פרוטאז

פרוטאז הוא מושג בביוכימיה המתייחס לקבוצה של אנזימים (הנקראים גם אנזימים פרוטאוליטים, פרוטאזות, או פרוטאינאזות) שתפקידם הוא לפרק חלבונים לאבני הבניין הבסיסיות שלהם, חומצות אמינו, באמצעות הידרוליזה של הקשרים הפפטידים בחלבון.

סיווג

פעילות הפרוטאז מתרחש באופן טבעי בכל האורגניזמים. בגוף האדם ישנם כ- 500 סוגי פרוטאזות ומספר דומה מצוי גם בצמחים, חרקים, אורגניזמים ימיים. מוגדרות שש קבוצות עיקריות של פרוטאזות:

• סרין פרוטאזות - אנזימים פרוטאוליטיים המכילים סרין ריאקטיבית באתר הפעיל כקבוצה קטליטית החיונית לצורך הפעילות האנזימתית.
• תראונין פרוטאזות - אנזימים פרוטאוליטיים המכילים תראונין ריאקטיבית באתר הפעיל כקבוצה קטליטית החיונית לצורך הפעילות האנזימתית. זוהי קבוצה חדשה של אנזימים, שהתגלתה בשנת 1995.
• ציסטאין פרוטאזות - אנזימים פרוטאוליטיים מכילים ציסטאין ריאקטיבית באתר הפעיל כקבוצה קטליטית החיונית לצורך הפעילות האנזימתית.
• מטלופרוטאזות - אנזימים פרוטאוליטיים אשר פעילות ההידרוליזה שלהם תלויה בנוכחות אטום ברזל.
• אספרטיל פרוטאזות - אנזימים פרוטאוליטיים המכילים שתי חומצות אספרטיות באתר הפעיל כקבוצות קטליטיות.
• גלוטמט פרוטאזות - אנזימים פרוטאוליטיים בהם במנגנון הקטליזה חשובה חומצה גלוטמית. זוהי קבוצה חדשה של אנזימים פרוטאוליטיים, שהתגלתה בשנת 1994.

מנגנון פעולה

ערך מורחב – שלשה קטליטית

הפרוטאזות שייכות למחלקה של אנזימים הידועים כהידרוליזות המזרזות באופן קטליטי את ריאקציית ההידרוליזה (שבירת קשר על ידי הוספת מולקולת מים) של כל מיני סוגים של קשרים פפטידים. על פי המנגנון המוצע לפעילות של סרין, טראונין וציסטאין פרוטאזות, הקבוצה הקטליטית (המצוינת בשם הקבוצה) היא חלק משלשה קטליטית החיונית לצורך הפעילות הקטליטית. בשלשה הקטליטית החומצה האמינית היסטידין הופכת את סרין, ציסטאין או תראונין לנוקלאופיל, אשר תוקף את הפחמן הקרבונילי של הקשר הפפטידי. לחלופין (לדוגמה, במנגנון המוצע למטלופרוטאזות) מולקולת מים משמשת כנוקלאופיל. על מנת לזרז את הריאקציה, קבוצות קטליטיות, או אטום הברזל, מהאתר הפעיל מזרזים את יצירת הנוקלאופיל על ידי פולריזציה של מולקולת המים.

סלקטיביות

• פרוטאוליזה לא מוגבלת - הפרוטאז מבקע פפטיד שלם למרכיביו ללא תלות ברצף חומצות האמינו שלו.
• פרוטאוליזה מוגבלת - פרוטאזות סלקטיביות, אשר פעילותן תלויה ברצף חומצות האמינו של החלבון. ההידרוליזה מתבצעת רק על קשרים פפטידיים מוגדרים, ברצף חומצות אמינו ספציפי. בקבוצה זו ישנם פרוטאזות המסירים את חומצת האמינו מקצה הפפטיד בשרשרת החלבון. פרוטאזות אלו נקראות אקסופפטידאז (כגון קרבוקסיפפטידאז A, אמינופפטידאז). בנוסף, ישנן פרוטאזות התוקפות באמצע שרשרת הפפטיד ואלו נקראות אנדופפטידאז (כגון טריפסין, כימוטריפסין ופפסין). הסלקטיביות נקבעת על ידי מבנה האתר הפעיל וכיס ההיכרות של האנזים עם הסובסטראט.

תפקיד פיזיולוגי

פרוטאזות קובעות את זמן החיים של חלבונים אחרים המשתתפים בתפקידים פיזיולוגיים חשובים. פרוטאזות הם אנזימים שהאורגנזימים משתמשים בהם כל הזמן, עבור מגוון תהליכים מטבוליים ומעורבים בריאקציות פיזיולוגיות רבות: מעיכול פשוט של חלבונים המגיעים אלינו מן המזון עד לרצף תהליכים מבוקרים כגון קרישת דם, מערכת המשלים או אפופטוזיס. לדוגמה פרוטאזות חומציות מופרשות לקיבה (כמו פפסין) ומאפשרות לנו לעכל את החלבונים שאנו מקבלים דרך המזון. פרוטאזות נוכחות בסרום הדם (טרומבין, פלסמין) ומבצעות תפקיד חשוב בקרישת דם, כמו גם בפירוק קרישי הדם ובפעילות תקינה של מערכת החיסון (לדוגמה, בלויקוציטים). פירוק חלבונים באמצעות פרוטאזות יעיל גם כדי לעזור לגוף להלחם בזיהומים, בוירוסים, פטריות, פרזיטים ובקטריות.

מחסור בפרוטאז בגוף האדם

• מחסור בפרוטאז יכול לגרום לחרדה ונדודי שינה. מכיוון שהוא ישפיע על רמת האלקלין בדם ומאחר שהוא מעורב בנשיאת חלבוני הסידן בזרם הדם, מחסור בפרוטאז ישפיע גם על רגישות לדלקת פרקים, אוסטאופורוזיס ומחלות הקשורות למחסור בסידן.
• מאחר שהחלפת החלבון בגוף היא חיונית עבור הגלוקוז בגוף, בעיה קלה בעיכול חלבונים יכול להוביל למיעוט סוכר בדם, עצבנות, ושינויים קיצוניים במצב הרוח.
• פרוטאז משמש לניקוי חומרים לא נחוצים מהדם כמו גם וירוסים ובקטריות, מחסור בו יוכל לגרום לירידה ביעילות מערכת החיסון. הסימפטומים הם עצירות, דלקת חניכיים, בעיות בגב, בעיות שמיעה, לחץ דם גבוה ונדודי שינה.

מעכבים

ברפואה, פרוטאזות מייצגות מטרה פוטנציאלית חשובה להתערבות רפואית בגלל תפקידיהם המגוונים בוויסות הפעילות הפיזיולוגית. קיימות עשרות תרופות אשר מנגנון הפעילות שלהן הוא מעכב פרוטאזות. לדוגמה:

• רטרווירוסים כגון וירוס HIV או וירוס צהבת C התלויים בפרוטאזות כדי להמשיך את מעגל הרבייה שלהם. לכן, פותחו תרופות מיוחדות המעכבות פרוטאז כאמצעי אנטיויראלי וזהו כיום הטיפול היעיל ביותר כנגד וירוס ה- HIV.
• מעכב טרומבין, פרוטאז אנושי המעורב בקרישת הדם, נמצא בקרב אחד הטיפולים היעילים ביותר עבור שבץ מוחי ומחלות לב.
• מאחר שהפפטיד Angiotensin II גורם לכיווץ כלי דם, מעכב של הפרוטאז היוצר פפטיד זה (Angiotensin Converting Enzyme; ACE) משמש כתרופה כנגד לחץ דם גבוה ובעיות קרדיווסקולריות נוספות.