Мы постоянно взаимодействуем с белками и пептидами. Эти вещества поступают с пищей, которую надо расщепить на аминокислоты и использовать для нужд организма. Кожа и внутренние органы сталкиваются с белковыми и пептидными соединениями, выделяемыми микробами, паразитами, раковыми клетками.
Наш организм сам производит множество таких веществ, которые впоследствии требуется инактивировать, разбив на аминокислоты. Поэтому в нашем теле вырабатываются разнообразные ферменты, расщепляющие белки и пептиды.
Сфера деятельности ферментов не ограничивается естественными физиологическими процессами. Такие вещества, выделенные из растений, животных или созданные искусственно, применяются в самых разных отраслях. Что это за соединения, как они образуются, работают и где применяются.
Что такое белки и пептиды, чем отличаются эти соединения
Чтобы разобраться, как функционируют такие ферменты, нужно изучить структуру белков и пептидов, а также понять их различия.
По структуре белки и пептиды схожи: оба состоят из аминокислот, соединенных пептидными связями. Разница заключается только в длине аминокислотных цепей: олигопептиды содержат 2 до 20 аминокислот, а полипептиды — более 20.
Белки отличаются от пептидов большим количеством аминокислот (от 100 и более) и сложной многоуровневой структурой. Это крупные объемные молекулы с большей молекулярной массой по сравнению с пептидами.
Ферменты для расщепления таких веществ синтезируются разными органами и тканями. Но особенно активно это происходит в пищеварительной системе. Поджелудочная железа, например, производит более 20 видов протеолитических ферментов, используемых для этой цели. Они поступают в тонкий кишечник, где переваривают пищу, богатую белковыми и пептидными соединениями.
Какие ферменты расщепляют белки и пептиды
Расщепление белковых соединений в нашем организме происходит за счет двух видов ферментов: протеаз и пептидаз. Хотя названия и функции соединений схожи, вещества выполняют разные задачи:
- Протеазы – разрушители белков (протеинов). Разбивают молекулярные связи в белковых молекулах. Белки превращаются в усваиваемые аминокислоты, которые может использовать наш организм.
- Пептидазы (пептидгидролазы, пептидил-пептидгидролазы), разрушители пептидов. Работают по тому же принципу, что и протеазы, но специализируются на более мелких пептидных соединениях.
Ферменты помогают организму поддерживать белково-пептидный баланс, необходимый для функционирования органов и систем. При нехватке собственных соединений, способных расщепить пептиды и белки, проводится заместительная терапия.
Больные принимают лекарства, в состав которых входят протеазы и пептидазы, полученные из растений, животных или синтезированные искусственным путем.
Типы протеаз – ферментов, расщепляющих белки
Эти вещества превращают белки, поступающие с пищей, в усвояемые аминокислоты. Протеазы расщепляют и наши собственные белковые соединения, если они стали не нужны или присутствуют в избыточном количестве. Например, участвуют в разрушении гормонов и нейропептидов – веществ, вырабатываемых нервной системой. Из получившихся аминокислотных «кирпичей» организм собирает новые белки. Протеазы также разрушают белковые соединения, принадлежащие вирусам, микробам и паразитам.
Без протеаз невозможны оплодотворение, свертывание крови, работа иммунной системы, гормональная регуляция. Нарушения ферментативной функции приводят к тяжелым заболеваниям: мышечной дистрофии, авитаминозу, эмфиземе легких, воспалению поджелудочной железы, снижению иммунитета.
Протеазы, или протеолитические ферменты, классифицируют по строению и механизму действия:
- Сериновые. Имеют в составе аминокислоту серин. Участвуют в пищеварении, свертывании крови и иммунных реакциях. Некоторые сериновые протеазы могут разрушать белки вирусов, поэтому используются в антивирусных средствах, например, в «Нарлапревире», применяемом для лечения вирусного гепатита C.
- Цистеиновые. Соединения, содержащие в составе фрагмент аминокислоты цистеина. В организме содержится огромное количество цистиновых пептидаз: каспаз, катепсинов и кальпаинов, участвующих в работе иммунной системы. Эти вещества выполняют и другие важные функции. Например, каспаза 2 защищает клетки от окисления, предотвращает повреждение ДНК и нарушения деления клеток, приводящие к развитию раковых опухолей. Хорошо известны растительные цистиновые каспазы: бромелаин, актинидин, фицин, используемые для снижения веса, улучшения пищеварения, уменьшения концентрации холестерина.
- Металлопротеазы. Используют для своей активности ионы металлов, например, цинк. Разрушают все типы белков внеклеточного матрикса – сложной структуры, соединяющей клетки воедино. Участвуют в заживлении ран, процессе свертывания крови, восстановлении тканей, сдерживают развитие опухолей.
- Аспартиловые. Содержат фрагменты аспарагиновой кислоты. Примеры таких соединений — катепсин, разрушающий белки болезнетворных бактерий, и ренин, регулирующий кровяное давление. Существуют вредные аспарагиновые протеазы. Например, такой фермент выделяет возбудитель ВИЧ для своего размножения.
Пептидазы, как и протеазы, расщепляют пептидные связи между аминокислотами. Однако они специализируются на более коротких соединениях – пептидах. Ферменты классифицируются по механизму действия – способу разрыва аминокислотных связей:
- Эндопептидазы. Разрывают связи внутри цепочки аминокислот. К этой группе относится, например, аспарагинилэндопептидаза (AEP) — соединение, разрезающее тау-белок в головном мозге на фрагменты. Именно это соединение считается причиной болезни Альцгеймера. Есть и полезные эндопептидазы, например, пепсин, трипсин, химотрипсин, гастриксин и химозин, необходимые для пищеварения.
- Экзопептидазы. Работают на концах пептидных цепей, расщепляя аминокислоты с одной или другой сторон. Ферменты, которые это делают с N-конца, где находится аминогруппа NH2, называют аминосипепсидазами, а которые отделяют пептиды с другой стороны, где расположена карбоновая группа COOH – карбоксипепсидазами. К этой категории относятся пищеварительные ферменты: карбоксипептидаза А и В, пролиназа, пролидаза, аланин- и лейцин-аминопептидаза.
Пептидазы используют различные механизмы расщепления пептидов. Они могут использовать остаток какой-либо аминокислоты, например, серина, который вступает в реакцию с пептидным соединением и вызывает его распад. Некоторые пептидазы расщепляют пептидные цепочки с помощью ионов металлов. Метод зависит от расположения аминокислотных остатков в пептиде, который нужно разбить на части.
Сегодня известно примерно две тысячи видов пептидаз, но ученые предполагают, что их число превышает 25 000. Для удобства открытые ферменты внесли в базу данных, разделив на 250 семейств. В каждом семействе находятся вещества, близкие по строению и свойствам. Семейства, в свою очередь, объединены в 60 кланов. Исследование пептидаз — перспективное направление, которое приведет к созданию новых лекарств и других полезных веществ.
Как ферменты сообща расщепляют белки и пептиды
Пептидазы прекрасно взаимодействуют друг с другом. Они работают в связке с гормонами и другими биологически активными соединениями. Рассмотрим такую «командную» работу на примере пищеварения.
Когда пища попадает в пищеварительный тракт, клетки слизистой оболочки желудка начинают выделять пепсин. Этот фермент образуется из своего предшественника – профермента пепсиногена, под воздействием соляной. Пепсин относится к эндопептидазам, способным расщепить крупные белковые молекулы.
Затем пища попадает в тонкий кишечник, где продолжается процесс распада пептидов и белков на аминокислоты. В процессе участвуют S-клетки слизистой кишечной оболочки, которые выделяют гормон секретин. Под его воздействием поджелудочная железа начинает вырабатывать пищеварительные соки, содержащие разнообразные ферменты.
Пищеварение завершают аминопептидазы и дипептидазы, выделяемые клетками щеточной каймы кишечника. Получившиеся аминокислоты имеют небольшой размер молекул, поэтому впитываются в кровь. Организм может их использовать в качестве строительного материала для собственных белков и пептидов.
По принципу совместного действия работают и ферменты в пищеварительном тракте животных. Просто там присутствуют другие вещества.
Где применяются ферменты, расщепляющие белки и пептиды
Протеазы и пептидазы, полученные из животных, растений или синтезированные искусственно, применяют в самых разных областях:
- Фармацевтической промышленности. Из них изготавливают антиоксидантные, антидиабетические, антигипертензивные, противомикробные, противоопухолевые, гипохолестеринемические и другие препараты. Ферменты входят в состав средств для очистки контактных линз.
- Производстве косметики. Вещества, расщепляющие белки и пептиды, входят в состав уходовых средств, применяемых для отшелушивания и отбеливания кожи.
- В пищевой промышленности. Такие ферменты применяют для размягчения мяса, обесцвечивания крови, изготовления соусов, соевых продуктов, теста, производства напитков.
- Изготовление кормов. Вещества, расщепляющие пептиды и белки, используют для изготовления комбикормов и аквакормов для рыб.
- Производстве различных биохимических препаратов. Ферменты добавляют в моющие средства, составы для прочистки труб, выделки кожи, обработки тканей.
- Переработки отходов и охраны окружающей среды. Смесями, содержащими такие компоненты, очищают сточные воды. Эти вещества можно применять даже для обработки твердых и опасных отходов, богатых белковыми и пептидными компонентами. Протеазы и пептидазы разобьют их на нетоксичные аминокислоты.
После дополнительного изучения ферментов, расщепляющих белки и пептиды, несомненно, появятся новые предложения по их использованию. Полностью натуральные соединения не вредят природе, не влияют на поголовье животных и птиц, из них можно изготавливать препараты, хорошо воспринимаемые организмом.
Наша компания разрабатывает технологию получения различных соединений, включая вещества, расщепляющие белки и пептиды. Проводим исследования, создаем технологии, масштабируем, выпускаем опытные образцы.
