Les proteases o proteïnases són uns enzims presents en animals, plantes, bacteris, arqueobacteris i virus, encarregats de trencar seqüències polipeptídiques mitjançant la reacció d'hidròlisi dels enllaços peptídics que conformen les proteïnes, donant lloc a pèptids més petits o a aminoàcids individuals. Aquests enzims han evolucionat per fer aquestes reaccions mitjançant nombrosos mecanismes diferents i diferents classes de proteases poden realitzar la mateixa reacció mitjançant mecanismes catalítics completament diversos.[1]

Infotaula de proteïnaProteasa
Nombre ECE.C.3.X.Y.Z
Proteòlisi

Amb relació a la velocitat de la reacció d'hidròlisi, les proteases mostren una clara dependència pel que fa a l'ús de catalitzadors. Es calcula que en absència d'aquests, en una solució neutra a 25 °C la lisi de l'enllaç peptídic tardaria de l'ordre de centenars d'anys[2].

Aquests enzims es troben involucrats en una àmplia varietat de processos biològics com la digestió de proteïnes ingerides en la dieta, la coagulació de la sang[3], la funció immunològica[4], la maduració de prohormones [5], la formació dels ossos[6] i la mort cel·lular[7] entre d'altres .

Classificació de les proteases i les peptidasesModifica

Existeixen diversos tipus de classificacions de les proteases i les peptidases que tenen en compte el lloc d'hidrolització, el tipus d'aminoàcid present al centre actiu o el valor de pH òptim per a l'activitat de l'enzim.

Segons el lloc d'actuacióModifica

Segons el lloc d'actuació, les proteases i peptidases es classifiquen en:

  • Exopeptidases. Trenquen els enllaços peptídics dels extrems de la cadena polipeptídica alliberant d'aquesta manera els aminoàcids terminals. Les exopeptidases alhora es classifiquen en dipeptidases (només hidrolitzen dímers d'aminoàcids) i carboxipeptidases (hidrolitzen l'extrem carboxil lliure).
  • Endopeptidases. Hidrolitzen enllaços peptídics situats a l'interior de la cadena polipeptídica.

Segons l'aminoàcid present al centre actiuModifica

Les proteases es classifiquen tradicionalment en sis grups depenent de la naturalesa de l'aminoàcid present al centre actiu, encarregat de catalitzar la reacció. D'aquesta manera, distingim:

Serina proteasesModifica

Les serina proteases són hidrolases que degraden els enllaços peptídics de péptids i proteïnes. Aquestes proteïnes tallen la cadena polipeptídica al costat carboxil d’aminoàcids específics, és a dir, reconeixen sequencies de l’estructura primària.

Existeix un alt grau d’homogenitat estructural en quant a la conformació estructural d’aquesta classe de proteïnes que sugereix una relació evolutiva entre les mateixes.

Algún exemple de serina proteases són la tripsina,(que talla pel costat carboxilat dels residus bàsics) o la quimiotripsina  (que talla pel costat de residuus hidrofóbics)

Treonina proteasesModifica

Les treonina proteases són una família d’enzims proteolítics que contenen un residu de treonina al lloc actiu.  Mitjançant l’alcohol secundari del N-terminal d’aquesta treonina com a nucleòfil es produeix la càtalisi, que consta de dos etapes:

  • En primer lloc, el nucleòfil ataca el substrat per formar un intermediari acil-enzim, alliberant el primer producte.
  • A continuació, aquest intermediari s’hidrolitza per regenerar l’enzim lliure i alliberar el segon producte.

Les treonina proteases són un dels components principals del proteasoma. Alguns exemples d’aquesta familia de proteïnes serien el proteasoma d’arqueus, component beta o l’ornitina acetyltransferasa.

 
Mecanisme de reacció de l' escissió mediada per cisteïna proteasa d'un enllaç peptídic

Cisteïna proteasesModifica

Les cisteina proteases (o tiol proteases), són hidrolases que presenten un tiol de cisteína nucleòfil al centre actiu.

El primer pas del seu mecanisme de reacció consisteix en la desprotonació del tiol de l’enzim per un aminoàcid adjacent amb una cadena lateral bàsica. El seguent pas és l’atac nucleofílic del sofre aniónic de la cisteïna desprotonada sobre el carboni carbonilic del substrat. Com a resultat, s’allibera un fragment de substrat amb un extrem amino, el residu de la histidina de la proteasa torna a la seva forma desprotonada i es forma un intermediari de tioèster que uneix el nou carboxi-terminal del substrat amb el tiol de la cisteïna. Posteriorment, l’enllaç tioester s’hidrolitza per generar una fracció d’àcid carboxilic al fragment de substrat restant, a la vegada que es regenera l’enzim lliure.

Les cisteina proteases exerceixen funcions molt diverses com poden ser el creixement, desenvolupament i mobilització de proteïnes, participació en víes de senyalització, la resposta a l’estrés o la senescencia. Algunes proteïnes d’aquesta família són la papaïna, la caspasa-1 o a Catepsina K.

Aspartat proteasesModifica

Les aspartat proteases contenen generalment dos residus conservats d’aspartat al seu centre actiu i són òptimes a un pH àcid. Poden ser inhibides per pepstatina.

Metal·loproteasesModifica

És qualsevol enzim proteolitic el qual el seu mecansime catalític inclogui un metall.

Glutamat proteasesModifica

Les glutamat proteases contenen un residu d’àcid glutàmic i glutamina al seu centre actiu. Principalment es troben en fongs patogènics afectant plantes i humans.

Cal destacar que les treonina proteases i les glutamat proteases no van ser descrites fins a l'any 1995 i 2004, respectivament.

Segons el pH òptim d'actuacióModifica

Alternativament, les proteses també es poden classificar segons el pH òptim d'actuació en:

Proteases de pH àcid o proteases àcidesModifica

Presenten la màxima activitat i estabilitat en condicions de baix pH (pH 2,0-5,0) i s’inactiven a valors de pH superiors a 6,0. Les proteases àcides  tenen un punt isoelèctric baix i tenen pocs aminoàcids bàsics. S’utilitzen majoritariament dos tipus a la indústria alimentaria:

Proteases de pH neutreModifica

Presenten activitat i estabilitat màximes en pH neutres (6-7). Té un temps de resposta curt, produeix poques emissions quan són utilitzades a la indústria i una gran adaptabilitat a les condicions de reacció.Estan caracteritzades per tenir un ió divalent (Mg2+, Zn2+, and Ca2+) unit al lloc actiu. Poden ser dividides en quatre categories depenent del seu mecanisme de catalisi: Serina proteases, aspartic proteases, cisteïna proteasesmetaloproteases. Tot i que es troben a tot tipus de organismes, les més utilitzades industrialment són les bacterianes, especialemnt les produides per Bacillus Subtilis i Bacilus licheniformis.[8]

Proteases de pH bàsic o proteases alcalinesModifica

Presenten activitat i estabilitat màximes en un rang de pH de neutre a alcalí (7-12) i una temperatura de 60 a 80ºC. Tenen un punt isoelèctric alt i pocs aminoàcids àcids. Són estables quan es troben associades a agents quelants i perborats. Tenen una immensa imoportància económica ja que comprenen un terç de la mercat de detergents i són ampliament utilitzades a la indústria de la seda, fabricació de cervesa, farmacéutica i processament de menjar.[9]

A part d'aquestes classificacions, també existeixen classificacions més complexes com la classificació que recull la base de dades MEROPS - the Peptidase Database, que té en compte les similituds en l'estructura tridimensional, l'origen evolutiu, etc.

Rol de les proteases a la indústria alimentàriaModifica

Les proteases s'utilitzen àmpliament a la indústria alimentària, principalment en el processament de làctics, fleca, proteïna animal, proteïna vegetal, en l'estovament de la carn i en la síntesi de pèptids bioactius, els quals són els quehan estat fabricats amb unes propietats biològiques específiques com a resultat d’una digestió parcial amb proteases. Són produits a partir de varis tipus de fonts de proteïnes provinents d’aliments per tal d’usar-se com a un ingredient en el menjar actual.

L'objectiu final d'aquests enzims en l'àmbit alimentari és millorar les propietats funcionals del producte i la seva digestibilitat, la modificació dels aromes i els sabors, l'aparença i reduir les intoxicacions [10].

Un exemple podria ser l'ús de proteases en la síntesi de formatge per convertir el sèrum en la proteïna hidrolitzada o l'ús de proteases microbianes i fúngiques per estovar la carn [11].

Indústria cerveseraModifica

Com s'ha esmentat anteriorment, les proteases descomponen les proteïnes grans en proteïnes més petites o aminoàcids individuals. Això és vital en l'elaboració de la cervesa, ja que a l'industria cervesera és molt important assolir una concentració determinada de nitrogen durant la fermentació. Els llevats, que són necessaris per elaborar cervesa, utilitzen el nitrogen com a nutrient primari, aquest es troba a totes les proteïnes, però els llevats prefereixen el nitrogen lliure. Les proteases són fonamentals per escindir proteïnes i proporcionar aquest nitrogen lliure al llevat. L'àmplia varietat de proteases presents al mercat, perfectament caracteritzades, permeten als cervesers controlar el creixement dels llevats i la quantitat i la qualitat de l'escuma d'una cervesa[12]. Això és quelcom rellevant en aquest sector, ja que massa poca escuma pot fer que la cervesa sembli de menor qualitat, des del punt de vista estètic del consumidor.

La proteasa funciona conjuntament amb un altre enzim que trenca proteïnes, la peptidasa, per produir nitrogen lliure per al preuat llevat de la cervesa. Després que la proteasa finalitza una descomposició preliminar de proteïnes, la peptidasa talla aquestes cadenes escurçades en molècules encara més petites. La peptidasa descompon aquestes molècules des de l'exterior, mentre que la proteasa les divideix pel centre. A causa de l'estructura de les proteïnes, això significa que l'acció de trencament de la peptidasa allibera finalment nitrogen pels llevats [13].

Alhora, les proteases eviten que la cervesa adquireixi una terbolesa excessiva produïda generalment per una quantitat excessiva de proteïnes i polifenols o en el pitjor dels casos per una infecció bacteriana. L'enzim pot mitigar la presència de proteïnes precipitades i polifenols hidrolitzant-los, millorant la claredat de la beguda[14] .

Indústria del paModifica

Els principals compostos del pa són el midó i el gluten. Aquest darrer té un gran impacte tant en la massa com en el producte final i es troba format entre altres elements, per una xarxa de proteïnes composta per glutenines i gliadines.

Les proteases s'utilitzen a gran escala en la producció de pa, productes de forn i galetes. Aquests enzims es poden afegir per disminuir la consistència de la massa, reduir el temps de barreja, garantir la uniformitat de la massa, modificar la força del gluten al pa, controlar la textura del pa i millorar el sabor. A més, les proteases han substituït al bi-sulfit, que anteriorment s'utilitzava per controlar la consistència mitjançant la reducció dels enllaços disulfurs de proteïnes del gluten, mentre que la proteòlisi trenca els enllaços peptídics. En tots dos casos, l'efecte es tradueix en un debilitament similar de la xarxa de gluten. Quan les proteases es barregen a la mescla, es produeix una hidròlisi parcial que torna la massa suau i fàcil de treure i pastar.

Aquests enzims tenen un gran impacte en la reologia de la massa i la qualitat del pa possiblement a causa d'efectes sobre la xarxa de gluten, la qual es troba formada per glutenines i gliadines.

Producció de formatgeModifica

La producció de formatge actualment té una gran dependència de les aspartat proteases, ja que concretament són capaçes d’hidrolitzar per exemple la caseïna. Bàsicament trenquen l’enllaç pèptid entre els residus hidrofòbics. La textura i composició la qual s’aconsegueix té una gran demanda a nivell de mercat.

Al formgatge cottage la coagulació enzimàtica de la llet consta de dos passos, en el primer la caseïna es tallada en un macropèptid i un polipèptid. Seguidament a la segona fase apareix una coagulació de micel·les de caseïna.

Al formatge de tipus feta, utilitzant quimiocina el producte conté menys grassa, i en el cas que s’utilitzi pepsina en el procés el formatge acaba essent menys compacte.[15]

Procés d'estovament de la carnModifica

S’utilitzen proteases exògenes per tal de millorar el procés d’estovament de la carn, procés en el qual la carn es torna més tova i més suculenta. Les proteases tradicionalment utilitzades per a dur a terme aquest procés són extractes de plantes que contenen enzims proteolitics. No obstant, proteases d’origen microbià estan començant a ser explotades per a la millor en el procés de l’estovament de la carn.

Alguns músculs específics d’animals vells poden arribar tenir una gran duresa causada per la força d’unió dels teixits connectius o bé la insuficència de capacitat proteolítica enzimàtica d’estovar la carn post-mort. Així doncs aquests músculs romanen durs fins i tot al final del procés d’envelliment. Hi ha un gran interès en l’acivitat proteolítica de diverses plantes com per exemple la papaïna o la bromelina.[16]

Clarificació de sucsModifica

Els sucs de fruita normalment són tèrbols degut a varis tipus de proteïnes presents en ells. Per tal de clarificar-los s’utilitzen proteases àcides específiques, com per exemple Aspergillopepsin I, Novoenzyme, o papaïna, és a dir, el procés de clarificació per proteases consisteix en reduir la quantitat de proteïnes per tal de tenir les solucions de sucs més clares.

S’aconsegueix una millor clarificació del suc amb la combinació d’un procés tèrmic tractat amb proteases.[15]

Indústria marinaModifica

La indústria marina és molt important a nivell industrial, on proteases provinents d'un ambient marí o d'altres fonts troben àmplies aplicacions en produïr varis tipus de productes alimentaris i sobretot en la producció i processament d'aliments marins.[17]

ReferènciesModifica

  1. «Proteasa». L'Enciclopèdia.cat. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
  2. Radzicka, Anna; Wolfenden, Richard «Rates of Uncatalyzed Peptide Bond Hydrolysis in Neutral Solution and the Transition State Affinities of Proteases». Journal of the American Chemical Society, 118, 26, 01-01-1996, pàg. 6105–6109. DOI: 10.1021/ja954077c. ISSN: 0002-7863.
  3. Walsh, Peter N.; Ahmad, Syed S. «Proteases in blood clotting». Essays in Biochemistry, 38, 2002, pàg. 95–111. DOI: 10.1042/bse0380095. ISSN: 0071-1365. PMID: 12463164.
  4. Hiraguchi, Yukiko; Nagao, Mizuho; Hosoki, Koa; Tokuda, Reiko; Fujisawa, Takao «Neutrophil Proteases Activate Eosinophil Function in vitro». International Archives of Allergy and Immunology, 146 Suppl 1, 2008, pàg. 16–21. DOI: 10.1159/000126055. ISSN: 1423-0097. PMID: 18504401.
  5. Lazure, C.; Seidah, N. G.; Pélaprat, D.; Chrétien, M. «Proteases and posttranslational processing of prohormones: a review». Canadian Journal of Biochemistry and Cell Biology = Revue Canadienne De Biochimie Et Biologie Cellulaire, 61, 7, 1983-07, pàg. 501–515. DOI: 10.1139/o83-066. ISSN: 0714-7511. PMID: 6354396.
  6. Einhorn, T. A.; Majeska, R. J. «Neutral proteases in regenerating bone». Clinical Orthopaedics and Related Research, 262, 1991-01, pàg. 286–297. ISSN: 0009-921X. PMID: 1845859.
  7. Zhivotovsky, B.; Burgess, D. H.; Orrenius, S. «Proteases in apoptosis». Experientia, 52, 10-11, 31-10-1996, pàg. 968–978. DOI: 10.1007/BF01920106. ISSN: 0014-4754. PMID: 8917728.
  8. Asghari, S.Mohsen «Remarkable improvements of a neutral protease activity and stability share the same structural origins». Protein Engineering, Design and Selection, Volume 23, Issue 8, August 2010, 31-05-2010, pàg. 600.
  9. Varia, Ami D. «ALKALINE PROTEASE - A VERSATILE ENZYME». Alkaline protease under halophilic environment, maig 2019, pàg. 40.
  10. Tavano, Olga Luisa «Protein hydrolysis using proteases: An important tool for food biotechnology» (en anglès). Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 90, 01-06-2013, pàg. 1–11. DOI: 10.1016/j.molcatb.2013.01.011. ISSN: 1381-1177.
  11. Tavano, Olga Luisa «Protein hydrolysis using proteases: An important tool for food biotechnology» (en anglès). Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 90, 01-06-2013, pàg. 1–11. DOI: 10.1016/j.molcatb.2013.01.011. ISSN: 1381-1177.
  12. Brey, Stephan E.; Costa, Samodh de; Rogers, Peter J.; Bryce, James H.; Morris, Peter C. «The Effect of Proteinase A on Foam-Active Polypeptides During High and Low Gravity Fermentation» (en anglès). Journal of the Institute of Brewing, 109, 3, 2003, pàg. 194–202. DOI: 10.1002/j.2050-0416.2003.tb00159.x. ISSN: 2050-0416.
  13. «Beer Enzymes: Enzymes In Brewing» (en anglès americà), 15-07-2019. [Consulta: 6 octubre 2021].
  14. Lopez, Michel; Edens, Luppo «Effective prevention of chill-haze in beer using an acid proline-specific endoprotease from Aspergillus niger». Journal of Agricultural and Food Chemistry, 53, 20, 05-10-2005, pàg. 7944–7949. DOI: 10.1021/jf0506535. ISSN: 0021-8561. PMID: 16190654.
  15. 15,0 15,1 Nair, Indu C.; Jayachandran, K. Aspartic Proteases in Food Industry (en anglès). Singapore: Springer, 2019, p. 15–30. DOI 10.1007/978-981-13-3263-0_3. ISBN 978-981-13-3263-0. 
  16. Bekhit, Alaa A.; Hopkins, David L.; Geesink, Geert; Bekhit, Adnan A.; Franks, Philip «Exogenous proteases for meat tenderization». Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 54, 8, 2014, pàg. 1012–1031. DOI: 10.1080/10408398.2011.623247. ISSN: 1549-7852. PMID: 24499119.
  17. Ismail, Bindhumol; Mohammed, Hanif; Nair, A. Jayakumaran. Influence of Proteases on Functional Properties of Food (en anglès). Singapore: Springer, 2019, p. 31–53. DOI 10.1007/978-981-13-3263-0_4. ISBN 978-981-13-3263-0.