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丝氨酸蛋白酶的相关研究

摘要：本文概述了丝氨酸蛋白酶的酶学基础，反应机制，该酶抑制剂的设计及其应用。丝氨酸蛋白酶是一个蛋白酶家族，它们的作用是断裂大分子蛋白质中的肽键，使之成为小分子蛋白质。其激活是通过活性中心一组氨基酸残基变化实现的，它们之中一定有一个是丝氨酸（其名字的由来）。在哺乳类动物里面，丝氨酸蛋白酶扮演着很重要的角色，特别是在消化，凝血和补体系统方面。正是由于该酶的特殊性质，使其在众多领域都有所应用。

关键字：丝氨酸蛋白酶；酶学基础；反应机制；应用

Abstract：This article provides an overview of the serine protease enzyme, reaction mechanism, the design and application of enzyme inhibitors. Serine protease is a protease family, their roles are to break large protein molecules in the peptide bond, to become small molecular protein. Its activation is through the active center of a group of amino acid residues change, they must have a serine (the origin of the name). In mammal animal, serine proteases play a very important role, especially in the digestion, Coagulation and complement systems. Because of the special nature of the enzyme, and it has been applied in many fields.

Keywords: Serine protease; fundamentals of enzymology; reaction mechanism; application

绪论

丝氨酸蛋白酶是一类以丝氨酸为活性中心的重要的蛋白水解酶，在生物有机体中起着重要的广泛的生理作用[1]。它们的作用是断裂大分子蛋白质中的肽键，使之成为小分子蛋白质。通过对蛋白酶原的激活或抑制而起调节因子作用，丝氨酸蛋白酶还在胚胎发育、组织重建，细胞分化，血管形成和病原侵入等过程中都发挥着重要的作用，特别是在消化，凝血和补体系统方面[2-3]。此类蛋白酶的催化基团包括1个不可缺少的Ser残基，DIFP是它们的不可逆抑制剂。 1 丝氨酸蛋白酶学基础

1.1 丝氨酸蛋白酶的分类及作用原理 1.1.1 消化酶

由胰脏分泌的，其中里面有三种是丝氨酸蛋白酶。 ⑴ 糜蛋白酶

又称为胰凝乳蛋白酶，水解酶类的一种肽链内切酶，主要促使疏水性氨基酸尤其是酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸及亮氨酸的羧基端多肽裂解。 ⑵ 胰蛋白酶

属水解酶类，促使肽链分裂，作用部位为精氨酸或赖氨酸羧基；此酶以酶原形式由胰释出，在小肠中转化为活性形式。 ⑶ 弹性蛋白酶

弹性蛋白酶（EC 3.4.21.36.），水解酶类的一种，对丙氨酸、甘氨酸、异亮氨酸、亮氨酸或缬氨酸等含羧基的多肽键起催化水解的作用，因曾认为此酶主要作用于弹性蛋白而有此命名。它是胰以酶原(弹性蛋白酶原)形式分泌的一种丝氨酸蛋白酶，参与肠内蛋白消化。

这三种酶的一级结构（氨基酸序列）和三级序列（所有原子的空间排布）相似。它们的活性丝氨酸残基都是在同一位置(Ser-195)。 1.1.2 凝血因子

几种激活的凝血因子都是丝氨酸蛋白酶。 ⑴ 凝血第十因子(X)

也称Stuart-Power因子，参于内源性和外源性凝血途径的一种耐贮存因子。缺乏可致系统性凝血障碍(第十因子缺乏症)。 ⑵ 凝血第十一因子(XI)

即是血浆凝血酶活酶前质：作用于内源性凝血途径的一种稳定因子。缺乏这种因子会引起系统性血凝缺陷，即C型血友病或Rosenthal综合征，与典型血友病相似。 ⑶ 凝血酶

来自凝血酶原，可促使纤维蛋白原变为纤维蛋白的酶；纤维蛋白溶酶是溶解纤维蛋白或血凝块系统的有效部分，是对纤维蛋白有高度特异性的蛋白分解酶，对已经形成的纤维蛋白凝块有特别的溶解力，对其他血浆蛋白、凝固因子和一般蛋白质也有类似作用。 1.1.3 补体系统

补体系统里面有几种蛋白质属于丝氨酸蛋白酶。包括：C1r 和 C1s。C3转化酶裂解补体成分C3为C3a和C3b的酶；经典途径C3转化酶是C4b，2b；旁路C3转化酶是C3b，Bb和C3b，Bb。

1.1.4 作用原理

通过邻近的氨基酸残基链，丝氨酸残基在活性中心被激活。被激活的羟基与肽键的碳原子发生亲核反应，肽键断裂后，酰基上的碳被酯化，肽键的氮端会被释放游离。水解反应，与酶相连的碳端产物被释放。 1.2 丝氨酸蛋白酶的结构与功能

1.2.1 丝氨酸蛋白质的结构

这类蛋白酶以一个特定的Ser残基作为必需的催化基团，属于该家族成员的有胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、激肽释放酶原、凝血酶、纤溶酶和组织型纤溶酶原激活剂。

丝氨酸蛋白酶的催化机制属于共价催化和广义酸碱催化的混合体，由三个不变的氨基酸残基构成的催化三原体（Ser、His和Asp）起主导作用，这三个氨基酸残基任何一种突变或修饰（例如，Ser被DIPF修饰）均可导致酶活性的丧失。 1.2.2 丝氨酸蛋白酶的功能

虽然各种丝氨酸蛋白酶具有高度的同源性，但构成催化三元体的三个氨基酸残基在肽链中的位置并不完全相同。然而，酶学家已达成共识，将这三个氨基酸残基总是进行一样的编号，即His57、Asp102和Ser195.它们的催化中的具体功能是： ① Ser195充当进攻底物的亲核基团； ② His57作为广义的酸碱催化剂；

③ Asp102的功能仅仅是定向His57，影响His的pKa，改变其酸碱性质。 ⑴ 胰蛋白酶

胰蛋白酶具有很深的底物结合口袋，而口袋的底部又是Asp。特别适合长的碱性氨基酸侧链（Lys和Arg）的结合。

⑵ 糜蛋白酶

糜蛋白酶的底物结合口袋没有胰蛋白酶深，但比它宽，而且口袋壁分布的是疏水氨基酸，所以特别适合芳香族氨基酸的结合。

⑶ 弹性蛋白酶

弹性蛋白酶的底物结合口袋非常浅，最适合结合侧链较小的氨基酸残基。

2 丝氨酸酶反应机制实例[4]