אנזים מפרק אינסולין (Insulin-degrading enzyme, IDE) הוא פרוטאז, ששמו נגזר מתפקודו העיקרי בתא - לפרק את ההורמון הפפטידי אינסולין. הורמון האינסולין מופרש מבלוטת הלבלב כאשר הפונקציה המרכזית שלו היא לווסת את רמת הסוכר בדם על ידי הגדלת מספר התעלות לסוכר בתאי המטרה ובכך להגביר את ספיגת הגלוקוז על-ידם, כמו גם לעודד יצירת חומרי תשמורת (גליקוגן ושומן). להורמון אינסולין חשיבות מכרעת בתפקודו התקין של הגוף והיא מודגמת היטב במחלת סוכרת בה ישנה פגיעה בתפקוד או בהפרשת האינסולין לזרם הדם, מה שעלול להוביל למחלות מטאבוליות ולתופעות בריאותיות חמורות. הרגולציה על אינסולין בתיווכו של האנזים מפרק האינסולין יכולה אם כן לתרום להבנת המנגנון המבקר על תפקודו התקין של האינסולין וייתכן גם על דרכים תֵּרָפּוֹיְטִיּוֹת חדשות לטיפול במחלת הסכרת על כל סוגיה.
מבנה ותפקוד
איור 1 - מיקום הגן של האנזים מפרק האינסולין באדם. כפי שניתן לראות, מיקומו של הגן נמצאה בזרועה הארוכה של הכרומוזום, מתחת לצנטרומר. אורך הגן הוא 122,409 זוגות בסיסים בדנ
א.
איור 2 - הקונפורמציה הפתוחה והסגורה של האנזים. כפי שניתן לראות, בקונפורנציה הסגורה, הסוסבסטרט אינו יכול להיקשר להאתר הפעיל הפרוטאוליטי, בעוד שבקונפורמציה הפתוחה רואים שהסובסטרט התפרק לחתיכות קטנות, הפפטיד התפרק.
חלבון זה הוא למעשה הומו-דימר, המורכב משני מונומרים (מוצגות בתכלת ובורוד). כדימר, שני המונומרים יכולים להיקשר זה לזה בקצוות שלהם ולשנות את הקונפורמציה המרחבית של האנזים (מפתוחה ולסגורה ולהפך, כפי שיתואר בהמשך).
בבני אדם, הגן לאנזים זה נמצא בכרומוזום מס' 10, ואורכו עומד על 122,409 זוגות בסיסים, כאשר רצף זה מכיל 28 אקסונים (ראו איור 1). בעקבות שחבור חלופי, נוצרים לחלבון זה שני איזופורמים, האחד מכיל 1019 חומצות אמינו והנפוץ יותר, והשני קצר יותר ומכיל 464 חומצות אמינו. בערך זה יתואר ויוסבר האיזופורם הגדול יותר, שמשקלו המולקולרי עומד על כ-118kDa. שימו לב, החלבון שגובש ואשר מופיע בסצנות השונות מציג את השיירים 46-1011 בלבד.
מבוסס על מבנים סלילניים המכונים helix - α (המופיעים בורוד), ומשטחי β הנקראים sheet – β (המופיעים בירוק) וחיבורים מסתלסלים coiled coil (המופיעים בלבן). כאמור, בעקבות שחבור חלופי נוצרים שני איזופורמים שונים. החלבון הנוכחי שמוצג בסצנה הבאה, מורכב מ-966 (כל הצבעים מייצגים חומצות אמינו שונות) שכאמור, זהו החלבון שגובש.
לחלבון יש שתי קונפורמציות מרחביות; האחת סגורה, בה שני המונומרים מתחברים זה לזה בקצוותיהם, והשניה פתוחה, בה האתר הפעיל חשוף יותר להיקשרות הסובסטרט ובה מתאפשרת הקטליזה של האנזים (ראו איור 2).
(מוצגת במג'נטה) נמצאת בתוך תא קטליטי (catalytic chamber) שנוצר בעקבות התקפלות של כל אחד מהמונומרים של האנזים. התא הקטליטי הזה מתאפיין בשיירים בעלי מטען חשמלי חיובי, וכיוון שמטענו של אינוסלין הוא שלילי, עולה המשיכה הכימית בין האתר הפעיל לסובסטרט, כך שההסתברות ליצירת תצמיד אנזים סובסטרט עולה. הרצף של עמדה זו (HLIGHEG) שמור אבולוציונית, כלומר גם ביצורים אחרים אשר מייצרים את האנזים מפרק האינסולין, רצף זה זהה.
פקטור נוסף שעושה רגולציה על המעבר מקונפורמציה פתוחה וסגורה היא רמת ה-ATP בתא.
כחלק מהרגולציה על פעילות החלבון, נקשרת מולקולת ATP המופיעה בכתום. בעמדה זו מופיעה החומצה האמינית ארגינין והיא שמורה אבולוציונית. הקישור של הATP לחלבון מוביל לתעדוף של הקונפורמציה הפתוחה החיונית לפעילות הקטאליטית וליצירת תצמיד אנזים-סובסטרט. כאשר רמות ה-ATP בתא גבוהות, משמעות הדבר היא שמתבצעת נשימה תאית בקצב גבוהה, כלומר, רמת הסוכר בתאים כבר גבוהה. לכן, על מנת לשמור על ההומאוסטזיס בזרם הדם ושלא תהיה היפוגליקמיה,המתאפיינת ברמת גלוקוז נמוכה בדם, יש תעדוף לפירוק של אינסולין, וזאת כדי שפחות גלוקוז יוכל להיכנס לתאים לאורך זמן ורמת הסוכר בדם לא תחרוג מן הטווח ההומאוסטטי (בין 80-110 מיליגרם/דציליטר דם).
האנזים מפרק אינסולין נחשב למטאלופרוטאז, בהיותו מזרז את ריאקציית ההידרוליזה של פפטידים באמצעות שימוש ביוני אבץ. ישנן שלוש המסומנות בבורדו (108 ,112 ,190) ליון המתכת אבץ Zn+2, משמע ששלושת האתרים הללו משתתפים יחד בקשירה של יון אבץ אחד לכל מונומר, ויחד הם מהווים חלק מהאתר הפעיל הפרוטאוליטי בכל אחד מהמונומרים המרכיבים את הדימר. בכל העמדות הללו מופיעה החומצה האמינית היסטידין (H)המכילה בשייר שלה קבוצה המכונה אימידזול אשרה יכולה לקשור יוני מתכת (כדוגמת אבץ וניקל) בקשרים לא קוולנטים. עמדות אלו שמורות מבחינה אבולוציונית.
בסמיכות רבה לעמדות קושרות האבץ נמצא האתר הפעיל בעמדה 111, שם מתבצע הביקוע של הסובסטרט.
למרות שרב הנסתר על הגלוי באשר למכניזם שמסביר את הקטליזה אותה מבצע האנזים, נמצא כי שלב קובע מהירות מותנה התקפה נוקלאופילית שמתרחשת כאשר יוני האבץ עוברים לסובסטרט.
מוצג מונומר יחד עם כל העמדות שהוזכרו עד כה ואשר הן חיוניות לתפקודו התקין של האנזים IDE. במג'נטה האתר קושר סובסטרט, בתכלת עמדת קישור ל-ATP, בבורדו עמדות קישור ליוני אבץ ובצהוב האתר הפעיל.
פונקציות וחשיבות קלינית
איור 3 – תופעות לוואי בהינתן תרופה המעכבת את פעילות האנזים מפרק האינסולין. בתכלת מופיע האנזים כאשר מחוברת אליו מולקולה שמעכבת את פעילותו.
האנזים מפרק האינסולין אובחן לראשונה בשנת 1949 כבעל היכולת לפרק את ההורמון אינסולין (ומכאן אפוא נגזר שמו). הסובסטרט אינסולין מורכב משתי שרשרות פוליפפטידיות; שרשרת ה-A הבנויה מ-21 חומצות אמינו ושרשרת ה-B הבנויה מ-30 חומצות אמינו. שתי השרשרות מחוברות באמצעות קשרים די-סולפידיים ומקופלות יחד (ולמרות זאת, מעניין לציין שהאנזים אינו מפרק את הקשרים האלו בקטליזה של אינסולין!). בשנת 1988 התגלה כי אנזים זה חותך באופן ספציפי את שרשרת B (בעוד שחיתוך בשרשרת זו אינו ספציפי דווקא). לאחר מכן, בהשוואה שעשו עם פרוטאזות שונות התגלה שאנזים זה מסוגל לבצע פעילות קטאליטית על סובסטרטים שונים, ביניהם ההורמונים גלוקגון (אנטגוניסט לאינסולין), TFG-alpha ועמילין.
עמילין הינו הורמון פפטידי המכיל 37 חומצות אמינו ואשר תפקודו לווסת את רמות הסוכר בדם לצד אינסולין (הורמונים סנרג'יסטים). העמילין מופרש ביחד עם אינסולין מתאי β בפנקריאס ביחס של 1 ל-100. לעמילין יש תפקיד ברגולציה של משק הסוכר בגוף, על ידי כך שהוא מאט את התרוקנות הקיבה, ומעודד תחושת שובע, ועל ידי כך הוא מווסת את תזמון שחרור הגלוקוז לזרם הדם לאחר האכילה. בנוסף לרגולציה על הורמונים אלו, בשנת 1994 הראו כי לאנזים IDE יש תפקיד גם בפירוק של החלבון עמילואיד-ביטא, חלבון שהצטברותו (אגרגציה) בתא נמצאת בקורלציה עם מחלת האלצהיימר.
חומרים המעודדים עיכוב של IDE יעלו את רמות החלבונים אותם האנזים מבקר; אינסולין, גלוקגון, עמילין ועמילואיד ביטא. באיור 3 מוצגות תופעות הלוואי האפשריות בעקבות עיכוב של האנזים. בטווח הקצר, תרופות כאלו יביאו לשיפור בסבילות לגלוקוז עבור אנשים הסובלים מסכרת, אך לאורך זמן להיפראינסולינמיה שעלולה להוביל לאי סבילות לאינסולין ובסופו של דבר לאי סבילות לגלוקוז ולסוכרת סוג 2. כמו כן, כיוון שאינסולין הינו הורמון אנבולי שמעודד פרוליפרציה של תאים, העיכוב של האנזים IDE יכולה לעורר סרטן (ולכן חומרים אלו יכולים להיחשב קרצינוגנים). עיכוב של ההורמון גלוקגון תעודד יצירה של גלוקוז בכבד בתהליך המכונה גלוקונאוגנזה, דבר שיעלה את רמת הסוכר בדם (היפרגליקמיה), ואורך זמן תוביל גם כן לאי סבילות לגלוקוז. פגיעה בעמילין יכולה לעודד אפופטוזיס של תאי ביטא בלבלב, המייצרים ומפרישים אינסולין, מה שיוביל גם כן להיפרגליקמיה, בעקבות מחסור באינסולין. אפופטוזיס של תאי עצב (נוירונים) גם כן מועדד בעקבות הצטברות של עמילואיד ביטא. מניסויים גנטיים על עכברים עולה כי גם קיימת קורלציה למחלה המטאבולית סכרת סוג 2. בניסויים אלו עשו נוקאוט גנטי לגן המקודד ל-IDE ויצרו עכברים עםמוטציות חסר אשר אינם מסוגלים לייצר את האנזים. אצל עכברים טראנסגנים אלו הולך ומצטבר אינסולין לאורך זמן (כיוון שאין מי שיפרק אותו ויבקר את רמתו), מצב המכונה אפוא היפראינסולינמיה ובסופו של דבר נוצר מצב של לאי סבילות לגלוקוז, המאפיין את מחלת הסכרת.
כפי שהוזכר, לחלבון זה שתי קונפורמציות מרחביות, כאשר שלב קובע מהירות של התגובה האנזימטית מתאפיין בהתקפה הנוקלאופילית של הסובסטרט בעמדות קושרות האבץ שנמצאות באתר הפעיל. לפיכך, הפקטורים שמייצבים את הקונפורמציה הסגורה משפיעים על השלב קובע המהירות. חוקרים מנסים להבין כיצד לשלוט בפקטורים אלו כדי ליצור תעדוף לקונפורמציה הפתוחה, ובכך להקטין את אנרגיית השפעול הדרושה לתהליך.
נמצא כי מוטציות באזורים ספציפים בחלבון יכולים להוביל לתעדוף של הקונפורמציה הפתוחה, מה שהוביל לקינטיקה גבוה יותר פי 40, פירוש הדבר שהאנזים פועל הרבה יותר מהר. על בסיס תגליות פונקציונליות אלה אפשר להציע דרכים תֵּרָפּוֹיְטִיּוֹת לטיפול במחלת האלצהיימר ובסכרת סוג 2 המבוססות על הרגולציה של הקונפורמציה המרחבית, בתיעדוף לפתוחה המתאפיינת בקנטיקה גבוהה, בכך להגדיל את הפירוק של אינסולין וצבר (אגרגטים) של עמילואיד-ביטא, ולהקדים תרופה למכה.
ביצועי הבנה
דף עבודה בנושא האנזים מפרק אינסולין
