丝氨酸蛋白酶

丝氨酸蛋白酶摘要：丝氨酸蛋白酶是一种种类丰富的酶类【1】，之所以以此命名是因为在酶的催化活性位点上包含丝氨酸在内的丝氨酸、组氨酸、天冬氨酸组成的催化三联体。有些丝氨酸蛋白酶类如凝血酶类蛋白酶，其中包括凝血酶，组织纤维蛋白溶酶原激活剂、血纤维蛋白溶酶，它们参与凝血的发生以及炎症应答反应；也有些如胰蛋白酶类的丝氨酸蛋白酶类的参与消化的酶类，包括胰蛋白酶、弹性蛋白酶、胰凝乳蛋白酶；还有一些表达在神经系统中的丝氨酸蛋白酶类，这些酶类与神经系统正常的维持或是介导病理情况的发生。其实丝氨酸蛋白酶类在执行功能的时候也受到许多因素的限制，如受一些抑制剂的影响等，这些物质对蛋白酶功能的执行起到重要的作用。关键词：丝氨酸蛋白酶 催化机制 功能 调节酶的功能已知所有的蛋白分解酶类丝氨酸蛋白酶占到了其中的三分之一，这些酶又可以细分成很多种类有胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、凝血酶、纤溶酶、组织纤溶酶原激活剂、神经源类的丝氨酸蛋白酶等。这些酶类具有消化凝血、纤溶、消化、受精、生长发育、凋亡、免疫等方面都有重要的作用。酶的催化位点由于丝氨酸蛋白酶的种类很多根据其催化的特点以及种树亲疏性可以分成不同的类别，不同的组织器官，不同的生物种系中酶的分布与种类是不同的(见表格)。但是其催化特点通常都是其反应的催化三联体，丝氨酸的亲核攻击，即丝氨酸的羟基攻击酰胺键的羰基碳，但是在生物进化的长时间了这种催化活性结构也发生了改变。如在有些酶中其催化三联体不在是固定的丝氨酸、天冬氨酸、组氨酸，而是只有丝氨酸与天冬氨酸或是组氨酸的一种组成催化活性位点，也有的如组氨酸成对出现于丝氨酸组合形成新的催化结构，但是无论怎样其上的丝氨酸残基是固定保守的。酶的活化对于丝氨酸蛋白酶类的活化，一般来说是通过对酶前体【2】的加工使其形成具有催化活性的酶，或者是通过一些辅助因子的协同作用使其由闭合的非活化状态转成活性状态，也有通过信号的捕获诱发一系列的级联反应从而活化蛋白，或是通过一些关键因子的作用使得构想发生改变来实现活化等等。通常来说酶的状态一种是抑制非活化状态，另一种是活化的活性状态，但是在一些研究中酶具有新的状态，而这种状态与酶原或是缺少辅因子而显示无活性的酶的状态是不同的，虽然这种状态下的酶也没有活性，但是其结构上出现一些特有的变化，在对凝血酶的研究中发现，这种状态称为E*【3】，其伴有一些氨基酸链陷入酶的催化活性部位从而破坏其中的氧离子空穴，致使没得活性受阻，因此对于这种酶的活化一定有其他的方式，研究发现当E*状态下在远离活性部位连接一种配体时会将这种氨基酸陷入活性位点的状况扭转过来，从而恢复酶的活性位点，并在其他因子的作用下得到活化。酶的催化机制对于丝氨酸蛋白酶类的催化活性，有的是通过前体酶原的活化，比如胰蛋白酶类就是通过将蛋白的前导序列进行切除之后，然后空间构象进行调整折叠成具有反应活性的活化酶。对于丝氨酸蛋白酶类的催化机制由于其催化活性位点上关键氨基酸是丝氨酸、天冬氨酸、组氨酸，所以可以描述为：催化三联体中的天冬氨酸通过氢键来固定组氨酸残基，反应开始阶段是组氨酸作为广义碱从丝氨酸上夺取一个质子并促使丝氨酸的羟基氧对蛋白质的肽键中的羰基碳进行亲核攻击并使肽键断裂【4】，此时形成酰基酶共价复合物，这是一个不稳定的中间复合物，由于断裂的肽键上存在着带有养的负电荷，下一步反应是组氨酸向肽键的酰胺氮提供质子，得到共价的质子化氮，形成四面体中间物，随后促进键的断裂，产物胺的解离，随后是脱酰化，水亲核攻击羰基碳，产生另一个四面体过渡态中间物，这一步中组氨酸作为广义碱从攻击的水分子接受一个质子，随后将此质子提供给丝氨酸的氧，并协调四面体中建五的瓦解，羧基去质子化并脱离出来，反应完成（见参考图）。常见的消化类胰蛋白酶类就是采用这种催化机制，如凝乳糖蛋白酶【5】，但是其识别的蛋白质多是些带有络氨酸或是苯丙氨酸的侧链，这与其他的丝氨酸蛋白酶类的专一性不同，比如胰蛋白酶类主要是识别碱性氨基酸精氨酸或是赖氨酸的侧链。酶的调节机制酶活性的调节机制有多种，例如酶可逆共价修饰，使得酶处于活性与非活性的互变状态，或是通过酶原的激活，这种调节是不可逆的，第三种就是酶的别构调节。别构调节主要涉及到酶的构想变化，进而导致酶的活性改变，丝氨酸蛋白酶是一种别构酶类，其活性的改变可以通过这种别构调节进而影响到酶的活性，除此之外丝氨酸蛋白酶的调节也包括酶原活化的调节方式，这主要是涉及到如消化类蛋白酶的活化和凝血作用中涉及到的丝氨酸蛋白酶。酶的别构调节是酶分子非活性位点与化合物通过非共价结合的方式发生的构象改变，当酶结合一个分子之后，酶的构象发生了变化，这种构象的改变会影响到后续分子与酶结合的亲和性，进而影响到酶的活性状态，这种有别构效应的物质称为效应物或别购剂，如果别购剂起到增加酶活性叫做激活剂。酶的抑制与激活丝氨酸蛋白酶的抑制剂有很多种类，通过模拟底物的特性与活性位点结合从而影响到酶的催化活性，或是通过别构效应来改变酶的空间构象来抑制酶的活性。酶的激活效应主要是一些激活效应物与酶上面的结构域或是氨基酸片段结合来改变酶的空间取向，调节其结构特性进而影响到酶的活性。总结丝氨酸蛋白酶是重要的蛋白分解酶类，它又可分成不同的种属与类别，不同的生物之间的表达也有所不同，起到的功能也是有所差异。在哺乳类生物类之中丝氨酸蛋白酶是具有多种功能的蛋白分解酶类，它具有消化作用，参与凝血与纤溶作用，丝氨酸蛋白酶参与补体的活化因此对于免疫系统来说是起到重要的作用，对于丝氨酸蛋白酶参与神经系统的调节作用仍在不断地研究中，神经丝氨酸蛋白酶【6】是由神经元合成并短暂的储存在突触之中，当其表达异常时，都会引起神经系统的紊乱并导致一些疾病的发生【7】。综上所述丝氨酸蛋白酶对于生物机体的代谢是重要的，它参与机体不同生物功能的实现，对维持生物体的生长发育起着重要作用，虽然对于有些丝氨酸蛋白酶类的研究还不够透彻，但是随着技术的发展与科学的进步其中奥秘终有一天会被解密，届时对于疾病的治疗与健康的维持带来新的契机。结构特点Step 1：Ser-195作用于底物的肽键酰基，发起亲核进攻，形成一个包括Ser-195的羟基、底物酰基和氨基在内的共价四联体中间物Step 2：四面体中间物分解，即生成酰基-酶中间物并伴随着C-N键的断裂。脱胺 加水 Step 3：酰基-酶中间物的解离，这时His-57作为广义酸起催化作用 【1】Page MJ, Di Cera E. Serine peptidases: classification, structure and function. Cell Mol. Life Sci2008;65:12201236【2】Neurath H, Dixon GH. Structure and activation of trypsinogen and chymotrypsinogen. Fed. Proc1957;16:791801【3】Pineda AO, Carrell CJ, Bush LA, Prasad S, Caccia S, Chen ZW, Mathews FS, Di Cera E. Moleculardissection of Na+ binding to thrombin. J. Biol. Chem 2004;279:3184231853【4】Hedstrom L. Serine protease mechanism and specificity. Chem. Rev 2002;102:45014524【5】Blow DM, Birktoft JJ, Hartley BS. Role of a buried acid group in the mechanism of action ofchymotrypsin. Nature 1969;221:337340【6】Gschwend, T.P., Krueger, S.R., Kozlov, S.V., Wolfer, D.P.,Sonderegger, P., 1997. Neurotrypsin, a novel multidomainserine protease exp