پپسین چیست؟

دستگاه گوارش، ذرات بزرگ و توده‌ای غذا را به مولکول‌های بسیار کوچکی تبدیل می‌کند که سلول بتواند آن‌ها را جذب و برای تامین انرژی استفاده کند. این فرایند به دو شکل مکانیکی و شیمیایی انجام می‌شود. انقباض ماهیچه‌های صاف دیواره لوله گوارش، گوارش مکانیکی و آنزیم‌های بزاق، معده و پانکراس، گوارش شیمیایی را تسهیل می‌کنند. پپسین یکی از آنزیم‌های گوارشی است که در این مطلب وظیفه آن را توضیح می‌دهیم.

پپسین چیست ؟

برای اینکه بدن بتواند از پروتئین‌های مواد غذایی استفاده کند، این پلیمرها باید به زیرواحد‌های آمینواسیدی یا تتراپپتیدها شکسته شوند. پروتئازها آنزیم‌هایی هستند که با شکستن پیوند پپیتدی داخلی پروتئین‌ها (اندوپپتیداز) یا دو انتهای N و C (اگزوپپتیداز)، پروتئین را به پلی‌پپتیدهای کوچک‌تر یا آمینواسیدها تبدیل می‌کنند. پپسین یکی از سه پروتئاز مهم دستگاه گوارش است که در معده ترشح می‌شود و مثل سایر آنزیم‌های معده در محیط اسید بیشترین فعالیت را دارد. این آنزیم از ۳۲۶ زیرواحد آمینواسیدی تشکیل شده است که بخش زیادی از آن‌ها قطبی هستند و در ساختارهای دوم بتاشیت قرار می‌گیرند. ساختار این آنزیم مونومری از دو لوب مجزا تشکیل شده است.

مکانیسم کاتالیزی پپسین چیست ؟

از آن‌جایی که دو باقی‌مانده آمینواسیدی آسپارتات (Asp-۳۲ و Asp-۲۱۵) در جایگاه فعال این آنزیم با مولکول‌های آب و سوبسترا پیوند هیدروژنی برقرار می‌کنند، به پپسین پروتئاز آسپارتیک می‌گویند. در نتیجه این آنزیم به‌وسیله مکانیسم کاتالیزی اسید-باز پیوند پپتیدی درون پروتئین‌ها را هیدرولیز می‌کند. در شکل زیر (اولین شکل سمت چپ) گروه‌های عاملی کربوکسیل در زنجیره جانبی دو باقی‌مانده آسپارتات نشان داده شده است. با وجود اینکه ساختار این دو اسیدآمینه یکسان است، به دلیل اتصال به آمینواسیدهای متفاوت، pKa آن‌ها یکسان نیست. به همین دلیل فقط کربوکسیل Asp۳۲ دپروتونه شده است. برای هیدرولیز پیوند پپتیدی، مولکول آب به کربونیل سوبسترا حمله نوکلئوفیلی می‌کند، یکی از پروتون‌های مولکول آب به Asp۳۲ منتقل می‌شود و Asp۲۱۵ با اهدای پروتون به کربونیل سوبسترا، دپروتونه خواهد شد. ترکیب حدواسط ایجاد شده یک مولکول آمیدی است که اهدای یک پروتون به Asp۳۲ و دریافت پروتون از Asp۲۱۵ شکسته می‌شود. این واکنش پیوند پپتیدی پروتئین را می‌شکند. در مرحله آخر پروتون از Asp۳۲ به Asp۲۱۵ منتقل خواهد شد.

تفاوت پپسین و پپسینوژن چیست ؟

زیموژن‌ها، آنزیم‌های غیرفعال بدن هستند که برای شروع فعالیت کاتالیتیکی باید تغییر در آن‌ها به وجود بیاید. پپسینوژن زیموژن یا پروآنزیم پپسین است که با اثر اسید معده و از دست دادن ۴۴ آمینواسید انتهای N و در pH کمتر از ۵ معده، به شکل فعال پپسین تبدیل می‌شود. سلول‌های اصلی معده وظیفه تولید و ترشح این آنزیم را بر عهده دارند.

تولید پپسینوژن و در نتیجه تولید پپسین به‌وسیله سیستم عصبی انتریک (سیستم عصبی لوله گوارش)، پیام‌های عصب واگ (سیستم عصبی مرکزی) و هورمون‌ها تنظیم می‌شود. به علاوه افزایش یا کاهش ترشح اسید معده بر فعال شدن پپسینوژن و تشکیل غلظت پپسین موجود در شیره معده اثر می‌گذارد.

پس از رونویسی و ترجمه mRNA، این آنزیم در وزیکول‌های سلول‌های اصلی ذخیره می‌شوند و برهم‌کنش استیل کولین آزاد شده از پایانه آکسون عصب واگ یا هورمون‌های گاسترین و سکرتین با گیرنده‌های غشایی این سلول‌ها با آزاد کردن یون کلسیم از شبکه اندوپلاسمی زبر منجر به رهایش وزیکول‌های حاوی پپسینوژن به لومن معده خواهد شد. پپسین فعال شده علاوه بر پروتئین‌های غذا بر پپسینوژن هم اثر می‌گذارد و تعداد پروتئازهای فعال در معده را افزایش می‌دهد.

یکی از تفاوت‌های مهم این دو پروتئین کاتالیزی با هم در توانایی تحمل تغییر pH است. ساختار پپسینوژن تا pH = 10 پایدار است اما ساختار پپسین با افزایش pH کمی بیشتر از ۷ ناپایدار و در pH ۸ کاملا دناتوره می‌شود. به همین دلیل پپسین معده در روده باریک غیرفعال است.

انواع پپسینوژن

پپسینوژن ترشح شده در لوله گوارش انسان پنج ایزوزیم (PGI‌، PGII، PGB، پروکیموسین و PGF) متفاوت دارد. PGI (پپسینوژن A) به‌وسیله سلول‌های اصلی فوندوس (بخش ابتدایی معده) معده ترشح می‌شود و غلظت پایین آن نشان‌دهنده زخم‌های پیش سرطان است. PGII (پپسینوژن C) به‌وسیله مخاط بخش پیلوریک (بخش انتهایی معده) و غدد پروکسیمال دئودئوم تولید می‌شود.این ایزوزوم‌ها به شکل غیرفعال ترشح می‌شوند و اثر معده سبب فعال شدن آن‌ها می‌شود. بیشتر پپسینوژن تولید شده در معده به لومن این اندام و بخش بسیار کمی از آن (حدود ۱٪) مستقیم وارد جریان خون می‌شود. به همین دلیل اندازه‌گیری پپسینوژن سرم یکی از معیارهای سنجش آتروفی معده (تغییر شکل سلول‌های دیواره) در عفونت‌های هلیوباکتر و ابتلا به سرطان است. پپسینی که در ادرار دفع می‌شود اوروپپسین نام دارد. اندازه‌گیری این آنزیم مثل پپسین سرم معیاری برای سنجش آتروفی و زخم‌های معده است.

وظیفه پپسین چیست ؟

گوارش پروتئین‌ها در معده و به‌وسیله فعالیت پپسین شروع می‌شود. این اندوپپتیداز شیره معده، پیوند پپتیدی پروتئین‌ها را در باقی‌مانده آمینواسیدی بازی (زنجیره جانبی مثبت) را می‌شکند و پلی‌پپتید‌های کوچک ایجاد می‌کند. به علاوه این آنزیم با اثر بر باکتری‌های مختلفی ازجمله ای. کلی، سودوموناس و استافیلوکوس به سیستم ایمنی برای محافظت از بدن در برابر میکروب‌های همراه غذا کمک می‌کند.

اثر پپسین بر دیواره معده

سلول‌های دیواره معده از همان مولکول‌هایی تشکیل شده است که در مولکول‌های غذا وجود دارند و به‌وسیله شیره معده تجزیه می‌شوند. برای جلوگیری از اثر پپسین و سایر مواد موجود در شیره معده بر دیواره، یک لایه ضخیم مخاطی دیواره این بخش از لوله گوارش را می‌پوشاند. به علاوه حرکات دیواره معده، برهم‌کنش پپسین با سلول‌های اپتلیال را کاهش می‌دهد. حتی اگر پپسین به دیواره معده برسد، یون بی‌کربناتی که از سلول‌های جانبی ترشح می‌شود ساختار آنزیم را دناتوره و فعالیت کاتالیتیکی آن را مهار می‌کند.

تنظیم ترشح پپسین

یکی از عوامل تنظیم‌کننده ترشح پپسینوژن، غلظت HCl موجود در شیره معده است. افزایش غلظت این اسید منجر به تحریک نورون‌های کولینرژیک معده و تحریک سلول‌های اصلی برای ترشح این آنزیم می‌شود. به علاوه هورمون گاسترین با اثر بر سلول‌های کناری و افزایش ترشح HCl به طور غیرمستقیم ترشح و فعالسازی پپسین را افزایش می‌دهد.

اثر پپسین در رفلاکس معده چیست ؟

رفلاکس معده (GERD) یکی از اختلال‌های گوارشی متداول است که بر اثر ورود محتویات معده به مری ایجاد می‌شود. محتویات معده غذای نیمه‌گوارش شده، اسید کلریدریک و آنزیم‌های این بخش است. در بخش‌های قبل توضیح دادیم که یک لایه محافظتی در دیواره معده برای جلوگیری از اثر این آنزیم بر سلول‌های اپیتلیال وجود دارد. اما مری فاقد این سطح محافظتی است و ورود شیره به آن سبب ایجاد زخم می‌شود.

کاربرد پپسین در صنعت

پپسین یکی از پروتئازهایی است که در صنایع مختلف از آن استفاده می‌شود.

• از این آنزیم می‌توان برای دلمه کردن شیر در تولید پنیر، فراوری دانه سویا، تولید غذاهای گیاهی یا جانوری نیمه‌آماده، تولید طعم به‌وسیله پروتئین‌های گیاهی یا جانوری استفاده کرد.
• پپسین یکی از پروتئازهای پرکاربرد در صنایع چرم طبیعی است و به‌وسیله آن می‌توان مو و پشم حیوانات را از چرم جدا کرد.
• در صنایع داروسازی از این آنزیم برای جدا کردن قطعات Fab از آنتی‌بادی‌ها استفاده می‌شود. این آنزیم برای فعالیت بهینه در فرایندهای صنعتی به دمای ۳۷ تا ۴۰ درجه سانتی‌گراد و pH اسیدی (۱٫۵ تا ۲) نیاز دارد.

پروتئازهای دستگاه گوارش

تریپسین، کموتریپسین، کربوکسی‌پپتیداز A و کربوکسی‌پپتیداز B سایر پروتئازهای دستگاه گوارش هستند که به‌وسیله پانکراس ترشح و به گوارش پروتئین‌ها در روده کوچک کمک می‌کنند. تفاوت اصلی این آنزیم‌ها با پپسین pH بهینه آن‌ها است. این آنزیم‌ها در pH قلیایی فعالیت می‌کنند. به همین دلیل سلول‌های دیواره دئودئوم برای خنثی کردن pH اسیدی دیواره معده بی‌کربنات ترشح می‌کند.

تفاوت تریپسین و پپسین

تریپسین پروتئازی است که زیموژن (تریپسینوژن) آن در پانکراس تولید و به‌وسیله رگ‌های خونی به دئوئوم روده منتقل می‌شود. تریپسینوژن، پروآنزیم تریپسین است که به‌وسیله آنزیم انتروکیناز در دئودئوم فعال می‌شود. مکانیسم عمل تریپسین و پپسین هیدرولیز اسید و باز است اما باقی‌مانده‌های آمینواسید سرین در جایگاه فعال تریپسین، شکست پیوند پپتیدی در انتهای C آمینواسیدهای لیزین و آرژینین پروتئین را کاتالیز می‌کند. به علاوه بیشترین فعالیت آنزیم تریپسین در pH قلیایی (۷٫۵-۸) انجام می‌شود.

تفاوت کموتریپسین و پپسین

یکی از سرین پروتئازهایی است که به‌وسیله پانکراس تولید می‌شود و پس از ورود به دئودئوم پروتئین‌ها را به زیرواحدهای آمینواسید تبدیل می‌کند. مکانیسم کاتالیزی این آنزیم مثل پپسین هیدرولیز اسید-بازی است. شکل غیرفعال کموتریپسین به‌وسیله تریپسین در دئودئوم فعال می‌شود. به علاوه کموتریپسین فعال با اثر بر کموتریپسین غیرفعال، تعداد آنزیم‌های فعال را افزایش می‌دهد. کموتریپسین با شکستن پیوند پپتیدی موجود در انتهای C آمینواسیدهای آروماتیک به گوارش پروتئین‌ها کمک می‌کند.

کربوکسی پپتیداز A

این اگزوپپتیداز ترشحی از پانکراس، آمینواسیدهای آروماتیک (تریپتوفان، تیروزین و فنیل آلانین) یا آلیفاتیک (آمینواسیدهای دارای زنجیره جانبی غیرقطبی و آبگریز) را از انتهای C پروتئین‌های موجود در دئودئوم جدا می‌کند. جگاه فعال این آنزیم برخلاف سایر پپتیدازهای لوله گوارش که در بخش|‌های قبلی توضیح دادیم از عنصر روی برای هیدرولیز پیوند پپتیدی استفاده می‌کند. روی موجود در جایگاه فعال یک اسید لوئیس قوی (پذیرنده جفت الکترون غیرپیوندی) است که به جای گروه کربوکسیل آسپارتات که انجام واکنش هیدرولیز در پپسین، عمل می‌کند.

کربوکسی پپتیداز B

کربوکسی‌پپتیداز B ازجمله متالوپروتئیازهای دستگاه گوارش است که آمینواسیدهای لیزین، آرژینین و اورنیتین انتهای C پروتئین‌ها را در دئودئوم جدا می‌کند. این آنزیم مثل سایر پروتئازهای گوارشی به‌شکل زیموژن ترشح می‌شود و پس از ورود به دئودئوم با اثر تریپسن، فعال خواهد شد. کربوکسی‌پپتیداز B در pH قلیایی (۹) بیشترین فعالیت خود را دارد.

جمع بندی

در این مطلب توضیح دادیم که پپسین یکی از پروتئازهای دستگاه گوارش است که گوارش پروتئین‌ها را در معده شروع می‌کند. سلول‌های جانبی مخاط معده این آنزیم را به‌کل غیرفعال ترشح می‌کنند و اسید معده با اثر بر ساختار پلی‌پپتید آن، سبب فعال شدن آنزیم خواهد شد. همچنین در از این پروتئاز در صنایع غذایی و چرم‌سازی استفاده می‌شود.