絲氨酸蛋白酶

絲氨酸蛋白酶3D立體圖構，原圖鏈接

絲氨酸蛋白酶（英語：Serine protease），或名「絲氨酸內肽酶 」，是切割蛋白質中肽鍵的酶，其中絲氨酸在（酶的）活性位點充當親核 氨基酸 。在真核生物和原核生物中都普遍發現它們。絲氨酸蛋白酶根據其結構分為兩大類：胰凝乳蛋白酶樣（胰蛋白酶樣）或枯草桿菌蛋白酶樣。

目录

分類

絲氨酸蛋白酶屬於蛋白酶PA家族（超家族）的S1家族。MEROPS蛋白酶分類系統計數了16個超家族（截至2013年），每個超家族均包含許多家族。每個超家族以不同的蛋白質折疊使用催化三聯體或二聯體 ，因此代表了催化機理的趨同進化。大多數屬於蛋白酶PA家族（超家族）的S1家族。

對於超家族 ，P =包含親核類家族混合物的超家族，S =純絲氨酸蛋白酶。 超家族。在每個超家族中， 家族以其催化親核試劑命名（S =絲氨酸蛋白酶）。絲氨酸蛋白酶的特徵在於獨特的結構，該結構由兩個在催化活性位點會聚的β-桶結構域組成。 這些酶可以根據其底物特異性進一步分類為胰蛋白酶樣，胰凝乳蛋白酶樣或彈性蛋白酶樣。

底物特異性

類胰蛋白酶

胰蛋白酶樣蛋白酶在帶正電荷的氨基酸（ 賴氨酸或精氨酸 ）後切割肽鍵。 [4]特異性是由位於酶S1口袋底部的殘基（通常是帶負電荷的天冬氨酸或谷氨酸 ）驅動的。

胰凝乳蛋白酶樣

胰凝乳蛋白酶樣酶的S1口袋比胰蛋白酶樣蛋白酶的疏水性更高。 這導致對中等至大型疏水殘基（例如酪氨酸 ，苯丙氨酸和色氨酸）的特異性。

凝血酶樣

這些包括凝血酶 ，組織激活纖溶酶原和纖溶酶 。已經發現它們在凝血和消化以及神經退行性疾病例如阿爾茨海默氏病和帕金森氏誘導的癡呆症的病理生理中具有作用。

類彈性蛋白酶

類似於彈性蛋白酶的蛋白酶比類似於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，傾向於優選諸如丙氨酸 ，甘氨酸和纈氨酸的殘基。

枯草桿菌蛋白酶樣

枯草桿菌蛋白酶是原核生物中的一種絲氨酸蛋白酶。枯草桿菌蛋白酶在進化上與胰凝乳蛋白酶家族無關，但是具有相同的催化機制，利用催化三聯體產生親核絲氨酸 。這是用於說明收斂進化的經典示例，因為同一機制在進化過程中獨立地進化了兩次。

催化機理

絲氨酸蛋白酶，通過進化的免疫基礎。原圖鏈接

serine protease reaction mechanism 絲氨酸蛋白酶催化機制的主要參與者是催化三聯體。 三聯體位於發生催化作用的酶的活性位點，並保留在絲氨酸蛋白酶的所有超家族中。該三聯體是由三個氨基酸組成的協調結構：His 57，Ser 195（因此稱為“絲氨酸蛋白酶”）和Asp102。這三個關鍵氨基酸各自在蛋白酶的裂解能力中起重要作用。 儘管三聯體的氨基酸成員由於折疊而在蛋白質序列上彼此遠離，但它們在酶的心臟中卻彼此非常接近。 三聯體成員的特定幾何形狀對其特定功能具有高度的特徵：已表明，三聯體的僅四個點的位置表徵了所含酶的功能。

在催化的情況下，發生有序的機理，其中產生了幾種中間體。 肽切割的催化作用可視為乒乓催化，其中底物結合（在這種情況下，多肽被切割），產物被釋放（肽的N端“一半”），另一種被釋放底物結合（在這種情況下為水），釋放另一種產物（肽的C末端“一半”）。

三聯體中的每個氨基酸在此過程中執行特定的任務：

• 1.絲氨酸具有-OH基團，該基團能夠充當親核試劑 ，攻擊底物的易裂肽鍵的羰基碳。
• 2.組氨酸氮上的一對電子具有接受來自絲氨酸 -OH基團的氫的能力，因此可以協調肽鍵的攻擊。
• 3.天門冬氨酸上的羧基反過來與組氨酸形成氫鍵 ，使上面提到的氮原子具有更多的電負性 。

整個反應可以總結如下：

• 1.多肽底物結合到絲氨酸蛋白酶的表面，使得可裂解鍵插入酶的活性位點，該鍵的羰基碳位於親核 絲氨酸附近。
• 2.絲氨酸 -OH攻擊羰基碳， 組氨酸的氮接受[絲氨酸] -OH的氫，而羰基氧的雙鍵電子對移向氧。結果，產生了四面體中間體。
• 3.肽鍵中連接氮和碳的鍵現在被破壞。 形成該鍵的共價電子移動以攻擊組氨酸的氫，從而破壞連接。 先前從羰基氧雙鍵移出的電子從負氧移回以重建鍵，從而生成酰基酶中間體。
• 4.現在，水開始反應了。水取代了裂解肽的N末端 ，並攻擊羰基碳。 當水的氧和碳之間形成鍵時，來自雙鍵的電子再次移至氧，使其變為負。 這與組氨酸的氮協調，該組氨酸從水中接受質子。 總的來說，這產生了另一種四面體中間體。
• 5.在最終反應中，第一步中在絲氨酸和羰基碳之間形成的鍵移動，以攻擊組氨酸剛獲得的氫。 現在缺乏電子的羰基碳與氧重新形成雙鍵。 結果，現在彈出了肽的C端 。

其他穩定作用

已經發現，蛋白酶的另外的氨基酸Gly 193和Ser 195參與產生所謂的氧陰離子孔 。 Gly 193和Ser 195均可提供骨架氫用於氫鍵鍵合。 當生成步驟1和步驟3的四面體中間體時，已接受來自羰基雙鍵的電子的負氧離子完全適合於氧陰離子孔。 實際上，絲氨酸蛋白酶優先結合過渡態 ，有利於整體結構，降低了反應的活化能。 這種“優先結合”是酶的大部分催化效率的原因。

絲氨酸蛋白酶活性的調節

絲氨酸蛋白酶和調節劑。原圖鏈接

宿主生物必須確保絲氨酸蛋白酶的活性得到適當調節。 這是通過初始蛋白酶活化和抑製劑分泌的要求來實現的。

酶原激活

酶原是酶的通常無活性的前體。 如果消化酶在合成時具有活性，它們將立即開始咀嚼合成器官和組織。 急性胰腺炎就是這樣一種疾病，其中胰腺中的消化酶過早活化，導致自身消化（自溶）。 這也使驗屍工作變得複雜，因為胰腺通常會在消化之前進行自我消化，然後才能進行肉眼評估。

酶原是大的無活性結構，具有分解或變成較小的活化酶的能力。 酶原和活化酶之間的差異在於，酶原催化的活性位點被扭曲。 結果，底物多肽不能有效結合，並且不會發生蛋白水解 。 僅在激活後，酶原的構象和結構發生變化，活性位點打開， 蛋白水解才會發生。

可以看出，將胰蛋白酶原激活為胰蛋白酶是必不可少的，因為它可以激活自身的反應以及胰凝乳蛋白酶和彈性蛋白酶的反應。 因此，至關重要的是該激活不會過早發生。 生物體採取了幾種保護措施來防止自身消化：

胰蛋白酶對胰蛋白酶原的激活相對緩慢 酶原被存儲在酶原顆粒中，酶原顆粒的壁被認為對蛋白水解具有抗性。

抑製作用

有些抑製劑類似於四面體中間體，因此會填滿活性位點，從而阻止酶正常工作。 胰蛋白酶是一種強大的消化酶，在胰腺中產生。 抑製劑可防止胰腺自身消化。絲氨酸蛋白酶與絲氨酸蛋白酶抑製劑配對，當不再需要它們時，它們會關閉其活性絲氨酸蛋白酶和調節劑。。

絲氨酸蛋白酶受到多種抑製劑的抑制 ，這些抑製劑包括用於研究或治療目的的合成化學抑製劑，以及天然蛋白質抑製劑。 一類稱為“絲氨酸蛋白酶抑製劑”的天然抑製劑（ 絲氨酸蛋白酶抑製劑的縮寫）可以與絲氨酸蛋白酶形成共價鍵，從而抑制其功能。 研究最好的絲氨酸蛋白酶抑製劑是抗凝血酶和α1-抗胰蛋白酶 ，分別研究了它們在凝血 / 血栓形成和肺氣腫 / A1AT中的作用。 人工不可逆小分子抑製劑包括AEBSF和PMSF 。

在蝗蟲和小龍蝦中發現了一種節肢動物絲氨酸肽酶抑製劑家族，稱為pacifastin ，可能在節肢動物的免疫系統中起作用 。

在疾病中的作用

突變可能導致酶活性降低或增加。 根據絲氨酸蛋白酶的正常功能，這可能會有不同的結果。 例如， 蛋白C的突變可導致蛋白C缺乏並易於形成血栓 。 另外，一些蛋白酶通過引發病毒的Spike蛋白顯示名為“融合蛋白”的蛋白（ TMPRSS2激活SARS-CoV-2融合蛋白）在宿主細胞-病毒融合激活中起著至關重要的作用。

診斷用途

絲氨酸蛋白酶水平的測定在特定疾病的背景下可能是有用的。

診斷出血或血栓形成狀況可能需要凝血因子水平。 糞便彈性蛋白酶用於確定胰腺的外分泌活性，例如在囊性纖維化或慢性胰腺炎中 。 血清前列腺特異性抗原用於前列腺癌篩查 ，危險分層和治療後監測。 肥大細胞釋放的絲氨酸蛋白酶是1型超敏反應 （例如過敏反應 ）的重要診斷標記。 由於更長的半衰期 ，因此比例如組胺更有用，這意味著它在系統中保留了臨床上有用的時間。

視頻

Serine Protease: Background & Catalytic Mechanism – Biochemistry /Lecturio絲氨酸蛋白酶：背景與催化機理–生物化學/萊克圖里奧

Specificity of Serine Proteases (Chymotrypsin, Trypsin and Elastase)絲氨酸蛋白酶（胰蛋白酶，胰蛋白酶和彈性蛋白酶）的特異性

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