Proteasi: funzioni biologiche e applicazioni industriali

Le proteasi, o enzimi proteolitici, sono enzimi che agiscono sulla rottura dei legami peptidici all’interno delle proteine e svolgono un ruolo fondamentale in molti processi biologici, come la digestione delle proteine, la regolazione dell’attività enzimatica e il controllo del ciclo cellulare.

Poiché sono fisiologicamente necessarie per gli organismi viventi, le proteasi si trovano in un’ampia varietà di fonti come piante, animali e microrganismi. I progressi nelle tecniche analitiche mostrano che le proteasi conducono modificazioni specifiche e selettive delle proteine ​​come la coagulazione del sangue e la lisi dei coaguli di fibrina e l’elaborazione e il trasporto di proteine ​​secretorie attraverso le membrane.

cellule da Chimicamo
cellule

Le proteasi svolgono un ruolo critico in molti processi fisiologici e patologici come catabolismo proteico, coagulazione del sangue, crescita e la migrazione cellulare, disposizione dei tessuti, la morfogenesi in fase di sviluppo, l’infiammazione, crescita tumorale e delle metastasi, attivazione di zimogeni, rilascio di ormoni e peptidi farmacologicamente attivi da proteine ​​precursori e trasporto di proteine ​​secretorie attraverso le membrane.

In generale, le proteasi extracellulari catalizzano l’idrolisi di grandi proteine ​​in molecole più piccole per il successivo assorbimento da parte della cellula, mentre quelle  intracellulari hanno un ruolo fondamentale nella regolazione del metabolismo.

Classificazione delle proteasi

Secondo il Comitato per la nomenclatura dell’Unione internazionale di biochimica e biologia molecolare, le proteasi sono classificate nel sottogruppo 4 del gruppo delle idrolasi poiché la rottura del legame peptidico avviene attraverso un meccanismo che utilizza una molecola di acqua.

proteasi da Chimicamo
proteasi

A causa della loro enorme diversità di azione e struttura sono classificate sulla base di tre criteri principali: tipo di reazione catalizzata, natura chimica del sito catalitico e relazione evolutiva con riferimento alla struttura.

Sono grossolanamente suddivise in due gruppi principali, cioè esopeptidasi ed endopeptidasi, a seconda del loro sito di azione. Le esopeptidasi, prodotte a livello pancreatico, catalizzano la rimozione di un amminoacido dalla parte carbossilica terminale di una catena polipeptidica mentre le endopeptidasi scindono i legami peptidici distanti dai terminali del substrato.

Le proteasi possono anche essere classificate in base al loro ottimale pH di attività, ovvero il pH a cui mostrano la massima efficienza enzimatica in:

  1. alcaline che esplicano la loro azione a pH alcalino, di solito tra 8 e 10
  2. neutre che operano generalmente intorno a  pH 7
  3. acide che operano a pH acido tipicamente tra 2 e 5

Sulla base dell’amminoacido catalitico sono classificate come proteasi a:

  • serina che contengono un residuo di serina nel loro sito attivo nel loro sito attivo e includono enzimi come la tripsina, la chimotripsina e l’elastasi. Sono coinvolte nella digestione delle proteine negli animali e hanno una vasta gamma di funzioni biologiche.
  • cisteina che contengono un residuo di cisteina nel loro sito attivo come la papaina e la calpaina. Questi enzimi sono importanti per la degradazione delle proteine intracellulari e svolgono un ruolo cruciale nella regolazione dei processi cellulari
  • aspartato che contengono due residui di aspartato nel loro sito attivo. Tra gli esempi la pepsina, che è coinvolta nella digestione delle proteine nello stomaco, e la renina, che è coinvolta nella produzione dell’ormone renina nel rene.
  • glutammato dette anche glutammiche che contengono un residuo di acido glutammico all’interno del sito attivo che si pensa si trovino solo nei funghi

Vi sono poi le metalloproteasi il cui meccanismo catalitico coinvolge un metallo, prevalentemente zinco e, in taluni casi cobalto. Lo ione metallico è coordinato alla proteina tramite tre leganti come istidina, glutammato, aspartato, lisina e arginina. La quarta posizione di coordinazione è occupata da una molecola d’acqua

Applicazioni delle proteasi

Le proteasi, che rappresentano il 60% degli enzimi commercializzati a livello mondiale, sono utilizzate in molte applicazioni, come alimenti, detergenti e lavorazione della pelle.

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latte

Nell ‘industria alimentare sono usate, ad esempio per idrolizzare le proteine del latte per produrre il concentrato di proteine del siero di latte, un prezioso ingrediente in molti prodotti lattiero-caseari. Sono utilizzate anche per migliorare sapore, valore nutrizionale, solubilità e digeribilità delle proteine ​​alimentari, nonché per modificarne le proprietà funzionali, tra cui la coagulazione e l’emulsione.

Pertanto sono utilizzate nell’industria della panificazione per la produzione di pane, cibi da forno, cracker e cialde. Questi enzimi vengono utilizzati per ridurre il tempo di miscelazione, diminuire la consistenza e l’uniformità dell’impasto, regolare la forza del glutine nel pane e per migliorare la consistenza e il sapore.

L’utilizzo di enzimi nell’industria dei detersivi risale a oltre cinquant’anni al fine di rimuovere macchie come quelle di latte, sangue, proteine ​​dalla secrezione corporea e alimenti come latte, uova, carne e pesce. Le proteasi sono in grado di rompere le proteine in peptidi più piccoli e amminoacidi solubili in acqua, che possono essere facilmente risciacquati via.

macchie sui tessuti da Chimicamo
macchie sui tessuti

Ciò permette di migliorare l’efficacia nel rimuovere le macchie proteiche ostinate che possono essere difficili da eliminare solo con l’azione meccanica o con detergenti convenzionali. Consentono una migliore rimozione delle macchie proteiche, una maggiore efficacia a temperature più basse e una riduzione dell’uso di detergenti chimici aggressivi. Inoltre, l’uso di enzimi può contribuire a ridurre l’impatto ambientale dei prodotti per la pulizia, poiché sono biodegradabili e possono aiutare a ridurre la necessità di agenti chimici più aggressivi.

Sono ampiamente utilizzate nell’industria della lavorazione della pelle svolgendo un ruolo fondamentale nel processo di depilazione e nella lavorazione delle pelli per renderle adatte a scopi industriali e commerciali.

Durante il processo di depilazione delle pelli, le proteasi sono utilizzate per rimuovere le proteine che si trovano nella pelle, come il collagene e la cheratina, che possono causare la decomposizione della pelle se non trattate correttamente.
Il loro uso nella lavorazione della pelle può contribuire a migliorare l’efficienza dei processi di depilazione, a ottenere pelli di migliore qualità e a ridurre l’utilizzo di prodotti chimici aggressivi.

Nella ricerca scientifica sono utilizzate per la digestione enzimatica delle proteine durante l’identificazione di sequenze peptidiche o l’analisi della struttura delle proteine. Inoltre possono essere utilizzate per studiare le funzioni biologiche delle proteine mediante l’inattivazione specifica di determinate regioni proteiche.

Proteasi e HIV

Le proteasi hanno un ruolo cruciale nel ciclo di replicazione del virus dell’HIV con un ruolo essenziale nella maturazione delle particelle virali.

virus HIV da Chimicamo
virus HIV

Dopo che il virus HIV infetta una cellula ospite, il suo genoma viene trascritto in DNA e integrato nel genoma dell’ospite. Successivamente, la cellula ospite produce nuove particelle virali che devono essere assemblate e mature per diventare infettive.

Durante il processo di maturazione virale, l’enzima taglia specificamente la poliproteina virale precursore in diverse proteine strutturali e funzionali che compongono la particella virale matura. Questa divisione precisa e accurata è fondamentale per la produzione di particelle virali infettive.

A causa del ruolo critico della proteasi nell’HIV, è stata sviluppata una classe di farmaci antiretrovirali noti come inibitori della proteasi dell’HIV. Questi farmaci mirano a inibire l’attività della proteasi virale, prevenendo così la maturazione delle particelle virali infettive. Gli inibitori della proteasi sono una parte fondamentale della terapia antiretrovirale combinata (HAART) utilizzata per trattare l’infezione da HIV.

L’inibizione della proteasi dell’HIV riduce significativamente la replicazione virale e aiuta a controllare l’infezione da HIV.

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