء هي البيبسين. ^{[ 8 ]}

في عام 1928، أصبح أحد أوائل الإنزيمات التي تم بلورتها عندما قام جون إتش نورثروب ببلورتها باستخدام الغسيل الكلوي والترشيح والتبريد. ^{[ 9 ]}

يتم التعبير عن البيبسين على شكل طليعة تسمى البيبسينوجين ، والتي تحتوي بنيتها الأولية على 44 حمضًا أمينيًا إضافيًا مقارنة بالإنزيم النشط.

في المعدة، تفرز الخلايا الرئيسية المعدية البيبسينوجين. يُنشط هذا الإنزيم الأولي بواسطة حمض الهيدروكلوريك (HCl)، الذي يُفرز من الخلايا الجدارية في بطانة المعدة. يحفز هرمون الغاسترين والعصب المبهم إفراز كل من البيبسينوجين وحمض الهيدروكلوريك من بطانة المعدة عند تناول الطعام. يُهيئ حمض الهيدروكلوريك بيئة حمضية، مما يسمح للبيبسينوجين بالتفكك والتحلل الذاتي ، مُنتجًا بذلك البيبسين (الشكل النشط). يقوم البيبسين بفصل الأحماض الأمينية الـ 44 من البيبسينوجين لإنتاج المزيد من البيبسين.

تُصنف البيبسينوجينات بشكل رئيسي إلى 5 مجموعات مختلفة بناءً على بنيتها الأساسية: البيبسينوجين أ (ويسمى أيضًا البيبسينوجين 1)، والبيبسينوجين ب، والبروجاستريسين (ويسمى أيضًا البيبسينوجين 2 والبيبسينوجين ج)، والبروشيموسين (ويسمى أيضًا البرورينين)، والبيبسينوجين و (ويسمى أيضًا البروتين السكري المرتبط بالحمل). ^{[ 10 ]}

يكون إنزيم البيبسين أكثر نشاطًا في البيئات الحمضية التي تتراوح درجة حموضتها بين 1.5 و2.5. ^{[ 11 ] [ 12 ]} وبناءً على ذلك، فإن موقع تصنيعه ونشاطه الرئيسي هو المعدة ( درجة حموضة تتراوح بين 1.5 و2). يصل تركيز البيبسين في معدة الإنسان إلى 0.5-1  ملغم/مل. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

يكون إنزيم البيبسين غير نشط عند درجة حموضة 6.5 وما فوق؛ ومع ذلك، لا يتحلل البيبسين تمامًا أو يُعطَّل بشكل لا رجعة فيه إلا عند درجة حموضة 8.0. ^{[ 11 ] [ 15 ]} لذلك، يمكن إعادة تنشيط البيبسين في محاليل تصل درجة حموضتها إلى 8.0 عند إعادة زيادة الحموضة. ولثبات البيبسين عند درجات الحموضة العالية آثارٌ بالغة الأهمية على الأمراض المنسوبة إلى الارتجاع الحنجري البلعومي . يبقى البيبسين في الحنجرة بعد حدوث ارتجاع معدي. ^{[ 16 ] [ 17 ]} عند متوسط ​​درجة حموضة البلعوم الحنجري (درجة الحموضة = 6.8)، يكون البيبسين غير نشط، ولكنه قد يُعاد تنشيطه عند حدوث ارتجاع حمضي لاحق، مما يؤدي إلى تلف الأنسجة الموضعية.

يُظهر إنزيم الببسين نطاقًا واسعًا من التخصص في التحلل. إذ يهضم ما يصل إلى 20% من روابط الأميد المبتلعة. ^{[ 18 ]} تُعدّ البقايا الموجودة في الموضعين P1 وP1' ^{[ 19 ]} الأكثر أهمية في تحديد احتمالية التحلل. عمومًا، تزيد الأحماض الأمينية الكارهة للماء في الموضعين P1 وP1' من احتمالية التحلل. ويؤدي وجود الفينيل ألانين والليوسين والميثيونين في الموضع P1، والفينيل ألانين والتريبتوفان والتيروسين في الموضع P1 ' إلى أعلى احتمالية للتحلل . [ ^{3 ] [ 18 ] : 675 ويُثبّط} التحلل بوجود الأحماض الأمينية موجبة الشحنة، مثل الهيستيدين والليسين والأرجينين ، في الموضع P1. ^{[ 3 ]}

يُعدّ البيبسين أحد الأسباب الرئيسية لتلف الغشاء المخاطي أثناء الارتجاع الحنجري البلعومي . ^{[ 20 ] [ 21 ]} يبقى البيبسين في الحنجرة (درجة حموضة 6.8) بعد حدوث ارتجاع معدي. ^{[ 16 ] [ 17 ]} على الرغم من كونه غير نشط إنزيميًا في هذه البيئة، إلا أن البيبسين يبقى مستقرًا ويمكن إعادة تنشيطه عند حدوث ارتجاع حمضي لاحق. ^{[ 15 ]} يؤدي تعرّض الغشاء المخاطي للحنجرة للبيبسين النشط إنزيميًا، وليس للبيبسين المُعطّل بشكل لا رجعة فيه أو للحمض، إلى انخفاض في التعبير عن البروتينات الواقية، وبالتالي زيادة قابلية الحنجرة للتلف. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

قد يُسبب البيبسين أيضًا تلفًا في الغشاء المخاطي أثناء الارتجاع المعدي ضعيف الحموضة أو غير الحمضي. يرتبط الارتجاع ضعيف الحموضة أو غير الحمضي بأعراض الارتجاع وتلف الغشاء المخاطي. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} في الظروف غير الحمضية (درجة حموضة متعادلة)، يتم استيعاب البيبسين داخل خلايا المجاري التنفسية العلوية، مثل الحنجرة والبلعوم السفلي، من خلال عملية تُعرف باسم الالتقام الخلوي بوساطة المستقبلات . ^{[ 26 ]} لا يزال المستقبل الذي يتم من خلاله استيعاب البيبسين غير معروف. عند امتصاصه من قبل الخلية، يُخزن البيبسين في حويصلات داخلية ذات درجة حموضة منخفضة، حيث يُستعاد نشاطه الإنزيمي. يبقى البيبسين داخل الخلية لمدة تصل إلى 24 ساعة. ^{[ 27 ]} يؤدي التعرض للبيبسين عند درجة حموضة متعادلة، ودخوله إلى الخلايا، إلى تغييرات في التعبير الجيني المرتبط بالالتهاب، وهو ما يفسر علامات وأعراض الارتجاع المعدي المريئي، ^{[ 28 ]} وتطور الأورام. ^{[ 29 ]} تشير هذه الدراسة وغيرها ^{[ 30 ]} إلى تورط البيبسين في التسرطن الناتج عن الارتجاع المعدي المريئي.

يُعتبر البيبسين في عينات مجرى الهواء مؤشرًا حساسًا ودقيقًا لارتجاع المريء إلى البلعوم. ^{[ 31 ] [ 32 ]} ولا تزال الأبحاث جارية لتطوير أدوات علاجية وتشخيصية جديدة تستهدف البيبسين لعلاج ارتجاع المريء. ويتوفر الآن اختبار تشخيصي سريع وغير جراحي للبيبسين يُسمى "بيبتيست"، والذي يحدد وجود البيبسين في عينات اللعاب. ^{[ 33 ]}

قد يُثبَّط إنزيم البيبسين بفعل ارتفاع الرقم الهيدروجيني (انظر النشاط والاستقرار ) أو بواسطة مركبات مثبطة. يُعدّ البيبستاتين مركبًا منخفض الوزن الجزيئي ومثبطًا قويًا ومتخصصًا للبروتيازات الحمضية، حيث يبلغ ثابت تفككه التثبيطي (Ki) حوالي 10⁻¹⁰ ^مولار للبيبسين. يُعتقد أن بقايا الستاتين في البيبستاتين هي المسؤولة عن تثبيطه للبيبسين؛ ويُعتبر الستاتين نظيرًا محتملاً لحالة الانتقال في عملية التحفيز بواسطة البيبسين والبروتيازات الحمضية الأخرى. لا يرتبط البيبستاتين بالبيبسين بروابط تساهمية، وبالتالي فإن تثبيط البيبسين بواسطة البيبستاتين قابل للعكس. ^{[ 34 ]} يُعطِّل 1-ثنائي(ديازواسيتيل)-2-فينيل إيثان إنزيم البيبسين بشكل عكسي عند الرقم الهيدروجيني 5، وهو تفاعل يتسارع بوجود أيونات النحاس الثنائي (Cu(II)). ^{[ 35 ]}

يُثبَّط إنزيم البيبسين الخنزيري بواسطة مثبط البيبسين-3 (PI-3) الذي تُنتجه الدودة الأسطوانية الكبيرة للخنزير ( Ascaris suum ). ^{[ 36 ]} يشغل PI-3 الموقع النشط للبيبسين باستخدام بقاياه الطرفية N، وبالتالي يمنع ارتباط الركيزة . ترتبط بقايا الأحماض الأمينية 1-3 (جلوتامين-فينيل ألانين-ليوسين) من PI-3 الناضج بمواقع P1' - P3' للبيبسين. يتموضع الطرف N لـ PI-3 في معقد PI-3:بيبسين بواسطة روابط هيدروجينية تُشكِّل صفيحة بيتا ثمانية الخيوط ، حيث يُساهم البيبسين بثلاثة خيوط، بينما يُساهم PI-3 بخمسة خيوط. ^{[ 36 ]}

يثبط أحد نواتج هضم البروتين بواسطة إنزيم البيبسين هذا التفاعل. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

كما أن السكرالفات ، وهو دواء يستخدم لعلاج قرحة المعدة وغيرها من الحالات المرتبطة بالبيبسين، يثبط نشاط البيبسين. ^{[ 39 ]}

يُستخلص البيبسين التجاري من الطبقة الغدية لمعدة الخنزير. وهو أحد مكونات المنفحة المستخدمة لتخثير الحليب أثناء صناعة الجبن. يُستخدم البيبسين في تطبيقات متنوعة في صناعة الأغذية: لتعديل بروتين الصويا والجيلاتين ومنحهما خصائص الخفق، ^{[ 40 ]} ولتعديل البروتينات النباتية لاستخدامها في الوجبات الخفيفة غير الألبانية، ولتحويل الحبوب المطبوخة مسبقًا إلى عصيدة ساخنة سريعة التحضير، ^{[ 41 ]} ولتحضير مُحللات البروتينات الحيوانية والنباتية لاستخدامها في نكهة الأطعمة والمشروبات. كما يُستخدم في صناعة الجلود لإزالة الشعر والأنسجة المتبقية من الجلود، وفي استخلاص الفضة من أفلام التصوير الفوتوغرافي التالفة عن طريق هضم طبقة الجيلاتين التي تحمل الفضة. ^{[ 42 ]} تاريخيًا، كان البيبسين مُضافًا إلى علكة بيمان، التي ابتكرها الدكتور إدوين إي. بيمان.

يُستخدم البيبسين عادةً في تحضير أجزاء F(ab')2 من الأجسام المضادة. في بعض الاختبارات، يُفضّل استخدام جزء ارتباط المستضد (Fab) فقط من الجسم المضاد . في هذه التطبيقات، يمكن هضم الأجسام المضادة إنزيميًا لإنتاج جزء Fab أو جزء F(ab')2. لإنتاج جزء F(ab')2، يُهضم IgG بالبيبسين، الذي يفصل السلاسل الثقيلة بالقرب من منطقة المفصل. ^{[ 43 ]} تبقى واحدة أو أكثر من روابط ثنائي الكبريتيد التي تربط السلاسل الثقيلة في منطقة المفصل، لذا تبقى منطقتا Fab من الجسم المضاد متصلتين معًا، مما ينتج عنه جزيء ثنائي التكافؤ (يحتوي على موقعي ارتباط بالأجسام المضادة)، ومن هنا جاءت تسمية F(ab')2. تبقى السلاسل الخفيفة سليمة ومتصلة بالسلسلة الثقيلة. يُهضم جزء Fc إلى ببتيدات صغيرة. تُنتج أجزاء Fab عن طريق فصل IgG بالباباين بدلًا من البيبسين. يقوم إنزيم البابايين بفصل IgG فوق منطقة المفصل التي تحتوي على روابط ثنائي الكبريتيد التي تربط السلاسل الثقيلة، ولكن أسفل موقع رابطة ثنائي الكبريتيد بين السلسلة الخفيفة والسلسلة الثقيلة. ينتج عن ذلك قطعتان منفصلتان أحاديتان التكافؤ (تحتوي كل منهما على موقع ارتباط واحد بالأجسام المضادة) من نوع Fab وقطعة Fc سليمة. يمكن تنقية هذه القطع باستخدام الترشيح الهلامي، أو التبادل الأيوني، أو كروماتوغرافيا التقارب. ^{[ 44 ]}

تُستخدم أجزاء الأجسام المضادة Fab وF(ab')2 في أنظمة الفحص التي قد يُسبب فيها وجود منطقة Fc مشاكل. ففي أنسجة مثل العقد اللمفاوية أو الطحال، أو في مستحضرات الدم المحيطي، توجد خلايا تحتوي على مستقبلات Fc (الخلايا البلعمية، والخلايا الوحيدة، والخلايا اللمفاوية البائية، والخلايا القاتلة الطبيعية)، والتي قد ترتبط بمنطقة Fc للأجسام المضادة السليمة، مما يُسبب تلوينًا خلفيًا في مناطق لا تحتوي على المستضد المستهدف. يضمن استخدام أجزاء F(ab')2 أو Fab ارتباط الأجسام المضادة بالمستضد وليس بمستقبلات Fc. قد تكون هذه الأجزاء مرغوبة أيضًا لتلوين مستحضرات الخلايا في وجود البلازما، لأنها لا تستطيع الارتباط بالمتممة، التي قد تُحلل الخلايا. تسمح أجزاء F(ab')2، وبشكل أكبر أجزاء Fab، بتحديد موقع المستضد المستهدف بدقة أكبر، أي عند تلوين الأنسجة للمجهر الإلكتروني. تُمكّن خاصية التكافؤ الثنائي لجزء F(ab')2 من ربط المستضدات بشكل متقاطع، مما يسمح باستخدامه في فحوص الترسيب، أو تجميع الخلايا عبر المستضدات السطحية، أو فحوص تكوين الوريدات. ^{[ 45 ]}

الجينات الثلاثة التالية تشفر إنزيمات البيبسينوجين A البشرية المتطابقة:

يوجد جين بشري رابع يشفر إنزيم الغاستريسين المعروف أيضاً باسم البيبسينوجين سي:

• قاعدة بيانات MEROPS الإلكترونية للببتيدازات ومثبطاتها: بيبسين أ A01.001 ( مؤرشف بتاريخ 20 مارس 2008 في Wayback Machine) ، بيبسين ب A01.002 ( مؤرشف بتاريخ 21 ديسمبر 2007 في Wayback Machine) ، بيبسين ج (غاستريسين) A01.003 ( مؤرشف بتاريخ 2 يونيو 2020 في Wayback Machine)
• بيبسين+أ في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب
• البيبسينوجينات في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب
• بيبسينوجين+أ في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب
• بيبسينوجين + سي في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب
• صمغ بيمانز
• الببسين: جزيء الشهر، مؤرشف بتاريخ 30 نوفمبر 2015 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) ، بقلم ديفيد جودسيل، بنك بيانات البروتين RCSB
• نظرة عامة على جميع المعلومات الهيكلية المتاحة في قاعدة بيانات البروتينات (PDB) لـ UniProt : P20142 (الهرمون الغاستريسيني البشري) في قاعدة بيانات البروتينات (PDBe-KB) .
• نظرة عامة على جميع المعلومات الهيكلية المتاحة في قاعدة بيانات البروتينات (PDB) لـ UniProt : P0DJD7 (Pepsin A-4) في PDBe-KB .