結構生物化學/酶催化機制/蛋白酶
蛋白酶是加速肽鍵水解的酶。本質上，蛋白酶將蛋白質分解成更小的肽片段。蛋白酶通常透過啟用親核試劑、極化肽羰基和穩定四面體中間體來促進肽的水解。蛋白酶像所有酶一樣具有高度特異性，因此識別側鏈以確定切割位置。
蛋白酶通常會啟用一個親核試劑，該親核試劑反過來會攻擊肽鍵的碳原子。當親核試劑附著時，碳-氧雙鍵中的電子會遷移到氧原子上。這種四面體中間體是高能中間體，蛋白酶通常會有一種穩定這種中間體的方法。然後，中間體會分解，通常會釋放兩個肽片段。
蛋白酶的四大主要類別是：絲氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶 和 金屬蛋白酶。所有四類蛋白酶都使用不同的親核試劑或不同的方法來啟用親核試劑。絲氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶使用催化三聯體來啟用絲氨酸或半胱氨酸的側鏈。天冬氨酸蛋白酶使用天冬氨酸殘基來啟用水分子，並使用另一個天冬氨酸殘基來對齊要攻擊的肽。金屬蛋白酶使用金屬離子來啟用水分子。
四面體中間體的穩定通常由蛋白質中非活性位點的部分完成。一種常見的方法是使用氧陰離子孔。氧陰離子是蛋白酶的一部分，它會包含四面體中間體。在該孔內，蛋白酶的 NH 基團與蛋白質的負電荷氧原子之間的氫鍵會穩定中間體。
蛋白酶的一個驚人特點是它們優先切割與特定氨基酸相關的肽鍵。這種偏好是由於活性位點在蛋白酶結構中的位置造成的。活性位點通常位於蛋白質的空腔中。口袋內氨基酸殘基的型別將決定蛋白酶的偏好。蛋白酶還可以斷裂酯鍵。
胰凝乳蛋白酶 具有一個由主要疏水殘基組成的深口袋，因此胰凝乳蛋白酶優先切割具有大疏水側鏈的氨基酸的肽鍵，例如色氨酸和苯丙氨酸。彈性蛋白酶在口袋內具有體積龐大的纈氨酸殘基，因此彈性蛋白酶優先切割具有小側鏈的氨基酸的肽鍵。胰蛋白酶在口袋底部有一個天冬氨酸殘基，該殘基具有負電荷側鏈。因此，胰蛋白酶優先切割具有正電荷側鏈的氨基酸的肽鍵。
DIPF 抑制酶：絲氨酸 195 的氫原子可以與 DIPF 中的氟原子結合，並抑制其對要切割的肽的羰基的親核攻擊。
透過一個肽鍵的裂解將酶原轉化為蛋白酶，是啟動某些酶活性的精確方法。以下啟用步驟是不可逆的。因此，需要不同的機制來在特定蛋白酶抑制劑的幫助下停止蛋白水解。有幾種重要的藥物作為蛋白酶抑制劑。這些抑制劑對一種酶具有特異性，不會干擾體內其他蛋白質的產生。例如，抑制劑 Indinvar 對 HIV 蛋白酶具有特異性，因為水和酶的相互作用在其他天冬氨酸蛋白酶中是不可能的。
卡託普利是金屬蛋白酶血管緊張素轉換酶 (ACE) 的抑制劑。這種抑制劑有助於調節體內的血壓。
有幾種 HIV 蛋白酶抑制劑用於治療艾滋病。HIV 蛋白酶是一種天冬氨酸蛋白酶，它將多結構域病毒蛋白裂解成其活性形式。Indinavir 是一種抑制劑，其結構類似於 HIV 蛋白酶的肽底物，透過模擬四面體中間體。在活性位點，Indinavir 採用與酶的二倍對稱性相似的構象。HIV 蛋白酶活性位點的兩個柔性瓣摺疊在結合的抑制劑之上。中心醇與活性位點的兩個天冬氨酸殘基相互作用。此外，抑制劑的兩個羰基與水分子（在下面的分子中沒有看到）形成氫鍵，該水分子也與每個瓣中的 NH 基團形成氫鍵。
蛋白酶抑制劑的另一個例子被稱為胰蛋白酶抑制劑。它是一種 6 千道爾頓的蛋白質，透過與胰蛋白酶的活性位點非常牢固地結合來抑制胰蛋白酶。胰蛋白酶和胰蛋白酶抑制劑複合物非常穩定，其解離常數約為 0.1pM（標準自由能為 -75kJ/mol）。這意味著該複合物不能透過常見的變性劑（例如 8M 尿素或 6M 鹽酸胍）將其解離成變性狀態。由於胰蛋白酶抑制劑是一種非常有效的底物，因此它與胰蛋白酶形成的複合物非常穩定。此外，X 射線分析表明，抑制劑位於活性位點中，其位置使得抑制劑的賴氨酸-15 側鏈與活性位點中胰蛋白酶的天冬氨酸側鏈相互作用。此外，胰蛋白酶主鏈與抑制劑之間的許多氫鍵進一步穩定了胰蛋白酶-胰蛋白酶抑制劑複合物。
與胰蛋白酶的活性位點結合後，胰蛋白酶抑制劑不會改變其結構，這意味著抑制劑預先組織成與酶的活性位點互補的結構。這可以從賴氨酸-15 和丙氨酸-16 之間肽鍵的緩慢切割速率中觀察到。總的來說，這種抑制劑更像是底物，其固有結構與酶的活性位點極其互補，因此它結合非常緊密並且轉化緩慢。
生理上可獲得的胰蛋白酶的量大於胰蛋白酶抑制劑的量。由於胰蛋白酶會啟用其他酶原，因此需要存在胰蛋白酶抑制劑來防止少量胰蛋白酶啟動錯誤啟用的級聯反應。
α1-抗胰蛋白酶是一種 53 千道爾頓的等離子蛋白蛋白酶抑制劑。它保護組織免受彈性蛋白酶的消化，彈性蛋白酶是吞噬細菌的白細胞的分泌產物。α1-抗胰蛋白酶比抑制胰蛋白酶更有效地抑制彈性蛋白酶。與胰蛋白酶抑制劑類似，α1-抗胰蛋白酶通過幾乎不可逆地與酶活性位點結合來阻斷目標酶的作用。
α1-抗胰蛋白酶是一種具有生理重要性的抑制劑，因為沒有它，過量的彈性蛋白酶會透過消化結締組織蛋白來破壞肺部的肺泡壁。這種病症被稱為肺氣腫，患有這種病症的人呼吸困難。由於肺泡受損，肺氣腫患者比正常人需要更用力地呼吸才能交換相同的氧氣量。吸菸者更容易患肺氣腫，因為煙霧會將 α1-抗胰蛋白酶抑制劑中的蛋氨酸-358 氧化為蛋氨酸亞碸（見圖），蛋氨酸亞碸是結合彈性蛋白酶的必需殘基。在蛋白質中插入一個氧原子形成蛋氨酸亞碸，這會改變抑制劑對彈性蛋白酶的親和力，這是結構生物化學重要性和其在生理過程中的作用的一個很好的例子。
1. Berg，Jeremy；John L. Tymoczko，Lubert Stryer（2007）。生物化學，第 6 版。W. H. Freeman and Company，紐約，紐約。