Химотрипсин как пищеварительный фермент¶

Химотрипсин — сериновая протеаза (пептидгидролаза), вырабатываемая в организме человека и животных в виде неактивного предшественника химотрипсиногена поджелудочной железой и активируемая в двенадцатиперстной кишке. Фермент расщепляет пептидные связи белков и полипептидов, преимущественно по остаткам ароматических аминокислот — тирозина, триптофана и фенилаланина. Относится к классу гидролаз, семейству химотрипсинподобных сериновых протеаз (семейство S1, клан PA по классификации MEROPS). Молекулярная масса около 25 кДа, оптимальная среда — слабощелочная (pH 7,5–8,5).

¶История изучения

Химотрипсин был одним из первых ферментов, для которых установили механизм катализа и пространственную структуру. В 1930-х годах американские биохимики Джон Нортроп и Мозес Кунитц получили кристаллические препараты химотрипсина и трипсина, за что Нортроп был удостоен Нобелевской премии по химии в 1946 году. В 1967 году Дэвид Блантон и его коллеги определили трёхмерную структуру фермента методом рентгеновской кристаллографии. В 1969 году Брюс Меррифилд синтезировал химотрипсин химическим путём — это была первая крупная белковая молекула, полученная полным химическим синтезом. Работы на химотрипсине заложили основы учения о механизме ферментативного катализа.

¶Строение и механизм действия

Молекула химотрипсина состоит из одной полипептидной цепи, уложенной в компактную глобулу. Активный центр образован тремя ключевыми остатками — так называемой каталитической триадой: гистидином-57, аспартатом-102 и серином-195 (нумерация для бычьего химотрипсина). Серин выступает нуклеофилом: его гидроксильная группа атакует карбонильный углерод расщепляемой связи. Гистидин выполняет роль основания, аспартат стабилизирует его положение. Механизм включает стадии ацилирования и деацилирования фермента с образованием промежуточного ацилфермента.

Специфичность фермента определяется гидрофобным «карманом» связывания, в который хорошо помещаются крупные ароматические боковые цепи. Это отличает химотрипсин от трипсина, расщепляющего связи после положительно заряженных лизина и аргинина.

¶Активация и биологическая роль

Химотрипсин синтезируется в ацинарных клетках поджелудочной железы как неактивный химотрипсиноген. В просвете двенадцатиперстной кишки трипсин отщепляет от него короткий активационный пептид, превращая профермент в активный фермент. Каскадный характер активации защищает ткань железы от самопереваривания.

В пищеварении химотрипсин совместно с трипсином и карбоксипептидазами расщепляет белки пищи до коротких пептидов и аминокислот, которые затем всасываются в тонкой кишке. Помимо пищеварительной функции, фермент участвует в процессах свёртывания крови, иммунного ответа и разрушения белков в составе лизосом.

¶Применение

Благодаря способности избирательно гидролизовать белки химотрипсин широко применяется:

• в медицине — как протеолитическое средство для расщепления некротических тканей, разжижения вязких секретов и при лечении воспалительных процессов;
• в офтальмологии — для ферментативного расщепления цинновой связки при экстракции катаракты;
• в лабораторной практике — для гидролиза белков при подготовке образцов к масс-спектрометрии;
• в биотехнологии и пищевой промышленности — для осветления напитков и обработки белкового сырья.

¶Ингибиторы и регуляция

Активность химотрипсина подавляется специфическими ингибиторами. К природным относятся ингибитор сои (Kunitz-типа), α1-антитрипсин плазмы крови и апротинин. Синтетические ингибиторы — фенилметилсульфонилфторид (PMSF) и N-тозил-L-фенилаланинхлорметилкетон (TPCK) — необратимо блокируют серин активного центра. Эти соединения используются в биохимических исследованиях для остановки реакции.

¶Клиническое значение

Повышение уровня химотрипсина и его предшественников в крови наблюдается при остром панкреатите, обострении хронического панкреатита и закупорке протока поджелудочной железы. Недостаточность фермента, напротив, ведёт к нарушению переваривания белков и развитию синдрома мальабсорбции. При муковисцидозе из-за закупорки протоков вязким секретом фермент не поступает в кишечник, что требует заместительной терапии панкреатическими ферментами. Определение химотрипсина в кале применяется как диагностический тест экзокринной функции поджелудочной железы.

¶Сравнение с родственными ферментами

Все три фермента относятся к сериновым протеазам и имеют сходное строение активного центра, но различаются субстратной специфичностью, что обеспечивает полноту переваривания белков.