ペプシン

ペプシン/ ˈ p ɛ p s ɪ n /は、タンパク質をより小さなペプチドやアミノ酸に分解するエンドペプチダーゼです。ペプシンは、ヒトや他の多くの動物の消化器系における主要な消化酵素の1つであり、食物中のタンパク質の消化を助けます。ペプシンはアスパラギン酸プロテアーゼであり、活性部位に触媒アスパラギン酸を使用します。^{[ 2 ]}

ペプシンは、ヒトの消化器系における3つの主要なエンドペプチダーゼ（タンパク質を中央で切断する酵素）の1つであり、他の2つはキモトリプシンとトリプシンである。タンパク質の両端から個々のアミノ酸を除去するエキソペプチダーゼ（膵臓で産生されるカルボキシペプチダーゼと小腸で分泌されるアミノペプチダーゼ）もある。消化の過程で、それぞれ特定の種類のアミノ酸間の結合を切断することに特化しているこれらの酵素が協力して、食物タンパク質を小腸で容易に吸収できるペプチドとアミノ酸という構成要素に分解する。ペプシンの切断特異性は広いが、チロシン、フェニルアラニン、トリプトファンなどの一部のアミノ酸は切断の可能性を高める。^{[ 3 ]}

ペプシンのチモーゲン（プロ酵素）であるペプシノゲンは、胃壁の胃主細胞から放出され、胃液の塩酸と混ざると活性化してペプシンになる。^{[ 2 ]}

ペプシンは、1836年にテオドール・シュワンによって発見された最初の酵素の1つです。シュワンは、ギリシャ語のπέψις pepsis（「消化」を意味する）（ πέπτειν peptein「消化する」から）からその名前を付けました。 ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}窒素を含む食品を水溶性物質に変換できる酸性物質がペプシンであると判明しました。^{[ 8 ]}

1928年、ジョン・H・ノースロップが透析、濾過、冷却を用いて結晶化に成功し、結晶化された最初の酵素の一つとなった。 ^{[ 9 ]}

ペプシンはペプシノーゲンと呼ばれる前駆体として発現され、その一次構造は活性酵素と比較して44個のアミノ酸が余分に存在している。

胃では、胃主細胞がペプシノゲンを分泌します。この酵素前駆体は、胃壁の壁細胞から分泌される塩酸（HCl）によって活性化されます。食物を摂取すると、ホルモンであるガストリンと迷走神経が、胃壁からのペプシノゲンとHClの分泌を促します。塩酸は酸性環境を作り出し、ペプシノゲンが自己触媒的にほどけて切断され、ペプシン（活性型）が生成されます。ペプシンはペプシノゲンから44個のアミノ酸を切断して、さらにペプシンを生成します。

ペプシノゲンは、その一次構造に基づいて主に5つの異なるグループに分類されます。ペプシノゲンA（ペプシノゲンIとも呼ばれる）、ペプシノゲンB、プロガストリシン（ペプシノゲンIIおよびペプシノゲンCとも呼ばれる）、プロキモシン（プロレンニンとも呼ばれる）、およびペプシノゲンF（妊娠関連糖タンパク質とも呼ばれる）です。^{[ 10 ]}

ペプシンは、pH 1.5～2.5の酸性環境で最も活性が高い。^{[ 11 ] [ 12 ]}そのため、その主な合成および活性部位は胃（pH 1.5～2）である。ヒトの胃におけるペプシンの濃度は0.5～1  mg/mLに達する。^{[ 13 ] [ 14 ]}

ペプシンは pH 6.5 以上では不活性ですが、pH 8.0 になるまでは完全に変性したり不可逆的に不活性化したりすることはありません。^{[ 11 ] [ 15 ]}したがって、pH 8.0 までの溶液中のペプシンは、再酸性化によって再活性化することができます。高 pH でのペプシンの安定性は、喉頭咽頭逆流に起因する疾患に重大な影響を及ぼします。ペプシンは胃食道逆流イベントの後、喉頭内に残ります。^{[ 16 ] [ 17 ]}喉頭咽頭の平均 pH (pH = 6.8) ではペプシンは不活性ですが、その後の酸逆流イベントによって再活性化され、局所組織に損傷を与える可能性があります。

ペプシンは幅広い切断特異性を示します。ペプシンは摂取したアミド結合の最大 20% を消化します。^{[ 18 ]} P1 および P1' 位置の残基^{[ 19 ]}は切断確率を決定する上で最も重要です。一般的に、P1 および P1' 位置の疎水性アミノ酸は切断確率を高めます。P1位置にフェニルアラニン、ロイシン、メチオニン、P1' 位置にフェニルアラニン、トリプトファン、チロシンがあると、最も高い切断確率が得られます。^{[ 3 ] [ 18 ] : 675}正電荷を持つアミノ酸 であるヒスチジン、リジン、アルギニンがP1 位置にあると、切断は不利になります。^{[ 3 ]}

ペプシンは、喉頭咽頭逆流時の粘膜損傷の主な原因の 1 つです。^{[ 20 ] [ 21 ]}胃食道逆流後、ペプシンは喉頭 (pH 6.8) 内に残ります。^{[ 16 ] [ 17 ]}この環境では酵素活性はありませんが、ペプシンは安定しており、その後の酸逆流時に再活性化される可能性があります。^{[ 15 ]}喉頭粘膜が酵素活性のあるペプシンに曝露されると、不可逆的に不活性化されたペプシンや酸に曝露された場合とは異なり、保護タンパク質の発現が減少し、それによって喉頭の損傷に対する感受性が高まります。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

ペプシンは、弱酸性または非酸性の胃食道逆流時に粘膜損傷を引き起こす可能性もある。弱酸性または非酸性の逆流は、逆流症状および粘膜損傷と相関している。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}非酸性条件（中性pH）では、ペプシンは、受容体介在性エンドサイトーシスと呼ばれるプロセスによって、喉頭や下咽頭などの上気道の細胞に取り込まれる。^{[ 26 ]}ペプシンがエンドサイトーシスされる受容体は現在不明である。細胞に取り込まれると、ペプシンは低pHの細胞内小胞に貯蔵され、そこで酵素活性が回復する。ペプシンは最大24時間細胞内に保持される。^{[ 27 ]}中性pHでのペプシンへのこのような曝露とペプシンのエンドサイトーシスは、逆流の兆候や症状の根底にある炎症に関連する遺伝子発現の変化を引き起こし、^{[ 28 ]}および腫瘍の進行を引き起こします。^{[ 29 ]}この研究やその他の研究^{[ 30 ]}は、胃食道逆流に起因する発がんにペプシンが関与していることを示唆しています。

気道検体中のペプシンは、喉頭咽頭逆流の感度と特異度の高いマーカーと考えられています。^{[ 31 ] [ 32 ]}胃食道逆流症に対するペプシンを標的とした新しい治療法や診断法の開発研究が進行中です。現在、唾液サンプル中のペプシンの存在を判定する、迅速で非侵襲的なペプシン診断法であるPeptestが利用可能です。^{[ 33 ]}

ペプシンは、高 pH (活性と安定性を参照) または阻害化合物によって阻害される可能性があります。ペプスタチンは低分子量化合物であり、酸性プロテアーゼに特異的な強力な阻害剤で、ペプシンに対する阻害解離定数 (Ki) は約 10 ⁻¹⁰ M です。ペプスタチンのスタチル残基がペプシンのペプシン阻害の原因であると考えられています。スタチンは、ペプシンや他の酸性プロテアーゼによる触媒作用の遷移状態の潜在的な類似体です。ペプスタチンはペプシンに共有結合しないため、ペプスタチンによるペプシンの阻害は可逆的です。^{[ 34 ]} 1-ビス(ジアゾアセチル)-2-フェニルエタンは、pH 5 でペプシンを可逆的に不活性化し、この反応は Cu(II) の存在によって促進されます。^{[ 35 ]}

豚ペプシンは、豚の大型回虫（ Ascaris suum）が産生するペプシン阻害因子-3（PI-3）によって阻害される。 ^{[ 36 ]} PI-3はN末端残基を用いてペプシンの活性部位を占有し、基質結合を阻害する。成熟PI-3のアミノ酸残基1～3（Gln-Phe-Leu）はペプシンのP1'～P3'の位置に結合する。PI-3:ペプシン複合体におけるPI-3のN末端は、8本のβストランドからなるβシートを形成する水素結合によって位置づけられ、そのうち3本のストランドはペプシン、5本はPI-3によって構成されている。^{[ 36 ]}

ペプシンによるタンパク質消化の産物が反応を阻害する。^{[ 37 ] [ 38 ]}

胃潰瘍やその他のペプシン関連疾患の治療に使用される薬であるスクラルファートも、ペプシン活性を阻害する。 ^{[ 39 ]}

市販のペプシンは豚の胃の腺層から抽出されます。チーズ製造時に牛乳を凝固させるために使用されるレンネットの成分です。ペプシンは食品製造においてさまざまな用途に使用されます。大豆タンパク質やゼラチンを改質して泡立て特性を与えるため^{[ 40 ]} 、植物性タンパク質を改質して乳製品以外のスナック菓子に使用するため、調理済みのシリアルをインスタントホットシリアルにするため^{[ 41 ]}、動物性および植物性タンパク質加水分解物を食品や飲料の風味付けに使用するために調製するためです。皮革産業では、皮から毛や残留組織を除去するため、また、銀を保持しているゼラチン層を消化して廃棄された写真フィルムから銀を回収するために使用されています^{[ 42 ]} 。歴史的には、ペプシンはエドウィン・E・ビーマン博士によってビーマンズガムブランドのチューインガムの添加物でした。

ペプシンは、抗体からF(ab')2 フラグメントを調製する際によく使用されます。一部のアッセイでは、抗体の抗原結合 (Fab) 部分のみを使用する方が好ましいです。これらの用途では、抗体を酵素的に消化して、抗体の Fab または F(ab')2 フラグメントを生成することができます。F(ab')2 フラグメントを生成するには、IgG をペプシンで消化します。ペプシンは、ヒンジ領域付近で重鎖を切断します。^{[ 43 ]}ヒンジ領域で重鎖を結合している 1 つ以上のジスルフィド結合が保持されるため、抗体の 2 つの Fab 領域は結合したままになり、2 つの抗体結合部位を含む二価分子が生成されます。これが F(ab')2 という名称の由来です。軽鎖はそのまま残って重鎖に結合しています。Fc フラグメントは小さなペプチドに消化されます。Fab フラグメントは、ペプシンの代わりにパパインで IgG を切断することによって生成されます。パパインは、重鎖を結合するジスルフィド結合を含むヒンジ領域より上、かつ軽鎖と重鎖の間のジスルフィド結合部位より下でIgGを切断します。これにより、2つの別々の単価（単一の抗体結合部位を含む）Fabフラグメントと無傷のFcフラグメントが生成されます。フラグメントは、ゲルろ過、イオン交換、またはアフィニティークロマトグラフィーによって精製できます。^{[ 44 ]}

FabおよびF(ab')2抗体フラグメントは、Fc領域の存在が問題を引き起こす可能性があるアッセイシステムで使用されます。リンパ節や脾臓などの組織、または末梢血製剤には、Fc受容体を持つ細胞（マクロファージ、単球、Bリンパ球、ナチュラルキラー細胞）が存在し、これらの細胞は完全な抗体のFc領域に結合するため、標的抗原を含まない領域にバックグラウンド染色が生じる可能性があります。F(ab')2またはFabフラグメントを使用することで、抗体がFc受容体ではなく抗原に結合することが保証されます。これらのフラグメントは、補体と結合して細胞を溶解することがないという点で、血漿存在下での細胞製剤の染色にも適しています。F(ab')2フラグメント、そしてより顕著にFabフラグメントは、電子顕微鏡用の組織染色などにおいて、標的抗原のより正確な局在化を可能にします。 F(ab')2フラグメントの二価性により抗原を架橋することができ、沈降アッセイ、表面抗原を介した細胞凝集、またはロゼット形成アッセイに使用できる。^{[ 45 ]}

以下の3つの遺伝子は、同一のヒトペプシノゲンA酵素をコードしている。

4番目のヒト遺伝子は、ペプシノゲンCとしても知られるガストリシンをコードしている。

• MEROPSオンラインデータベース（ペプチダーゼとその阻害剤）：ペプシンA A01.001（ 2008年3月20日、Wayback Machineにアーカイブ） 、ペプシンB A01.002 （2007年12月21日、Wayback Machineにアーカイブ）、ペプシンC（ガストリシン）A01.003 （2020年6月2日、 Wayback Machineにアーカイブ）
• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるペプシン+A
• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるペプシノゲン
• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるペプシノゲン+A
• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるペプシノゲン+C
• ビーマンズガム
• ペプシン：今月の分子（2015年11月30日にWayback Machineにアーカイブ済み） 、著者：David Goodsell、RCSBタンパク質データバンク
• UniProt : P20142 (ヒトガストリシン)のPDBで利用可能なすべての構造情報の概要( PDBe-KB) 。
• UniProtのPDBで利用可能なすべての構造情報の概要：PDBe-KBのP0DJD7（ペプシンA-4）。