Meccanismo catalitico della serina proteasi

La considerevole omologia strutturale dei siti attivi delle serina proteasi implica che anche i meccanismi catalitici siano simili. È stato, infatti, formulato il seguente meccanismo catalitico per le serina proteasi(qui riferito alla chimotripsina):
1.dopo che la chimotripsina ha legato il substrato, la Ser 195 attacca nucleofilamente il gruppo carbonilico del legame suscettibile per formare un intermedio tetraedrico (catalisi covalente). Studi ai raggi X hanno dimostrato che la Ser 195 è in una posizione ideale per condurre questo attacco nucleofilo (effetto prossimità e orientamento);
2.l'anello imidazolico dell'His 57 lega il protone che si libera formando uno ione imidazolico (catalisi basica generale);
3.questo processo è aiutato dall'effetto polarizzato del gruppo carbossilico ionizzato non idratato dell'Asp 102, che forma un legame idrogeno con l'His 57 (catalisi elettrostatica);
4.l'His 57 dona un protone (catalisi acida generale) e l'intermedio tetraedrico si decompone nell'intermedio acil-enzima;
5.il gruppo amminico che si viene a formare (R'NH2, il nuovo ammino-terminale della catena polipeptidica rotta) viene rilasciato dall'enzima e sostituito con una molecola d'acqua presa dal solvente;
6.la deacilazione, infine, avviene con un meccanismo inverso a quello di formazione dell'intermedio: l'acqua agisce da nucleofilo che attacca e la Ser 195 è il gruppo che se ne va, il gruppo carbossilico viene rilasciato dall'enzima e quest'ultimo libero viene anch'esso rilasciato.
VALUTAZIONE DEL MECCANISMO CATALITICO
La prova strutturale più convincente dell'esistenza dell'intermedio covalente è stata ottenuta mediante studi sul complesso tra la tripsina e l'inibitore della tripsina di pancreas bovino (BPTI). Questo inibitore si lega selettivamente alla tripsina inattivandola. Questa interazione serve a prevenire qualunque azione digestiva dannosa della tripsina che venga prematuramente attivata dal pancreas. L'BPTI si lega alla regione del sito attivo della tripsina formando un interfaccia molto compatta contenente un complesso reticolo di legami idrogeno. La porzione dell'inibitore sul sito attivo ricorda il substrato legato. La reazione proteolitica normale, quindi, viene arrestata per la rigidità del complesso sul sito attivo e per la sua compattezza.
ZIMOGENI
Gli enzimi proteolitici vengono di solito biosintetizzati come grandi precursori inattivi conosciuti come zimogeni (i precursori enzimatici in genere vengono chiamati proenzimi). Nel caso degli enzimi digestivi la ragione di ciò è chiara: se questi enzimi fossero sintetizzati direttamente nelle loro forme attive, potrebbero digerire i tessuti che li stanno sintetizzando. (La pancreatite acuta, una condizione talvolta fatale dovuta a traumi del pancreas, è caratterizzata dalla prematura attivazione degli enzimi digestivi prodotti da questa ghiandola). L'attivazione del tripsinogeno, lo zimogeno della tripsina, avviene in un processo a due tappe quando il tripsinogeno passa dal pancreas al duodeno. L'eteropeptidasi, una serina proteasi secreta sotto controllo ormonale della mucosa del duodeno, rimuove in modo specifico un esapeptide della regione ammino-terminale del tripsinogeno formando l'enzima attivo. Il chimotripsinogeno, invece, viene attivato dalla specifica rottura triptica del legame peptidico Arg15—Ile16, formando la π-chimotripsina. La π-chimotripsina subisce un altro processo di autolisi (autodigestione) che determina il distacco di due peptidi, Ser14—Arg15 e Thr147—Asn148, producendo la forma ugualmente attiva di α-chimotripsina (chiamata semplicemente chimotripsina). La proelastasi, invece, lo zimogeno dell'elastasi, viene attivato in modo simile al chimotripsinogeno da una singola rottura triptica che rimuove un piccolo peptide ammino-terminale.