Klinisch bedeutsame Serinproteasen

Funktion von Serinproteasen: Was ist Thrombin? Antwort
Thrombin ist eine Serin-Protease die lösliches Fibrinogen in unlösliches Fibrin überführt. Es wird auch als Gerinnungsfaktor II bezeichnet.

Betrachten Sie die Struktur von Thrombin

Nennen Sie mindestens eine Aminosäure, der Triade des aktiven Zentrums von Thrombin! Antwort
Serinproteasen haben die Aminosäure Serin im aktiven Zentrum. Ausserdem sind Histidin und Aspartat beteiligt.
Hervorheben der katalytischen Triade

Zeigen Sie die Seitenketten von Serin, Histidin, und Aspartat. Wie heissen die funktionellen Seitengruppen dieser Aminosäuren? Antwort

Evolution: Das nächste Bild zeigt die Unähnlichkeit zur Subtilisinfamilie.


Sehen Serin-Proteasen der Subtilisin-Familie ähnlich aus wie Thrombin! Antwort
Die 3D-Faltung ist völlig anders. Andererseits besteht eine hohe Ähnlichkeit der Lage der Katalytischen Triade bestehend aus Serin, Histidin, Aspartat.

Beide Proteinfamilien sind nicht Homolog. Der gleiche Enzymmechanismus hat sich als konvergenten Evolution unabhängig voneinander vor sehr langer Zeit entwickelt.
Klinische Frage: Welche Serinproteasen aus dem Pancreas kennen Sie und welche Funktion erfüllen sie? Antwort
Die 3D-Strukturen von Thrombin, Chymotrypsin und Trypsin sind sehr ähnlich.


Klinische Frage: Wann wird Pankreasenzym oral gegeben?
Bei exokriner Pankreasinsuffizienz Akuter Pankreatitis Bei endokriner Insuffizienz



Was sind Zymogene? Antwort
Zymogene sind inaktive Enzymvorstufen. Beispielsweise wird Chymotrypsinogen durch partielle Proteolyse in aktives Chymotrypsin umgewandelt.

Substratspezifität von Serinproteasen

Die Proteasen bevorzugen bestimmte Aminosäuren am Schnittort. Warauf beruht das? Antwort
Schlüssel-Schlossprinzip


Betrachten Sie die weiss eingezeichnete Proteinoberfläche im Bereich des aktiven Zentrums von Chymotrypsin. Da sie etwas durchsichtig ist, scheinen die Aminosäuren des aktiven Zentrums als gelbe Kugeln durch.

Finden Sie die ausgeprägte Vertiefung in Nachbarschaft des katalytischen Zentrums, das gross genug ist, die erste Aminosäureseitenkette des zu schneidenden Peptides aufzunehmen.

Warum schneidet Chymotrypsin bevorzugt nach Aminosäuren mit grosser hydrophober evtl. aromatischer Seitenkette ?Antwort
Die geräumige hydrophobe Grube kann die hydrophoben Seitenketten von Tyrosin, Tryptophan, oder Phenylalanin aber auch Leucin aufnehmen. Diese Grube dient der Unterbringung der ersten Aminosäurenseitenkette N-terminal vom Schnittort, deshalb der Name S1-Pocket.


Im Nächsten Bild wird das Chymotrypsin (weiss) zusammen mit Trypsin (rot) dargestellt:

Hat auch Trypsin eine ein voluminöse S1-Grube? Antwort
Ja. Allerdings befindet sich im Boden der Grube ein Aspartat mit einer Carboxylgruppe. Dieses Aspartat interagiert mit der Seitenkette des zu schneidenden Peptides.
Aspartat am Boden der S1-Grube im Trypsin verleiht negative Ladung. Es wird deshalb nach Arginin oder Lysin geschnitten weil deren positve Seitenketten angezogen werden.

Beleg durch Mutationsexperimente: PUBMED:Relocating a negative charge in the binding pocket of trypsin.



Nach welchen Aminosäuren schneidet Trypsin? Antwort
Nach Lysin oder Arginin, weil diese positiv geladene Seitenketten haben.


Nachfolgend werden Chymotrypsin (weiss) und Elastase (grün) vergleichend dargestellt.

Nach welchen Aminosäuren schneidet Elastase? Antwort

Hydrophobe Aminosäuren engen die S1-Tasche im Elastin ein.


Nach kleinen hydrophoben Aminosäuren wie Glycin und Alanin. Hier ist der Raum der Grube durch hydrophobe Aminosaeuren verkleinert.


Serpine

Was sind Serpine?Antwort
Serpin ist ein akronym für Serin Protease Inhibitor. Der Begriff bezeichnet eine Klasse von Proteasehemmstoffen mit ähnlicher 3D-Struktur. Strukturell zeichnen sich alle Serpine durch die Anwesenheit von drei β-Faltblättern und neun α-Helices aus, die zusammen eine unter Spannung stehende Struktur mit reaktivem Zentrum bilden. Dies führt dazu, dass jede proteolytische Spaltung an dieser Struktur zum Verlust der Inhibitor-Eigenschaft führt.


Das folgende Bild zeigt Thrombin (grün) und Antithrombin III (rot).


Wo wird die Protease versuchen, das Serpin zu zerschneiden?


Was heisst Selbstmord-Inhibitor und was heisst das für die Klinik?Antwort
Serpine sind so genannte Selbstmord-Inhibitoren Serpine besitzen eine mobile Schleife, die unter Spannung steht. Verlagerung dieser Schleife ruft eine Konformationsänderung in der gehemmten Preotease hervor. Es kommt zu einer irreversible Bindung zwischen Protease und Inhibitor bei dem das Acyl-Enzym-Intermediat eingefroren ist.

Klinik Bei WIKI:Disseminated intravascular_coagulation kommt es zu einem verbrauch von Gerinnungsfaktoren und auch ATIII. Oftmals erfordert die Therapie eine Infusion von ATIII.


Evolution: Das nächste Bild zeigt die Strukturähnlichkeit verschiedener Serpine.


Klinische Frage: Welche Erkrankungen beruhen auf einem Serpin-Mangel im Blutplasma?Antwort


Klinische Frage: Nennen Sie Serinproteasen im Blutplasma? Antwort
Elastase, Kollagenase, Gerinnungsfaktoren, Protein C, Komplementfaktor C1, Kallikrein

Die Serin-Proteasen vom Subtilisin-Typ kommen im Menschen nicht vor. Wir haben Proteasen dieser Familie im Praktikum (DNA-Gewinnung) benutzt.

Fortpflanzung: Acrosomale Serinprotease


Klinische Frage: Wie kommen Serinproteasen in das Blutplasma?Antwort
Sie werden von Entzündungszellen im Rahmen der Immunabwehr freigesetzt. Der Komplementfaktor C1, Prokallikrein und Gerinnungsfaktoren werden in der Leber hergestellt. Sie können im Sinne eines Virulenzfaktors von Bakterien freigesetzt werden.



PUBMED: Exosite determinants of serpin specificity.
PUBMED: Serpin polymerization and its role in disease-the molecular basis of alpha1-antitrypsin deficiency.
PUBMED: Mechanisms of serpin dysfunction in disease.