بروتياز

يمكن تصنيف البروتيازات إلى سبع مجموعات واسعة: ^{[ 6 ]}

• بروتيازات السيرين - باستخدام كحول السيرين
• بروتيازات السيستين - باستخدام ثيول السيستين
• بروتيازات الثريونين - باستخدام كحول ثانوي من الثريونين
• بروتيازات الأسبارتيك - باستخدام حمض الأسبارتيك الكربوكسيلي
• بروتيازات الغلوتاميك - باستخدام حمض الغلوتامات الكربوكسيلي
• الميتالوبروتياز - باستخدام معدن ، عادة الزنك ^{[ 3 ] [ 4 ]}
• إنزيمات اللياس الببتيدية للأسباراجين - استخدام الأسباراجين لإجراء تفاعل إزالة (لا يتطلب الماء)

صُنفت البروتيازات لأول مرة إلى 84 عائلة وفقًا لعلاقاتها التطورية في عام 1993، وقُسمت إلى أربعة أنواع تحفيزية: بروتيازات السيرين، والسيستين، والأسبارتيك، والبروتيازات المعدنية. [7] لم تُكتشف بروتيازات الثريونين والجلوتاميك إلا في عامي 1995 و 2004 على ^{التوالي . تعتمد} آلية كسر الرابطة الببتيدية على جعل بقايا حمض أميني ، يحتوي على السيستين والثريونين (في البروتيازات) أو جزيء ماء (في بروتيازات الأسبارتيك والجلوتاميك والبروتيازات المعدنية)، نيوكليوفيلية بحيث يمكنها مهاجمة مجموعة الكربونيل في الببتيد . إحدى طرق تكوين النيوكليوفيل هي من خلال ثلاثية تحفيزية ، حيث تُستخدم بقايا الهيستيدين لتنشيط السيرين أو السيستين أو الثريونين كنيوكليوفيل. لا يُعدّ هذا تصنيفًا تطوريًا، إذ تطورت أنواع النيوكليوفيلات بشكل متقارب في عائلات فائقة مختلفة ، وتُظهر بعض العائلات الفائقة تطورًا متباينًا إلى نيوكليوفيلات متعددة ومختلفة. تستخدم البروتيازات المعدنية، وبروتيازات الأسبارتيك، وبروتيازات الغلوتاميك بقايا موقعها النشط لتنشيط جزيء ماء، والذي بدوره يهاجم الرابطة القابلة للكسر. ^{[ 8 ]}

يُمكن الاطلاع على تصنيف مُحدّث للعائلات الفائقة التطورية للبروتيازات في قاعدة بيانات MEROPS. ^{[ 10 ]} في هذه القاعدة، تُصنّف البروتيازات أولًا حسب "العشيرة" (العائلة الفائقة) بناءً على البنية والآلية وترتيب البقايا التحفيزية (مثل عشيرة PA حيث يشير الحرف P إلى مزيج من عائلات النيوكليوفيل). ضمن كل "عشيرة"، تُصنّف البروتيازات إلى عائلات بناءً على تشابه التسلسل ( مثل عائلتي S1 و C3 ضمن عشيرة PA). قد تحتوي كل عائلة على مئات من البروتيازات ذات الصلة (مثل التربسين والإيلاستاز والثرومبين والستربتوغريسين ضمن عائلة S1).

يُعرف حاليًا أكثر من 50 عشيرة، تشير كل منها إلى أصل تطوري مستقل لعملية تحلل البروتين. ^{[ 10 ]}

بدلاً من ذلك، يمكن تصنيف البروتيازات حسب درجة الحموضة المثلى التي تكون فيها نشطة:

• البروتيازات الحمضية
• البروتيازات المحايدة المشاركة في فرط الحساسية من النوع الأول . هنا، يتم إطلاقها بواسطة الخلايا البدينة وتسبب تنشيط المتممة والكينينات . ^{[ 11 ]} تشمل هذه المجموعة الكالبينات .
• البروتيازات القاعدية (أو البروتيازات القلوية )

يتم تحقيق التحفيز من خلال إحدى الآليتين التاليتين:

• تقوم البروتيازات الأسبارتيكية والجلوتاميكية والميتالية بتنشيط جزيء الماء، الذي يقوم بهجوم نيوكليوفيلي على الرابطة الببتيدية لتحليلها.
• تستخدم بروتيازات السيرين والثريونين والسيستين بقايا محبة للنواة (عادةً في ثلاثي تحفيزي ). تقوم هذه البقايا بهجوم محب للنواة لربط البروتياز تساهميًا ببروتين الركيزة، مما يؤدي إلى تحرير النصف الأول من الناتج. ثم يتم تحلل هذا الوسيط التساهمي من الأسيل-إنزيم بواسطة الماء النشط لإكمال التحفيز عن طريق تحرير النصف الثاني من الناتج وإعادة توليد الإنزيم الحر.

قد تكون عملية التحلل البروتيني غير انتقائية للغاية ، بحيث يتم تحلل مجموعة واسعة من البروتينات. وينطبق هذا على الإنزيمات الهاضمة مثل التربسين ، الذي يجب أن يكون قادرًا على شطر مجموعة البروتينات المبتلعة إلى أجزاء ببتيدية أصغر. ترتبط البروتيازات غير الانتقائية عادةً بحمض أميني واحد على الركيزة، وبالتالي يكون لها خصوصية تجاه هذا الحمض الأميني فقط. على سبيل المثال، يكون التربسين متخصصًا في التسلسلات ...K... أو ...R... (حيث '\' = موقع الشطر). ^{[ 12 ]}

في المقابل، تتميز بعض البروتيازات بتخصصها العالي، إذ لا تقطع إلا الركائز ذات التسلسل المحدد. ويتطلب تخثر الدم (مثل الثرومبين ) ومعالجة البروتينات الفيروسية المتعددة (مثل بروتياز TEV ) هذا المستوى من التخصص لتحقيق قطع دقيق. ويتحقق ذلك من خلال امتلاك البروتيازات لشق أو نفق ارتباط طويل يحتوي على عدة جيوب ترتبط ببقايا محددة. على سبيل المثال، بروتياز TEV متخصص في التسلسل ...ENLYFQ\S... (حيث '\' = موقع القطع). ^{[ 13 ]}

تُشطر البروتيازات، كونها بروتينات بحد ذاتها، بواسطة جزيئات بروتياز أخرى، قد تكون من نفس النوع. وهذا يُعدّ آلية لتنظيم نشاط البروتياز. فبعض البروتيازات تكون أقل نشاطًا بعد التحلل الذاتي (مثل بروتياز TEV )، بينما تكون بروتيازات أخرى أكثر نشاطًا (مثل التربسينوجين ).

تحتوي جينومات النباتات على مئات من البروتيازات، معظمها ذو وظائف غير معروفة. أما تلك ذات الوظائف المعروفة، فتشارك بشكل كبير في تنظيم النمو . ^{[ 14 ]} كما تلعب البروتيازات النباتية دورًا في تنظيم عملية التمثيل الضوئي . ^{[ 15 ]}

تُستخدم البروتيازات في جميع أنحاء الكائن الحي لعمليات أيضية متنوعة . تُسهّل البروتيازات الحمضية المُفرزة في المعدة (مثل البيبسين ) والبروتيازات السيرين الموجودة في الاثني عشر ( التربسين والكيموتريبسين ) هضم البروتين في الطعام. تلعب البروتيازات الموجودة في مصل الدم ( الثرومبين ، والبلازمين ، وعامل هاجمان ، وغيرها) دورًا هامًا في تخثر الدم، بالإضافة إلى تحلل الجلطات، والعمل السليم للجهاز المناعي. توجد بروتيازات أخرى في الكريات البيضاء ( الإيلاستاز ، والكاتيبسين G ) وتؤدي أدوارًا متعددة في تنظيم عمليات الأيض. بعض سموم الأفاعي هي أيضًا بروتيازات، مثل سم الأفعى الحفرية ، الذي يُعيق سلسلة تخثر الدم لدى الضحية. تُحدد البروتيازات عمر بروتينات أخرى تؤدي أدوارًا فسيولوجية هامة مثل الهرمونات والأجسام المضادة والإنزيمات الأخرى. هذه واحدة من أسرع آليات التنظيم "للتشغيل" و "للإيقاف" في فسيولوجيا الكائن الحي.

من خلال عمل تعاوني معقد، يمكن للبروتيازات أن تحفز تفاعلات متسلسلة ، مما يؤدي إلى تضخيم سريع وفعال لاستجابة الكائن الحي لإشارة فسيولوجية.

تفرز البكتيريا إنزيمات البروتياز لتحليل الروابط الببتيدية في البروتينات ، وبالتالي تفكيكها إلى أحماضها الأمينية المكونة لها . وتُعد إنزيمات البروتياز البكتيرية والفطرية ذات أهمية خاصة لدورات الكربون والنيتروجين العالمية في إعادة تدوير البروتينات، وعادةً ما يتم تنظيم هذا النشاط بواسطة إشارات غذائية في هذه الكائنات. ^{[ 16 ]} ويمكن ملاحظة التأثير الصافي للتنظيم الغذائي لنشاط إنزيمات البروتياز بين آلاف الأنواع الموجودة في التربة على مستوى المجتمع الميكروبي ككل، حيث يتم تكسير البروتينات استجابةً لنقص الكربون أو النيتروجين أو الكبريت. ^{[ 17 ]}

تحتوي البكتيريا على بروتيازات مسؤولة عن مراقبة جودة البروتين بشكل عام (مثل بروتيازوم AAA+ ) عن طريق تحطيم البروتينات غير المطوية أو المطوية بشكل خاطئ .

قد يعمل البروتياز البكتيري المُفرز أيضاً كسم خارجي، ويُعد مثالاً على عامل ضراوة في إمراضية البكتيريا (على سبيل المثال، السم المُقشِّر ). تُدمر البروتيازات الخارجية السامة للبكتيريا التراكيب خارج الخلوية.

تحتوي جينومات بعض الفيروسات على بروتين متعدد ضخم واحد ، يحتاج إلى إنزيم بروتياز لتقسيمه إلى وحدات وظيفية (مثل فيروس التهاب الكبد الوبائي سي وفيروسات البيكورنا ). ^{[ 18 ]} تتميز هذه البروتيازات (مثل بروتياز TEV ) بتخصص عالٍ، حيث لا تقطع إلا مجموعة محدودة جدًا من تسلسلات الركيزة. ولذلك، فهي هدف شائع لمثبطات البروتياز . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

تستخدم العتائق البروتيازات لتنظيم عمليات خلوية متنوعة ، بدءًا من الإشارات الخلوية والتمثيل الغذائي والإفراز ، وصولًا إلى مراقبة جودة البروتين. ^{[ 21 ] [ 22 ]} يوجد في العتائق نوعان فقط من البروتيازات المعتمدة على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP): بروتياز LonB المرتبط بالغشاء، ومركب بروتيازوم 20S قابل للذوبان . ^{[ 21 ]}

ترتبط البروتيازات بتطور السرطان لقدرتها على تحليل المصفوفات خارج الخلوية ، مما يسهل غزو الخلايا السرطانية وانتشارها ؛ تستهدف هذه الإنزيمات مجموعة متنوعة من الركائز وتفضل جميع مراحل تكوين الورم؛ بعض البروتيازات لها تأثيرات مثبطة للأورام ، وترتبط بأكثر من 30 إنزيمًا مختلفًا تنتمي إلى ثلاث فئات متميزة من البروتيازات. ^{[ 23 ]}