丝氨酸蛋白酶查看源代码讨论查看历史

丝氨酸蛋白酶3D立体图构，原图链接

丝氨酸蛋白酶（英语：Serine protease），或名“丝氨酸内肽酶 ”，是切割蛋白质中肽键的酶，其中丝氨酸在（酶的）活性位点充当亲核 氨基酸 。在真核生物和原核生物中都普遍发现它们。丝氨酸蛋白酶根据其结构分为两大类：胰凝乳蛋白酶样（胰蛋白酶样）或枯草杆菌蛋白酶样。

分类

丝氨酸蛋白酶属于蛋白酶PA家族（超家族）的S1家族。MEROPS蛋白酶分类系统计数了16个超家族（截至2013年），每个超家族均包含许多家族。每个超家族以不同的蛋白质折叠使用催化三联体或二联体 ，因此代表了催化机理的趋同进化。大多数属于蛋白酶PA家族（超家族）的S1家族。

对于超家族 ，P =包含亲核类家族混合物的超家族，S =纯丝氨酸蛋白酶。 超家族。在每个超家族中， 家族以其催化亲核试剂命名（S =丝氨酸蛋白酶）。丝氨酸蛋白酶的特征在于独特的结构，该结构由两个在催化活性位点会聚的β-桶结构域组成。 这些酶可以根据其底物特异性进一步分类为胰蛋白酶样，胰凝乳蛋白酶样或弹性蛋白酶样。

底物特异性

类胰蛋白酶

胰蛋白酶样蛋白酶在带正电荷的氨基酸（ 赖氨酸或精氨酸 ）后切割肽键。 [4]特异性是由位于酶S1口袋底部的残基（通常是带负电荷的天冬氨酸或谷氨酸 ）驱动的。

胰凝乳蛋白酶样

胰凝乳蛋白酶样酶的S1口袋比胰蛋白酶样蛋白酶的疏水性更高。 这导致对中等至大型疏水残基（例如酪氨酸 ，苯丙氨酸和色氨酸）的特异性。

凝血酶样

这些包括凝血酶 ，组织激活纤溶酶原和纤溶酶 。已经发现它们在凝血和消化以及神经退行性疾病例如阿尔茨海默氏病和帕金森氏诱导的痴呆症的病理生理中具有作用。

类弹性蛋白酶

类似于弹性蛋白酶的蛋白酶比类似于胰蛋白酶或胰凝乳蛋白酶的蛋白酶具有更小的S1裂口。因此，倾向于优选诸如丙氨酸 ，甘氨酸和缬氨酸的残基。

枯草杆菌蛋白酶样

枯草杆菌蛋白酶是原核生物中的一种丝氨酸蛋白酶。枯草杆菌蛋白酶在进化上与胰凝乳蛋白酶家族无关，但是具有相同的催化机制，利用催化三联体产生亲核丝氨酸 。这是用于说明收敛进化的经典示例，因为同一机制在进化过程中独立地进化了两次。

催化机理

丝氨酸蛋白酶，通过进化的免疫基础。原图链接

serine protease reaction mechanism 丝氨酸蛋白酶催化机制的主要参与者是催化三联体。 三联体位于发生催化作用的酶的活性位点，并保留在丝氨酸蛋白酶的所有超家族中。该三联体是由三个氨基酸组成的协调结构：His 57，Ser 195（因此称为“丝氨酸蛋白酶”）和Asp102。这三个关键氨基酸各自在蛋白酶的裂解能力中起重要作用。 尽管三联体的氨基酸成员由于折叠而在蛋白质序列上彼此远离，但它们在酶的心脏中却彼此非常接近。 三联体成员的特定几何形状对其特定功能具有高度的特征：已表明，三联体的仅四个点的位置表征了所含酶的功能。

在催化的情况下，发生有序的机理，其中产生了几种中间体。 肽切割的催化作用可视为乒乓催化，其中底物结合（在这种情况下，多肽被切割），产物被释放（肽的N端“一半”），另一种被释放底物结合（在这种情况下为水），释放另一种产物（肽的C末端“一半”）。

三联体中的每个氨基酸在此过程中执行特定的任务：

• 1.丝氨酸具有-OH基团，该基团能够充当亲核试剂 ，攻击底物的易裂肽键的羰基碳。
• 2.组氨酸氮上的一对电子具有接受来自丝氨酸 -OH基团的氢的能力，因此可以协调肽键的攻击。
• 3.天门冬氨酸上的羧基反过来与组氨酸形成氢键 ，使上面提到的氮原子具有更多的电负性 。

整个反应可以总结如下：

• 1.多肽底物结合到丝氨酸蛋白酶的表面，使得可裂解键插入酶的活性位点，该键的羰基碳位于亲核 丝氨酸附近。
• 2.丝氨酸 -OH攻击羰基碳， 组氨酸的氮接受[丝氨酸] -OH的氢，而羰基氧的双键电子对移向氧。结果，产生了四面体中间体。
• 3.肽键中连接氮和碳的键现在被破坏。 形成该键的共价电子移动以攻击组氨酸的氢，从而破坏连接。 先前从羰基氧双键移出的电子从负氧移回以重建键，从而生成酰基酶中间体。
• 4.现在，水开始反应了。水取代了裂解肽的N末端 ，并攻击羰基碳。 当水的氧和碳之间形成键时，来自双键的电子再次移至氧，使其变为负。 这与组氨酸的氮协调，该组氨酸从水中接受质子。 总的来说，这产生了另一种四面体中间体。
• 5.在最终反应中，第一步中在丝氨酸和羰基碳之间形成的键移动，以攻击组氨酸刚获得的氢。 现在缺乏电子的羰基碳与氧重新形成双键。 结果，现在弹出了肽的C端 。

其他稳定作用

已经发现，蛋白酶的另外的氨基酸Gly 193和Ser 195参与产生所谓的氧阴离子孔 。 Gly 193和Ser 195均可提供骨架氢用于氢键键合。 当生成步骤1和步骤3的四面体中间体时，已接受来自羰基双键的电子的负氧离子完全适合于氧阴离子孔。 实际上，丝氨酸蛋白酶优先结合过渡态 ，有利于整体结构，降低了反应的活化能。 这种“优先结合”是酶的大部分催化效率的原因。

丝氨酸蛋白酶活性的调节

丝氨酸蛋白酶和调节剂。原图链接

宿主生物必须确保丝氨酸蛋白酶的活性得到适当调节。 这是通过初始蛋白酶活化和抑制剂分泌的要求来实现的。

酶原激活

酶原是酶的通常无活性的前体。 如果消化酶在合成时具有活性，它们将立即开始咀嚼合成器官和组织。 急性胰腺炎就是这样一种疾病，其中胰腺中的消化酶过早活化，导致自身消化（自溶）。 这也使验尸工作变得复杂，因为胰腺通常会在消化之前进行自我消化，然后才能进行肉眼评估。

酶原是大的无活性结构，具有分解或变成较小的活化酶的能力。 酶原和活化酶之间的差异在于，酶原催化的活性位点被扭曲。 结果，底物多肽不能有效结合，并且不会发生蛋白水解 。 仅在激活后，酶原的构象和结构发生变化，活性位点打开， 蛋白水解才会发生。

可以看出，将胰蛋白酶原激活为胰蛋白酶是必不可少的，因为它可以激活自身的反应以及胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶的反应。 因此，至关重要的是该激活不会过早发生。 生物体采取了几种保护措施来防止自身消化：

胰蛋白酶对胰蛋白酶原的激活相对缓慢 酶原被存储在酶原颗粒中，酶原颗粒的壁被认为对蛋白水解具有抗性。

抑制作用

有些抑制剂类似于四面体中间体，因此会填满活性位点，从而阻止酶正常工作。 胰蛋白酶是一种强大的消化酶，在胰腺中产生。 抑制剂可防止胰腺自身消化。丝氨酸蛋白酶与丝氨酸蛋白酶抑制剂配对，当不再需要它们时，它们会关闭其活性丝氨酸蛋白酶和调节剂。。

丝氨酸蛋白酶受到多种抑制剂的抑制 ，这些抑制剂包括用于研究或治疗目的的合成化学抑制剂，以及天然蛋白质抑制剂。 一类称为“丝氨酸蛋白酶抑制剂”的天然抑制剂（ 丝氨酸蛋白酶抑制剂的缩写）可以与丝氨酸蛋白酶形成共价键，从而抑制其功能。 研究最好的丝氨酸蛋白酶抑制剂是抗凝血酶和α1-抗胰蛋白酶 ，分别研究了它们在凝血 / 血栓形成和肺气肿 / A1AT中的作用。 人工不可逆小分子抑制剂包括AEBSF和PMSF 。

在蝗虫和小龙虾中发现了一种节肢动物丝氨酸肽酶抑制剂家族，称为pacifastin ，可能在节肢动物的免疫系统中起作用 。

在疾病中的作用

突变可能导致酶活性降低或增加。 根据丝氨酸蛋白酶的正常功能，这可能会有不同的结果。 例如， 蛋白C的突变可导致蛋白C缺乏并易于形成血栓 。 另外，一些蛋白酶通过引发病毒的Spike蛋白显示名为“融合蛋白”的蛋白（ TMPRSS2激活SARS-CoV-2融合蛋白）在宿主细胞-病毒融合激活中起著至关重要的作用。

诊断用途

丝氨酸蛋白酶水平的测定在特定疾病的背景下可能是有用的。

诊断出血或血栓形成状况可能需要凝血因子水平。 粪便弹性蛋白酶用于确定胰腺的外分泌活性，例如在囊性纤维化或慢性胰腺炎中 。 血清前列腺特异性抗原用于前列腺癌筛查 ，危险分层和治疗后监测。 肥大细胞释放的丝氨酸蛋白酶是1型超敏反应 （例如过敏反应 ）的重要诊断标记。 由于更长的半衰期 ，因此比例如组胺更有用，这意味著它在系统中保留了临床上有用的时间。

视频

Serine Protease: Background & Catalytic Mechanism – Biochemistry /Lecturio丝氨酸蛋白酶：背景与催化机理–生物化学/莱克图里奥

Specificity of Serine Proteases (Chymotrypsin, Trypsin and Elastase)丝氨酸蛋白酶（胰蛋白酶，胰蛋白酶和弹性蛋白酶）的特异性

21.06 Serine and Cysteine Proteases21.06丝氨酸和半胱氨酸蛋白酶