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2026-03-01T16:21:54Z

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{{Infobox Protein
| Name =
| Bild = Thermolysin 2A7G.png
| Bild_legende = Bändermodell nach {{PDB|2A7G}}. Die Zink-Bindungsstellen sind gelb, andere katalytische Aminosäuren orange, Zink hellblau, Calcium lachsfarben.
| PDB = siehe {{UniProt|P00800}}
| Groesse = 316 Aminosäuren
| Kofaktor = Zn2+; 4 Ca2+
| Precursor =
| Struktur =
| Isoformen =
| HGNCid =
| Symbol = npr
| AltSymbols =
| OMIM =
| UniProt = P00800
| MGIid =
| CAS = {{CASRN|9073-78-3}}
| CASergänzend =
| ATC-Code = 
| DrugBank =
| Wirkstoffklasse =
| EC-Nummer = 3.4.24.27
| Kategorie = Metalloprotease
| Peptidase_fam = M04.001
| Reaktionsart =
| Substrat = Xaa-+-Leu > Xaa-+-Phe
| Produkte =
| Homolog_fam = Thermolysin
| Taxon = [[Bakterien]]
| Taxon_Ausnahme =
| Orthologe =
}}'''Thermolysin''' ist ein [[thermostabil]]es [[Enzym]], das zur Gruppe der [[Metallopeptidase]]n gehört. Es wird vom [[thermophil]]en Bakterium ''Bacillus thermoproteolyticus'' sezerniert.<ref>Endo, S. (1962). ''Studies on protease produced by thermophilic bacteria''. In: ''J. Ferment. Technol.'' '''40'''; 346–353.</ref> Als [[Endoprotease]] katalysiert es die Spaltung von [[Peptidbindung]]en; dabei erfolgt die Hydrolyse der Peptidbindung vor großen, hydrophoben Resten (P1' Aktivität), (beispielsweise nach [[Leucin]], [[Isoleucin]] oder [[Phenylalanin]]) innerhalb des Polypeptides.<ref>Morihara, K. und Tsuzuki, H. (1970): ''Thermolysin: kinetic study with oligopeptides''. In: ''[[Eur J Biochem]].'' '''15'''(2); 374–80; PMID 4993757.</ref>

Das Enzym trägt die [[EC-Nummer]] {{EC|3.4.24.27}}.

== Allgemeines ==
Thermolysin gehört zu den [[Zink]] enthaltenden Metalloproteasen und ist eines der bestuntersuchten [[Enzym]]e dieser Superfamilie. Die dreidimensionale Struktur wurde bereits 1972 von Matthews und Mitarbeitern in einer Auflösung von 2,3 [[Ångström (Einheit)|Å]] aufgeklärt, mittlerweile wurde eine Auflösung von 1,6 Å erreicht.<ref>Colman PM. ''et al.'' (1972): ''The structure of thermolysin: an electron density map at 2-3 Å resolution''. In: ''J Mol Biol.'' '''70'''(3): 701–24; PMID 5083153.</ref><ref>Weaver LH. ''et al.'' (1976): ''The structure and stability of thermolysin''. In: ''Experientia Suppl.'' '''26'''; 31–9; PMID 820566.</ref>

== Struktur ==
Thermolysin hat eine [[molare Masse]] von 34,6 [[Dalton (Einheit)|kDa]]. Das Enzym hat eine [[N-terminal]]e und eine [[C-terminal]]e [[Proteindomäne|Domäne]], die eine Spalte für sein aktives Zentrum ausbilden. Die N-terminale Domäne besteht hauptsächlich aus [[β-Faltblatt|β-Faltblättern]], die stabilere C-terminale Domäne aus [[α-Helix|α-Helices]].<ref name="Roche">Roche, RS. und Voordouw, G. (1978): ''The structural and functional roles of metal ions in thermolysin''. In: ''CRC Crit Rev Biochem.'' '''5'''(1); 1–23; PMID 357082.</ref>

Thermolysin benötigt ein Zinkion und vier [[Calcium]]ionen. Ersteres ist für die Enzymaktivität essentiell, trägt aber kaum zur [[Thermostabil]]ität bei. Das Zinkion findet sich im aktiven Zentrum. Die Thermostabilität wird durch die Calciumionen vermittelt.<ref>Tajima, M. ''et al.'' (1976): ''Role of calcium ions in the thermostability of thermolysin and Bacillus subtilis var. amylosacchariticus neutral protease''. In: ''Eur J Biochem.'' '''64'''(1); 243–7; PMID 819262.</ref> Die Calciumionen stabilisieren die strukturelle Integrität und schützen die aus der Oberfläche des Enzyms ragenden Schleifen (''loops'') vor Autoproteolyse („Selbstverdauung“).<ref>[[Wolfgang Kaim|W. Kaim]]/B. Schwederski, Bioanorganische Chemie, Teubner Studienbücher, 1995, ISBN 3-519-13505-1, S. 261.</ref>

Das Protein besitzt keine Disulfidbrücken.

== Chemische Eigenschaften ==
Die Endoprotease ist thermostabil, ihr Funktionsoptimum liegt zwischen 65 und 70 °C bei pH 8,0.<ref>Datenblatt {{Webarchiv |url=http://www.cy-bio.com/Administrator/Order/20091222125942b.pdf |wayback=20140219113810 |text=Thermolysin}} (PDF; 104 kB) der Firma Daiwa Kasei K.K.</ref> Bei 80 °C liegt seine strukturelle Halbwertszeit bei einer Stunde.<ref name="Rao">Rao, MB. ''et al.'' (1998): ''Molecular and biotechnological aspects of microbial proteases''. In: ''Microbiol Mol Biol Rev.'' '''62'''(3); 597–635; PMID 9729602; [http://mmbr.asm.org/cgi/reprint/62/3/597.pdf PDF] (freier Volltextzugriff, engl.).</ref> Eine Hitzedenaturation von Thermolysin erfolgt jedoch schnell und irreversibel. Dies geschieht durch Entfaltung und Autoproteolyse exponierter Sequenzen.<ref name="Roche" />

== Katalysemechanismus ==
[[Datei:Thermolysin detail 2A7G.png|mini|300px|Detail des Bändermodell nach PDB 2A7G.]]
Obzwar viele Daten über [[Kristallstrukturanalyse]]n, [[Mutagenese]]experimente und Untersuchungen der Reaktionskinetik vorliegen, steht der exakte Katalysemechanismus noch zur Debatte. Mit Hilfe von [[In silico|Computersimulationen]] aus kristallographischen Daten gilt aber folgender Reaktionsmechanismus als der wahrscheinlichste.

Im nativen Zustand liegt das Zinkion tetraedrisch [[Koordinationsverbindung|koordiniert]] vor. Dabei bildet das Metallion einen [[Komplexchemie|Komplex]] zu drei Aminosäureresten des Enzyms ([[Histidin]] 142 (His 142), Histidin 146 (His 146) und [[Glutaminsäure]] 166 (Glu 166)) und einem Wassermolekül (vgl. auch untenstehende Abbildung). Letzteres ist allen Zink-Metalloproteinen gemeinsam.

Nach Binden des zu [[Hydrolyse|hydrolisierenden]] [[Peptid]]s (Schritt '''1''' in der Abbildung) liegt das Zinkion pentakoordiniert vor. Gleichzeitig wird das Wassermolekül in Nähe des Glutamats 143 (Glu 143) gebracht und von diesem und dem positiv geladenen Zinkatom stark polarisiert. Dies hat zur Folge, dass die Nukleophilie des Wassermoleküls groß genug wird, um die Peptidbindung anzugreifen.

Der nukleophile Angriff (Schritt '''2''') auf die Peptidbindung erfolgt, dabei wird das eine [[Proton (Chemie)|Proton]] des Wassers durch das Glu 143 zum Stickstoff übertragen. Das Kohlenstoffatom der [[Peptidbindung]] liegt nun tetraedrisch vor. His 231 und [[Tyrosin]] (Tyr) 157 helfen dabei, den Carbonylsauerstoff zu stabilisieren. Schließlich erfolgt die Spaltung der Peptidbindung, dabei wird das zweite vom Wasser stammende Proton via Glu 143 auf das [[Stickstoff]]atom übertragen.

Das Aminprodukt verlässt das aktive Zentrum als protonierte Form (Schritt '''3'''). Das Carboxylprodukt wird durch ein neues Wassermolekül ersetzt (Schritt '''4'''), so dass das Zinkatom wieder tetraedrisch koordiniert vorliegt. Ein neuer Reaktionsmechanismus kann beginnen.

Der Glu-143-Rest formt mit den beiden Histidinen His 142 und 146 ein sogenanntes übereinstimmendes Sequenzmotiv, das '''HE''XX''H-Motiv'''. Dieses Motiv ist in allen Vertretern der Zinkendoproteasen mit einem Zinkatom hochkonserviert.

[[Datei:Thermolysin reaction cycle.png|700px|ohne|mini|Katalysemechanismus Thermolysins. Einzelheiten sind dem Text zu entnehmen.]]

== Inhibitoren ==
Ein natürlicher [[Inhibitor]] von Thermolysin ist Phosphoramidon<ref group="S">{{Substanzinfo|Name=Phosphoramidon|CAS=36357-77-4 |EG-Nummer=252-996-3 |ECHA-ID=100.048.164 |ZVG= |PubChem=445114 |ChemSpider=392848 |DrugBank=DB02557 |Wikidata=Q7187544 }}</ref> aus ''[[Streptomyces tanashiensis]]''. Der zurzeit wirksamste Hemmstoff ist das artifizielle ZFpLA (Carbobenzoxy-L-PheP-L-Leu-L-Ala).<ref group="S">{{Substanzinfo|Name=ZFpLA, auch 4tmn |CAS=110786-00-0 |KeinCASLink=1 |EG-Nummer= |ECHA-ID= |ZVG= |PubChem=5492587 |ChemSpider=4591060 |Wikidata=Q27451311 }}</ref> In beiden Fällen liegt ein Phosphoramidat vor (eine kovalente Verbindung zwischen einem Stickstoff- und einem Phosphoratom).

[[Datei:Phosphoramidon.svg|mini|200px|Phosphoramidon, ein natürlicher Hemmstoff]]
[[Datei:4tmn.svg|mini|200px|Der wirksamste künstliche Inhibtor ist ZFpLA]]

== Technische Anwendungen ==
Das Enzym kann für die Synthese von [[Aspartam]], einem Süßstoff, verwendet werden.<ref name="Rao" /> Dabei wird die Kondensation – also die Umkehrreaktion der Hydrolyse (''reverse proteolysis'') – von L--Aspartat und L-Phenylalanin zu L-Aspartyl-L-phenylalaninmethylester (=Aspartam) katalysiert.<ref>Arnold Ulrich: [http://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/habil-online/08/08H113/t4.pdf ''Limitierte Proteolyse zur Analyse lokaler und globaler Änderungen der Proteinstruktur am Beispiel von Ribonucleasen.''] Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Habilitationsschrift, 2008, S. 35–36.</ref>

== Literatur ==
* Matthews, BW. (1988): ''Structural basis of the action of thermolysin and related zinc peptidases''. In: ''Acc. Chem. Res.'' '''21'''(9); 333–340; [[doi:10.1021/ar00153a003]]
* Pelmenschikov, V. ''et al.'' (2002): ''A theoretical study of the mechanism for peptide hydrolysis by thermolysin''. ''J Biol Inorg Chem.'' '''7'''(3); 284–98; PMID 11935352; [[doi:10.1007/s007750100295]]

== Weblinks ==
*[http://proteopedia.org/wiki/index.php/2a7g Proteopedia: manipulierbares 3D-Modell des Thermolysins]

== Einzelnachweise ==
<references />

== Externe Links zu erwähnten Verbindungen ==
<references group="S" />

[[Kategorie:Peptidase]]

Thermolysin - Versionsgeschichte

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