Cysteinprotease

Cysteinproteasen spalten Peptidbindungen durch eine charakteristische Aminosäurenkonstellation in ihrem aktiven Zentrum. Dabei spielen die Aminosäuren Cystein und Histidin eine entscheidende Rolle.

Histidin bewirkt eine (basen)-katalytische Stimulation des Cysteins, wobei das H⁺-Ion der Thiolgruppe des Cysteins auf den Stickstoff des Histidins übergeht. Das jetzt positiv geladene Histidin wird durch eine negativ geladene Aspartat-Seitenkette der Protease stabilisiert.

Das durch Deprotonierung aus der Thiolgruppe entstandene Thiolat greift das zu spaltende Peptid am C1-Atom der Peptidbindung nukleophil an. Dadurch bildet sich ein tetraedischer Übergangszustand.

Der Übergangszustand wird dadurch aufgelöst, dass das Proton des Histidinrests sich an das Stickstoffatom der Peptidbindung anlagert und sie dadurch spaltet. Das Proton schafft so einen neuen N-Terminus und ein Teil der Peptidkette geht ab. Zwischen der Cysteinprotease und dem verbleibenden Rest der Peptidkette besteht jetzt eine Thioesterbindung. Sie wird auch als Acylenzym bezeichnet.

Das Acylenzym wird am teilweise positiv geladenen C1-Atom hydrolysiert. Wieder entsteht ein tetraedrischer Übergangszustands, der dadurch aufgelöst wird, dass sich ein neuer C-Terminus bildet, mit dem sich der Rest der Peptidkette wieder vom Enzym ablöst. Das aus der Hydrolyse übrig bleibende Proton lagert sich an das Schwefelatom des Cysteins an, das dadurch wieder zum Thiol regeneriert wird.

Es kommt zur Entstehung von zwei Teilpeptiden, die jeweils einen neuen N-Terminus bzw. C-Terminus enthalten.

Cysteinproteasen sind an vielen verschiedenen Stoffwechselprozessen beteiligt. In menschlichen Zellen und bei Tieren sind u.a. in die Apoptose und MHC-II-Immunantwort involviert. Makrophagen nutzen Cysteinproteasen, um im Rahmen der Entzündungsreaktion Kollagen und Elastin zu spalten.

Zu den Cysteinproteasen gehören u.a. folgende Enzyme:

• Papain
• Caspase 1
• Bromelain
• Cathepsin K
• Calpain
• UCH-L1