Serpiny – nadrodzina białek o podobnej strukturze, zidentyfikowanych po raz pierwszy dzięki ich aktywności hamowania proteaz. Występują we wszystkich królestwach organizmów żywych. Akronim stanowiący ich nazwę ukuto, ponieważ pierwsze zidentyfikowane serpiny działały jako inhibitory proteaz serynowych przypominających chymotrypsynę (serine protease inhibitors). Znane są z niezwykłego mechanizmu działania, inhibicji nieodwracalnej. Doprowadzają proteazy do znacznej zmiany konformacji, niszcząc miejsce aktywne. Kontrastuje to z bardziej powszechnym mechanizmem inhibicji kompetycyjnej proteaz, w którym inhibitor przyłącza się do miejsca aktywnego enzymu i blokuje je.
Hamowanie proteaz przez serpiny kontroluje szereg procesów biologicznych, jak krzepnięcie czy zapalenie, w efekcie czego białka te stanowią przedmiot badań medycznych. Ich unikalna zmiana konformacyjna czyni je także przedmiotem zainteresowania biologii strukturalnej i badań zwijania białek. Mechanizm zmiany konformacyjnej daje pewne zalety, ale również i wady: geny serpin są podatne na mutacje, mogące skutkować serpinopatiami, jak niewłaściwe fałdowanie się białka czy tworzenie się nieaktywnych długołańcuchowych polimerów. Polimeryzacja serpin nie tylko ogranicza ilość dostępnego aktywnego inhibitora, ale również prowadzi do odkładania się polimerów, co skutkuje śmiercią komórki i dysfunkcją narządu.
Choć większość serpin kontroluje kaskady proteolityczne, niektóre z białek o budowie serpiny nie są inhibitorami enzymów, pełniąc zamiast tego różne funkcje, jak magazynowanie białka (jak w przypadku owoalbuminy białka jaja), transport (jak białka transportujące hormony, np. TBG, transkortyna) czy opiekowanie się innymi białkami (jak HSP47). Terminem serpin określa się je wszystkie pomimo odmiennej funkcji, ponieważ wiąże je pokrewieństwo ewolucyjne.
Historia Aktywność inhibitora proteaz w osoczu krwi po raz pierwszy odnotowano pod koniec pierwszej dekady XIX wieku, ale izolacja serpin doszła do skutku dopiero w latach 50. XX wieku – były to antytrombina i alfa1-antytrypsyna. Początkowe badania skupiały się na ich roli w chorobach człowieka. Niedobór alfa1-antytrypsyny należy do najczęstszych chorób genetycznych, powoduje rozedmę płuc. Niedobór antytrombiny powoduje zakrzepicę.
W latach 80. XX wieku stało się jasne, że inhibitory te stanowią część nadrodziny spokrewnionych ze sobą białek, do której zaliczają zarówno inhibitory proteaz (alfa1-antytrypsyna) i białka bez takiej aktywności (owoalbumina). Termin serpina (serpin) utworzono, bazując na najczęstszej w obrębie tej nadrodziny aktywności inhibitorów proteaz serynowych (serine protease inhibitors). Mniej więcej w tym samym czasie odkryto strukturę pierwszych serpin, wpierw w konformacji zrelaksowanej, potem w naprężonej. Struktura wskazywała, że mechanizm inhibicji obejmuje niezwykłą zmianę konformacyjną, co zwróciło uwagę na badania strukturalne serpin.
Dotychczas zidentyfikowano powyżej 1000 serpin, w tym 36 białek ludzkich. Serpiny występują we wszystkich królestwach organizmów żywych: w organizmach zwierząt, grzybów, roślin, bakterii i archeonów, a nawet w pewnych wirusach (pokswirusy). W pierwszej dekadzie XXI wieku wprowadzono systematyczne nazewnictwo w celu kategoryzacji członków nadrodziny w oparciu o pokrewieństwo ewolucyjne. Serpiny stanowią największą i najbardziej zróżnicowaną nadrodzinę inhibitorów proteaz.
Aktywność thumb|Proteaza (szara) przyłączona do centrum aktywnego serpiny(RCL, niebieski). Kiedy triada katalityczna proteazy (czerwony) odłączy się od RCL, przybierze nieaktywną konformację (PDB: 1K9O) Większość serpin to inhibitory proteaz, których target molekularny stanowią zewnątrzkomórkowe proteazy serynowe typu chymotrypsyny, a więc enzymy posiadające w centrum aktywnym triadę katalityczną obejmującą nukleofilową resztę seryny. Przykłady obejmują trombinę, trypsynę i ludzką elastazę neutrofilową. Serpiny prowadzą inhibicję nieodwracalną, także dla cząsteczki inhibitora, poprzez uwięzienia półproduktu mechanizmu katalitycznego.
Pewne serpiny hamują inne rodziny proteaz, zazwyczaj w takim wypadku proteazy cysteinowe, określa się je terminem „cross-class inhibitors” (inhibitorów międzyklasowych). Enzymy te różnią się od proteaz serynowych wykorzystywaniem w miejscu aktywnym nukleofilowej reszty cysteinylowej zamiast serylu. Niemniej chemia reakcji enzymatycznej jest podobna, a mechanizm inhibicji obu klas enzymów przez serpiny taki sam. Przykłady takich serpin to SERPINB4, antygen 1 rak kolczystokomórkowego skóry (SCCA-1) i ptasie białko MENT (myeloid and erythroid nuclear termination stage-specific protein), hamujące proteazy cysteinowe typu papainy.
Funkcja biologiczna i lokalizacja Inhibicja proteaz Około dwóch trzecich ludzkich serpin działa pozakomórkowo, hamując proteazy w krwiobiegu, bądź modulując ich aktywności. Pozakomórkowe serpiny na przykład regulują proteolityczne kaskady kluczowe dla procesu krzepnięcia krwi (antytrombina) czy zapalenia i odpowiedzi immunologicznej (antytrypsina, alfa1-antychymotrypsyna, inhibitor C1) remodelingu tkankowego (PAI-1). Poprzez inhibicję proteaz kaskad sygnałowych mogą również wpływać na procesy rozwojowe.
Trudno jest zidentyfikować proteazy stanowiące wewnątrzkomórkowe targety molekularne serpin, jako że wiele z tych cząsteczek wydaje się pełnić przenikające się role. Co więcej, wiele ludzkich serpin nie posiada dokładnych funkcjonalnych odpowiedników w organizmach modelowych, jak mysz. Niemniej ważną funkcją wewnątrzkomórkowych serpin może być ochrona przed nieprawidłową aktywnością proteaz w komórce. Na przykład jedna z najlepiej opisanych ludzkich wewnątrzkomórkowych serpin SERPINB9 (serpina B9) hamuje proteazę cytotoksycznych ziarnistości granzym B. Poprzez to serpina B9 może ochraniać komórkę przed niecelowym uwolnieniem granzymu B i przedwczesną bądź niepożądaną apoptozą.
Niektóre wirusy wykorzystują serpiny do wypaczania działania proteaz ich gospodarzy. Serpina wirusa ospy krowiej CrmA (cytokine response modifier A) służy mu do unikania reakcji zapalnej i apoptozy w zainfekowanych komórkach gospodarza. CrmA wzmaga infekcyjność poprzez supresję odpowiedzi zapalnej gospodarza przez hamowanie działania interleukiny 1 i 18 umożliwianego przez będącą proteazą kaspazę 1. U eukariotów roślinna serpina hamuje zarówno metakaspazy, jak i proteazy cystynowe typu papainy.
Inne funkcje Niebędące inhibitorami serpiny wewnątrzkomórkowe wykonują szeroki zakres ważnych zadań. TBG (globulina wiążąca tyroksynę) i transkortyna transportują hormony odpowiednio tyroksynę i kortyzol. Owoalbumina to najobficiej występujące białko białka jaj. Jego dokładna funkcja nie jest znana. Uważa się, że stanowi materiał zapasowy dla rozwijającego się zarodka. Białko szoku cieplnego HSP 47 jest szaperonem, kluczowym dla fałdowania się kolagenu. Stabilizuje ono potrójną helisę kolagenu podczas obróbki w siateczce śródplazmatycznej.
Pewne serpiny zarówno stanowią proteazy, jak i odgrywają dodatkowe role. Przykładowo inhibitor jądrowej proteazy cystynowej MENT u ptaków uczestniczy także w remodelingu chromatyny w ptasich erytrocytach.
Struktura thumb|Natywna struktura serpin wynika z równowagi pomiędzy stanem w pełni naprężonym (po lewej) i po części zrelaksowanym (po prawej). Pięciopasmowa struktura kartki A (jasnoniebieski) zawiera dwa regiony ważne dla działania serpin. Centrum aktywne (RCL, niebieskie) znajduje się w stanie dynamicznej równowagi pomiędzy konformacją w pełni otwartą i konformacją częściowo zamkniętą kartką a (po prawej). PDB 1QLP 1YXA
Wszystkie serpiny łączy wspólna budowa, choć wypełniają różne funkcje. Wszystkie zazwyczaj mają 3 harmonijki β (oznaczane literami A, B i C) oraz 8 lub 9 helis α (oznaczanych hA–hI). Najistotniejsze dla funkcji serpin są harmonijka A oraz pętla obejmująca centrum aktywne (reactive centre loop, RCL). Harmonijka A obejmuje 2 pasma β ułożone równolegle z regionem określanym jako shutter oraz wyższym regionem nazywanym breach. RCL rozpoczyna interakcję z docelową proteazą. RCL może być w pełni wystawione bądź częściowo schowane w harmonijce A. Serpina znajduje się w stanie dynamicznej równowagi pomiędzy tymi dwoma stanami. RCL reaguje z resztą struktury tylko czasowo, wobec czego zachowuje znaczną giętkość, wyeksponowane na działanie rozpuszczalnika.
Struktura serpin obejmuje kilka różnych konformacji, których ustalenie jest konieczne dla zrozumienia ich wielostopniowego mechanizmu działania. Biologia strukturalna gra wobec tego kluczową rolę w zrozumieniu mechanizmu i biologii serpin.
Zmiana konformacyjna i mechanizm inhibicji Stanowiące inhibitory serpiny nie hamują swych targetów poprzez typowy mechanizm kompetycyjny wykorzystywany przez większość niewielkich inhibitorów proteaz (inhibitor typu Kunitz). Zamiast tego serpiny wykorzystują zmianę konformacji, która zaburza strukturę białka i uniemożliwia mu dokończenie katalizy. Zmiana konformacyjna pociąga za sobą przemieszczenie RCL na przeciwległy koniec białka i umieszczenie pomiędzy β-kartką A z wytworzeniem dodatkowej antyrównoległej β-kartki. Przekształca to serpinę ze stanu napiętego do stanu rozluźnionego o mniejszej energii (przejście S w R).
Proteazy serynowe i cysteinowe katalizują rozpad wiązania peptydowego w procesie dwuetapowym. Wpierw reszta katalityczna miejsca aktywnego triady katalitycznej dopuszcza się ataku nukleofilowego na wiązanie peptydowe substratu. Uwalnia się N-koniec z wytworzeniem wiązania estrowego pomiędzy enzymem a substratem. Ten kompleks pomiędzy enzymem a substratem połączonymi kowalencyjnie nazywa się po angielsku acyl-enzyme intermediate. W przypadku zwyczajnych substratów wiązanie estrowe ulega hydrolizie, uwalniając nowy C-koniec i kończąc w ten sposób katalizę. Jednak jeśli proteaza połączy się z serpiną, szybko przechodzi z formy S w formę R, zanim przejściowy kompleks acyl-enzym ulegnie hydrolizie.
Jako że RCL jest kowalencyjnie związane z proteazą wiązaniem estrowym, przejście formy S w R pociąga proteazę ze szczytu w dół serpiny i rozdziela triadę katalityczną. Potraktowana w ten sposób proteaza potrafi jedynie shydrolizować bardzo wolno acyl-enzyme intermediate i dlatego pozostaje związana kowalencyjnie przez dni bądź tygodnie. Serpiny klasyfikuje się jako inhibitory nieodwracalne i samobójcze, gdyż cząsteczka serpiny trwale traci aktywność po związaniu z pojedynczą proteazą, może więc zadziałać tylko raz.
thumb|center|Mechanizm inhibicji serpin obejmuje znaczną zmianę konfomacyjną, przejście formy S w R. Serpina (biała) wiąże się z proteazą (szarą) eksponującą pętlę z centrum aktywnym (niebieską). Kiedy pętla zostanie odłączona przez proteazę, szybko dostaje się w obręb A-kartki (jasnoniebieskiej), deformując proteazę i hamując jej działanie (PDB 1K9O, 1EZX). thumb|center|Proteazy serynowe i cysteinowe katalizują rozpad wiązania peptydowego w procesie dwuetapowym. Najpierw substrat (niebieski) podlega atakowi nukleofilowemu w wykonaniu reszty cysteiny bądź seryny należącej do triady katalitycznej (czerwonej), w wyniku czego tworzy się przejściowy kompleks (acyl-enzyme intermediate). W przypadku normalnych substratów ulega on hydrolizie. Jednak gdy atakowane jest centrum aktywne serpiny (na pętli RLC), zachodzi zmiana konformacji (niebieska strzałka) wyciągająca triadę katalityczną ze swego miejsca, uniemożliwiając jej dokończenie katalizy (na podstawie PDB 1K9O 1EZX).
Aktywacja allosteryczna thumb|Niektóre serpiny są aktywowane przez kofaktory. Należąca do serpin antytrombina zawiera RCL (niebieskie) z resztą argnininy P1 skierowana do środka, co uniemożliwia wiązanie proteaz. Przyłączenie heparyny (zielonej) powoduje zmianę ułożenia reszty argininy. Docelowa proteaza (szara) może wtedy przyłączyć się do wyeksponowanej reszty argininy P1, jak i do heparyny. Serpina ulega wtedy aktywacji i heparyna jest uwalniana (PDB 2ANT 1TB6 1EZX).