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蛋白酶

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蛋白酶的所催化的反应
TEV蛋白酶的结构，其中红色的为催化三联体

蛋白酶（英语：protease，proteinase）又称肽酶（peptidase）、蛋白水解酶（proteolytic enzyme）或蛋白质分解酶[1]，是生物体内的一类催化蛋白质分解的酶（酵素），可将蛋白质分解成较小的多肽或单一氨基酸，并促进新蛋白质产物的形成。[2]蛋白酶透过水解（一种水断裂键的反应）裂解蛋白质中的肽键来实现这一目的。蛋白酶参与多种生物途径，包括消化摄取的蛋白质、蛋白质分解（旧蛋白质的分解）[3][4]和细胞信号传送。

如果没有功能性加速剂，蛋白水解过程将非常缓慢，需要数百年的时间。[5]蛋白酶存在于所有形式的生命和病毒中。它们已经独立进化了多次，不同种类的蛋白酶可以透过完全不同的催化机制完成相同的反应。

分类

目前已知的蛋白酶可以分成以下7大类[6]：

1993年，蛋白酶首次依其演化关系分为84个家族，并分为四种催化类型：丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶和金属蛋白酶。[7]苏氨酸蛋白酶和谷氨酸蛋白酶分别直到 1995 年和 2004 年才被描述。用于裂解肽键的机制涉及使具有半胱氨酸和苏氨酸（蛋白酶）或水分子（天冬氨酸、谷氨酸和金属蛋白酶）的氨基酸残基具有亲核性，以便它可以攻击肽羰基基。 制备亲核体的一种方法是透过催化三联体，其中组胺酸残基用于活化丝胺酸、半胱氨酸或苏胺酸作为亲核体。然而，这不是一个进化分组，因为亲核体类型在不同的蛋白质超家族中趋同进化，并且一些蛋白质超家族表现出向多种不同亲核体的发散进化。金属蛋白酶、天门冬胺酸蛋白酶和谷氨酸蛋白酶利用其活性位点残基活化水分子，然后攻击易裂键。[8]

酶的功能和机制

用于蛋白酶解的两种水解机制的比较。酶显示为黑色，底物蛋白显示为红色，水显示为蓝色。上图显示了一步水解，其中酶使用酸使水极化，然后水解底物。底部面板显示了两步骤水解，其中酶内的残基被激活以充当亲核体 (Nu) 并攻击底物。 这就形成了一个中间体，其中酵素与底物的 N 端半部共价连接。在第二步骤中，水被活化以水解该中间产物并完成催化。其他酵素残基（图中未标示）在反应机制中提供和接受氢，并在静电上稳定电荷的累积。
主条目：催化三联体

蛋白酶透过分裂连接氨基酸残基的肽键，将长蛋白质链消化成较短的片段。有些将末端氨基酸从蛋白链上分离（外肽酶，例如氨肽酶（英语：Aminopeptidase）、羧肽酶A（英语：Carboxypeptidase A））；其他攻击蛋白质的内部肽键（内肽酶，例如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、弹性蛋白酶）。

催化

催化是透过以下两种机制之一来实现的：

  • 天门冬胺酸、谷氨酸和金属蛋白酶激活水分子，对肽键进行亲核攻击以将其水解。
  • 丝胺酸、苏胺酸和半胱氨酸蛋白酶使用亲核残基（通常在催化三联体中）。此残基进行亲核攻击，将蛋白酶与底物蛋白共价连接，并释放产物的前半部。然后，这种共价酰基酶中间体被活化水水解，透过释放产物的后半部并再生游离酶来完成催化作用。

特异性

蛋白质水解可以是高度混杂的（英语：enzyme promiscuity）的，使得多种蛋白质底物被水解。消化酶例如胰蛋白酶等就是这种情况，它必须能够将摄取的一系列蛋白质裂解成更小的肽片段。混杂的蛋白酶通常与底物上的单一氨基酸结合，因此仅对该残基具有特异性。例如，胰蛋白酶对序列 ...K\... 或 ...R\... 具有特异性（“\”=切割位点）。[9]

相反，一些蛋白酶具有高度特异性，仅切割具有特定序列的底物。血液凝固（例如凝血酶）和病毒多蛋白加工（例如TEV蛋白酶）需要这种程度的特异性才能实现精确的切割事件。这是透过具有长结合裂缝或隧道的蛋白酶来实现的，该裂缝或隧道具有多个结合特定残基的口袋。例如，TEV蛋白酶对序列...ENLYFQ\S...（“\”=切割位点）具有特异性。[10]

降解和自溶

蛋白酶本身就是蛋白质，可以被其他蛋白酶分子（有时是同一种类的）切割。这是调节蛋白酶活性的一种方法。有些蛋白酶在自溶后活性较低（例如TEV蛋白酶），而有些则活性较高（例如胰蛋白酶原）。

蛋白酶的生物多样性

蛋白酶存在于所有生物体中，从原核生物到真核生物到病毒。这些酶参与多种生理反应，从食物蛋白质的简单消化到高度调节的级联反应（例如凝血级联反应、补体系统、细胞凋亡途径和无脊椎动物酚氧化酶原激活级联反应）。蛋白酶可以破坏特定的肽键（有限的蛋白质分解），这取决于蛋白质的氨基酸序列，也可以将肽完全分解为氨基酸（无限的蛋白质分解）。此活性可以是破坏性变化（消除蛋白质的功能或将其消化为其主要成分），可以是功能的激活，也可以是讯号传导途径中的讯号。

用途

蛋白酶研究领域十分庞大。自 2004 年以来，每年约有 8,000 篇与该领域相关的论文发表[11]。蛋白酶被用于工业的、医学的和基础生物学的研究工具[12][13]。

消化蛋白酶是许多洗衣粉的一部分，也广泛用于面包工业的面包改良剂。 蛋白酶是重要的工业酶，占全球总酶销售量约六成，其中七成用于工业用途的蛋白酶用于食品发酵等方面[14]，例如酸性蛋白酶用于传统发酵食品和调味品的生产[15][16]及催化酪蛋白沉淀；中性蛋白酶因能够去除水解产物的苦味而令酱油脱苦[17]；碱性蛋白酶应用于食品烘烤等方面[18]，因为能够有效提高生面团的延性和韧性，并且增强面包的起泡性。

抑制剂

主条目：蛋白酶抑制剂

蛋白酶的活性受到蛋白酶抑制剂的抑制。蛋白酶抑制剂的一个例子是丝氨酸蛋白酶抑制剂蛋白质超家族。它包括α1-抗胰蛋白酶（可保护身体免受自身发炎蛋白酶的过度影响）、α1-抗胰凝乳蛋白酶（具有相同的作用）、C1 抑制剂（可保护身体免受蛋白酶触发的自身补体系统过度活化 ）、抗凝血酶（保护身体免于过度凝血）、纤溶酶原激活剂抑制剂-1（透过阻断蛋白酶触发的纤溶作用，保护身体免于凝血不足）和神经丝氨酸蛋白酶抑制剂。[19]

天然蛋白酶抑制剂包括脂质运载蛋白家族，在细胞调节和分化中发挥作用。已发现与脂质运载蛋白相连的亲脂性配体具有肿瘤蛋白酶抑制特性。天然蛋白酶抑制剂不应与抗逆转录病毒治疗中使用的蛋白酶抑制剂混淆。一些病毒，其中包括艾滋病，在其繁殖周期中依赖蛋白酶。因此，蛋白酶抑制剂被开发为抗病毒治疗剂。

其他天然蛋白酶抑制剂被用作防御机制。常见的例子是在一些植物的种子中发现的胰蛋白酶抑制剂（英语：Trypsin inhibitor），对人类来说最引人注目的是大豆，一种主要的粮食作物，它们的作用是阻止掠食者。生大豆对包括人类在内的许多动物有毒的，直到它们所含的蛋白酶抑制剂变性为止。

参见

参考文献

  1. ^ 存档副本. [2022-11-11]. （原始内容存档于2022-05-13）. 
  2. ^ López-Otín C, Bond JS. Proteases: multifunctional enzymes in life and disease. The Journal of Biological Chemistry. November 2008, 283 (45): 30433–30437. PMC 2576539 可免费查阅. PMID 18650443. doi:10.1074/jbc.R800035200 可免费查阅. 
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外部链接

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