كاربوكسي ببتيداز أ

يشير مصطلح كاربوكسي ببتيداز A عادةً إلى الإكسوببتيداز البنكرياسي الذي يحلل الروابط الببتيدية لبقايا الطرف الكربوكسيلي ذات السلاسل الجانبية العطرية أو الأليفاتية . ويشير معظم العلماء في هذا المجال الآن إلى هذا الإنزيم باسم CPA1 ، وإلى كاربوكسي ببتيداز بنكرياسي ذي صلة باسم CPA2 .

إضافةً إلى ذلك، توجد أربعة إنزيمات أخرى في الثدييات تُسمى CPA-3 إلى CPA-6، ولا يُعبَّر عن أيٍّ منها في البنكرياس. بل إن لهذه الإنزيمات الأخرى الشبيهة بـ CPA وظائف متنوعة.

• يشارك CPA3 (المعروف أيضًا باسم CPA للخلايا البدينة) في هضم البروتينات بواسطة الخلايا البدينة .
• قد يكون CPA4 (المعروف سابقًا باسم CPA-3، ولكن أعيد ترقيمه عندما تم تسمية CPA للخلايا البدينة CPA-3) متورطًا في تطور الورم ، ولكن لم تتم دراسة هذا الإنزيم بشكل جيد.
• لم تتم دراسة CPA5 بشكل كافٍ.
• يُعبَّر عن إنزيم CPA6 في العديد من الأنسجة خلال نمو الفئران، بينما يقتصر توزيعه في الفئران البالغة على الدماغ وبعض الأنسجة الأخرى. يتواجد CPA6 في المادة الخلوية خارج الخلية حيث يكون نشطًا إنزيميًا. وقد رُبطت طفرة بشرية في جين CPA6 بمتلازمة دوان (اضطراب حركة العين). ومؤخرًا، وُجد أن الطفرات في جين CPA6 مرتبطة بالصرع. كما يُعد CPA6 أحد الإنزيمات العديدة التي تُحلل الإينكيفالينات .

يستخدم كل من CPA-1 وCPA-2 (ويُفترض أن جميع أنواع CPA الأخرى) أيون الزنك داخل البروتين لتحليل الرابطة الببتيدية عند الطرف الكربوكسيلي لحمض أميني. يؤدي فقدان الزنك إلى فقدان النشاط، ويمكن تعويضه بسهولة بالزنك، وكذلك ببعض المعادن ثنائية التكافؤ الأخرى ( الكوبالت ، النيكل ). يُنتَج إنزيم كاربوكسي ببتيداز A في البنكرياس، وهو ضروري للعديد من العمليات في جسم الإنسان، بما في ذلك الهضم، والتعديل اللاحق للترجمة للبروتينات، وتخثر الدم، والتكاثر.

إن هذا النطاق الواسع من الوظائف لبروتين واحد يجعله نموذجًا مثاليًا للبحث في بروتيازات الزنك الأخرى ذات البنية غير المعروفة. وقد استخدمت الأبحاث الطبية الحيوية الحديثة على الكولاجيناز، والإنكيفالينيز ، وإنزيم تحويل الأنجيوتنسين، إنزيم كاربوكسي ببتيداز A لتخليق المثبطات واختبار حركيتها. على سبيل المثال، صُمم دواء كابتوبريل، الذي يعالج ارتفاع ضغط الدم، بناءً على مثبط لإنزيم كاربوكسي ببتيداز A. يتميز إنزيم كاربوكسي ببتيداز A والإنزيم المستهدف لدواء كابتوبريل، وهو إنزيم تحويل الأنجيوتنسين، ببنية متشابهة جدًا، حيث يحتوي كلاهما على أيون الزنك في الموقع النشط. وقد سمح هذا باستخدام مثبط قوي لإنزيم كاربوكسي ببتيداز A لتثبيط الإنزيم، وبالتالي خفض ضغط الدم من خلال نظام الرينين-أنجيوتنسين-ألدوستيرون. ^{[ 1 ]}

يحتوي إنزيم كاربوكسي ببتيداز A (CPA) على مركز معدني من الزنك (Zn²⁺ ⁾ في شكل رباعي الأوجه، وتحيط به بقايا الأحماض الأمينية لتسهيل عملية التحفيز والارتباط. من بين 307 حمضًا أمينيًا مرتبطًا في سلسلة الببتيد، تُعد بقايا الأحماض الأمينية التالية مهمة للتحفيز والارتباط: Glu-270، Arg-71، Arg-127، Asn-144، Arg-145، وTyr-248. يوضح الشكل 1 الموقع النشط لمركب الزنك رباعي الأوجه مع بقايا الأحماض الأمينية المهمة المحيطة به. ^{[ 2 ]}

يُعدّ معدن الزنك عاملًا حفازًا قويًا من نوع حمض لويس المحب للإلكترونات، حيث يعمل على تثبيت جزيء الماء المرتبط، بالإضافة إلى تثبيت المركبات الوسيطة السالبة التي تتكون خلال تفاعل التحلل المائي. ويُعزى تثبيت كلٍّ من جزيء الماء المرتبط والمركبات الوسيطة السالبة إلى وجود بقايا قطبية في الموقع النشط، والتي تتقارب فيما بينها لتسهيل تكوين الروابط الهيدروجينية. ^{[ 2 ]}

يمكن تقسيم الموقع النشط إلى موقعين فرعيين يُشار إليهما بـ S1 _' و S1 _. الموقع الفرعي S1 _' هو الجيب الكاره للماء في الإنزيم، ويعمل التيروسين-248 على "تغطية" هذا الجيب بعد ارتباط الركيزة أو المثبط (الموقع SITE). ^{[ 2 ]} تُسهّل الروابط الهيدروجينية من مجموعة الهيدروكسيل في التيروسين-248 هذا التكوين نتيجةً لتفاعلها مع مجموعات الكربوكسيل الطرفية للركائز المرتبطة. يتطلب هذا الإنزيم حركةً كبيرة، ويُفسّر نموذج التوافق المُستحث كيفية حدوث هذا التفاعل.

تتفاعل مجموعة ثلاثية من البقايا مع مجموعة الكربوكسيلات الطرفية C من خلال الروابط الهيدروجينية:

• رابطة ملحية مع Arg-145 المشحون إيجابياً
• رابطة هيدروجينية من Tyr-248
• رابطة هيدروجينية من نيتروجين أميد Asn-144

يُصنف كاربوكسي ببتيداز A ضمن فئة الميتالوكسوببتيداز، ويتكون من سلسلة ببتيدية واحدة مرتبطة بأيون الزنك. يقع هذا الأيون المعدني المميز داخل الموقع النشط للإنزيم، إلى جانب خمسة أحماض أمينية تُشارك في ارتباط الركيزة: أرجينين-71، أرجينين-127، أسباراجين-144، أرجينين-145، تيروسين-248، وجلوتامات-270. كشفت دراسات البلورات بالأشعة السينية عن خمسة مواقع فرعية على البروتين. تُساهم هذه المواقع التغايرية في تحديد خصوصية ارتباط الربيطة بالإنزيم، وهي خاصية شائعة في معظم الإنزيمات النشطة بيولوجيًا. يُحفز أحد هذه المواقع الفرعية تغييرًا في بنية تيروسين-248 عند ارتباط جزيء الركيزة بالموقع النشط الرئيسي. تُشكل مجموعة الهيدروكسيل الفينولية للتيروسين رابطة هيدروجينية مع مجموعة الكربوكسيل الطرفية للربيطة. بالإضافة إلى ذلك، تتشكل رابطة هيدروجينية ثانية بين التيروسين ورابطة ببتيدية في ركائز الببتيد الأطول. تُؤدي هذه التغييرات إلى تقوية الرابطة بين الإنزيم والرابط، سواءً كان ركيزة أو مثبطًا. وقد أدت هذه الخاصية لإنزيم كاربوكسي ببتيداز A إلى البند الأول من فرضية "التوافق المُستحث" لدانيال إي. كوشلاند الابن .

يحدث التحفيز في موقع S1 _الفرعي في إنزيم CPA، حيث يرتبط أيون الزنك ببقايا الإنزيم Glu-72 وHis-69 وHis-196. يوجد مستوى يقسم أخدود الموقع النشط، حيث تقع بقايا Glu-270 وArg-127 على جانبين متقابلين من معقد الزنك-الماء. يتميز الزنك بغناه بالإلكترونات نتيجة ارتباطه بروابط الغلوتامين، فقبل ارتباط الركيزة، يرتبط Glu-72 برابطة ثنائية السن، ثم يتحول إلى رابطة أحادية السن بعد ارتباط الركيزة. ونتيجة لذلك، لا يستطيع الزنك نزع بروتون من جزيء الماء المرتبط به لتكوين نيوكليوفيل هيدروكسيل. ^{[ 2 ]}

يلعب كل من Glu-270 وArg-127 دورًا هامًا في عملية التحفيز الموضحة في الشكل 2. يعمل Arg-127 على تثبيت مجموعة الكربونيل للركيزة المرتبطة بمجموعة الأمين في الفينيل ألانين. في الوقت نفسه، يقوم Glu-270 بإزالة بروتون من جزيء الماء المرتبط بالزنك، ويتفاعل مع مجموعة الكربونيل المثبتة بواسطة Arg-127. ينتج عن ذلك مركب وسيط، كما هو موضح في الشكل 2، حيث يرتبط الأكسجين سالب الشحنة بالزنك، ومن خلال التفاعلات الكهروستاتيكية غير المواتية بين Glu-270 والناتج المتأين، يتم تسهيل إطلاق الناتج في نهاية عملية التحفيز. ^{[ 2 ]}

في الدراسات الحاسوبية الحديثة، كانت آلية التحفيز متشابهة، لكن الاختلاف يكمن في أن جزيء الماء منزوع البروتون يرتبط بذرة الكربون في مجموعة الكربونيل، بينما يوضح الشكل 2 أن مجموعة الهيدروكسيل تبقى مرتبطة بالزنك. ثم يحدث التحلل البروتيني، ويعود جزيء الماء إلى الموقع النشط ليرتبط بالزنك. ^{[ 3 ]}

أُجريت العديد من الدراسات لاستكشاف تفاصيل الرابطة بين كاربوكسي ببتيداز A والركيزة، وكيف يؤثر ذلك على معدل التحلل المائي. في عام 1934، اكتُشف لأول مرة من خلال تجارب حركية أنه لكي ترتبط الركيزة، يجب أن يكون الببتيد المراد تحلله مجاورًا لمجموعة هيدروكسيل طرفية حرة. كما يمكن تسريع معدل التحلل المائي إذا كان الحمض الأميني الطرفي الكربوكسيلي متفرعًا أليفاتيًا أو عطريًا. مع ذلك، إذا كانت الركيزة ثنائية الببتيد ذات مجموعة أمينية حرة، فإنها تخضع للتحلل المائي ببطء؛ ولكن يمكن تجنب ذلك بحجب المجموعة الأمينية عن طريق الأستلة النيتروجينية. ^{[ 4 ]}

من الواضح أن بنية الإنزيم، وتحديدًا الموقع النشط، بالغة الأهمية لفهم آلية التفاعل. لهذا السبب، درس ريس وزملاؤه معقد الإنزيم-الرابطة للحصول على إجابة واضحة لدور أيون الزنك. وقد وجدت هذه الدراسات أن عدد التناسق للزنك في الإنزيم الحر هو خمسة؛ حيث يرتبط المركز المعدني بذرتي نيتروجين Nδ1 في الإيميدازول، وذرتي أكسجين الكربوكسيلات في الغلوتامات-72، وجزيء ماء لتشكيل بنية رباعية الأوجه مشوهة. مع ذلك، بمجرد ارتباط الرابطة بالموقع النشط لكاربوكسي ببتيداز A، يمكن أن يتراوح عدد التناسق هذا بين خمسة وستة. عند ارتباطه بثنائي الببتيد غليسيل-L-تيروسين، تحل ذرة النيتروجين الأمينية في ثنائي الببتيد وذرة أكسجين الكربونيل محل جزيء الماء الرابط. وهذا من شأنه أن ينتج عنه عدد تناسق ستة للزنك في معقد كاربوكسي ببتيداز A-ثنائي الببتيد غليسيل-L-تيروسين. أظهرت خرائط كثافة الإلكترون أن نيتروجين الأمين يشغل موقعًا ثانيًا بالقرب من حمض الجلوتاميك-270. يؤدي تقارب هذين الحمضين الأمينيين إلى إعاقة فراغية تمنع جزيء الماء من الارتباط بالزنك، مما ينتج عنه عدد تنسيقي يساوي خمسة. البيانات المتوفرة لكلا الحالتين وفيرة، مما يشير إلى أن كلتيهما تحدثان بشكل طبيعي. ^{[ 5 ]}

توجد آليتان مقترحتان للوظيفة التحفيزية لإنزيم كاربوكسي ببتيداز A. الأولى هي مسار نيوكليوفيلي يتضمن وسيطًا إنزيميًا تساهميًا يحتوي على قاعدة Glu-270 في الموقع النشط. الأدلة على وجود هذا الوسيط الأنهيدريدي متضاربة؛ فقد عزل سوه وزملاؤه ما يُفترض أنه الوسيط الأسيل. ومع ذلك، تم تأكيد وجود الإنزيم الأسيل دون إجراء تجارب حصر، مما يجعل الاستنتاجات ضعيفة. ^{[ 1 ]}

الآلية الثانية المقترحة هي مسار الماء المُعزز. تتضمن هذه الآلية مهاجمة جزيء ماء للرابطة الببتيدية القابلة للكسر في الركيزة. يتم تعزيز هذه العملية بواسطة أيون الزنك، ويساعدها الحمض الأميني غلوتامات-270. ^{[ 1 ]}

• مثبط كاربوكسي ببتيداز أ
• كاربوكسي ببتيداز ب
• كاربوكسي ببتيداز
• كاربوكسي ببتيداز إي

• قاعدة بيانات MEROPS الإلكترونية للببتيدازات ومثبطاتها: M14.001
• كاربوكسي ببتيداز+أ في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب