結構生物化學/酶調節/蛋白水解啟用
蛋白水解啟用是指透過肽鍵斷裂啟用酶的過程。酶最初以更長、非活性形式轉錄。在這個酶調節過程中，酶在非活性狀態和活性狀態之間切換。非活性酶可以發生不可逆轉的轉化以變成活性酶。這種非活性前體被稱為酶原或前酶。然後酶被切割以產生活性形式。這種調節方式的好處是，切割過程不需要 ATP。因此，酶即使在細胞外也能利用這種調節系統。這種調節型別對酶只能進行一次。它只能被啟用一次，並且會在酶的整個生命週期內保持啟用狀態。與變構控制和可逆共價修飾不同，它在酶的一生中只發生一次。雖然酶原啟用是不可逆的，但有一些特定的抑制劑可以控制這些蛋白酶。
特異性蛋白水解是啟用生物系統中酶和某些其他蛋白質的常見方法。例如，水解蛋白質的消化酶在胃和胰腺中以酶原的形式合成，其中胃蛋白酶原是非活性前體（酶原），而胃蛋白酶是酶的活性形式。另一個例子是在血液凝固中，血液凝固是由一系列蛋白水解啟用完成的。此外，某些蛋白質激素以非活性前體形式合成，如胰島素原，然後透過蛋白水解裂解產生胰島素的活性形式。此外，膠原蛋白是一種纖維蛋白，也是皮膚和骨骼的主要成分，是由酶原前膠原蛋白產生的。
一些發育過程是由非活性前體的啟用介導的，例如蝌蚪到成蛙的變態，其中尾部中增加的膠原蛋白被重新吸收。類似地，哺乳動物子宮在出生後會分解膠原蛋白。這兩個例子都依賴於前膠原蛋白酶轉化為膠原蛋白酶，膠原蛋白酶是活性蛋白酶，其時間安排非常準確。
最後，細胞凋亡或程式性細胞死亡是另一個例子，說明了蛋白水解酶的重要性，在這種情況下是半胱天冬酶。半胱天冬酶以非活性形式合成，稱為前半胱天冬酶，當被不同的訊號啟用時，半胱天冬酶會引起許多生物體的細胞死亡。
消化酶在胃和胰腺中使用這種方法被啟用。它們首先作為酶原合成。胃蛋白酶原是非活性蛋白，最初被轉錄。然後它在胃中被裂解以產生胃蛋白酶，這是一種消化酶。這種調節的目的是防止胃蛋白酶在被引入消化道之前消化體內的蛋白質。體內的許多蛋白質激素起源於實際酶的非活性形式。一個主要的例子是胰島素。胰島素來源於一種稱為胰島素原的非活性形式。它透過特定肽的蛋白水解裂解被啟用。胰島素原首先在內質網中合成，在那裡肽鏈被摺疊並且二硫鍵被氧化。然後它被包裝在高爾基體中，並且也透過一系列蛋白酶進行蛋白水解裂解以形成胰島素。成熟的胰島素比胰島素原少了 39 個氨基酸：4 個被去除並回收，其餘的 35 個氨基酸形成了C 肽。膠原蛋白是一種纖維蛋白，構成動物體內大多數結締組織成分，它來源於一種稱為前膠原蛋白的非活性形式。許多發育和過程也由前酶啟用。程式性細胞死亡也由這些型別的蛋白水解酶介導。
一種水解蛋白質的酶，切割肽鍵。這種酶的非活性形式是胰凝乳蛋白酶原。酶原在胰腺中合成，大多數分泌蛋白都在那裡合成。胰凝乳蛋白酶原包含 245 個氨基酸。為了啟用它，必須透過酶（胰蛋白酶）切割第 15 個氨基酸 (Arg) 和第 16 個氨基酸 (Ile) 之間的鍵。單個鍵的簡單切割激活了酶。之後，可以去除兩個二肽以產生α-胰凝乳蛋白酶。α-胰凝乳蛋白酶中的三個鏈透過二硫鍵連線。單個鍵的切割導致結構構象的變化，併產生了胰凝乳蛋白酶的活性位點（催化三聯體）。它還創造了一個口袋，氨基酸的芳香或長親水側鏈可以插入其中以便將來進行切割。此外，結構變化將穩定四面體中間體的 NH 基團定位在“氧陰離子孔”中的適當位置。
作為一種蛋白水解啟用，胰凝乳蛋白酶在生物學上已知可以作為消化酶、血液凝固、蛋白質激素和前半胱天冬酶（程式性細胞死亡）發揮作用。
生物系統中重要的酶，因為它激活了許多酶。然而，胰蛋白酶本身是在腸肽酶的幫助下從胰蛋白酶原中啟用的。腸肽酶與胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶一樣，也是一種絲氨酸蛋白酶，它斷裂胰蛋白酶原中的 Lys-Ile 鍵並將其啟用。這種過程導致產生少量的胰蛋白酶。之後，這些少量啟用的胰蛋白酶還會啟用更多的胰蛋白酶和其他酶。腸肽酶形成胰蛋白酶被認為是主要啟用步驟，因為胰蛋白酶參與了多種酶原的啟用。例子包括前彈性蛋白酶啟用為彈性蛋白酶、前羧肽酶啟用為羧肽酶和前脂肪酶啟用為脂肪酶。
酶原啟用在血液凝固中起著重要作用。對於血液凝固，響應時間必須快，以在正確的時間和地點實現凝固，從而防止過度出血。因此，採用酶促級聯反應以實現快速響應。一系列酶原啟用激活了一種凝血因子，然後負責啟用另一種凝血因子，依此類推，直到形成最終的血凝塊。血液凝固過程是由一系列蛋白水解事件驅動的。當外傷暴露組織因子時，凝血酶（也是一種絲氨酸蛋白酶，是凝血中的關鍵酶）被合成。這一事件會導致透過正反饋產生更多的凝血酶。然後凝血酶啟用諸如纖維蛋白原之類的酶和因子，並形成纖維蛋白，這是血液凝固的關鍵部分。凝血酶切割纖維蛋白原中心球狀區域的四個精氨酸-甘氨酸肽鍵，釋放纖維蛋白肽。失去這些纖維蛋白肽的纖維蛋白原分子被稱為纖維蛋白單體。它們被稱為單體，因為它們會自發地聚集在一起並組裝成被稱為纖維蛋白的纖維狀陣列。然後，纖維蛋白透過凝血酶從前轉谷氨醯胺酶啟用的酶轉谷氨醯胺酶交聯。
由於凝血途徑闡明方面的突破，血友病可以在凝血早期就被發現。經典血友病（又稱血友病 A）是一種凝血缺陷。它作為性連鎖隱性性狀遺傳。途徑中的抗血友病因子，因子 VIII 缺失或活性降低。雖然因子 VIII 不是蛋白酶，但它會刺激因子 X 的啟用，因子 X 是內在途徑中絲氨酸蛋白酶因子 IXa的最終蛋白酶。因子 VIII 的活性透過凝血酶的有限蛋白水解而增加。這種型別的正反饋放大凝血訊號並加速血凝塊的形成，直到達到閾值。因此，經典血友病中內在途徑的啟用會受到損害。
以前，血友病患者用濃縮血漿成分中含有VIII因子的輸血來治療，但這種療法始終存在感染肝炎和艾滋病等疾病的風險。然而，隨著生化技術，例如生化純化和重組DNA技術的發展，編碼VIII因子的基因被分離並在細胞培養物中表達。從那時起，從培養物中純化的重組VIII因子已取代血漿濃縮物用於治療血友病。
凝血酶以稱為凝血酶原的酶原形式產生。非活性分子具有四個結構域。第一個結構域是gla結構域（富含γ-羧基穀氨酸的結構域）。kringle結構域包含接下來的兩個結構域。kringle結構域使凝血酶原保持非活性形式，並將其引導至Xa因子（絲氨酸蛋白酶）和Va因子（刺激蛋白）啟用的適當部位。啟用始於精氨酸274和蘇氨酸275鍵的蛋白水解裂解，釋放含有前三個結構域的片段。精氨酸323和異亮氨酸324鍵的類似裂解產生活性凝血酶分子。
維生素K在凝血酶原的合成中起著重要作用。核磁共振表明凝血酶原含有γ-羧基穀氨酸。凝血酶原氨基末端區域的前10個穀氨酸殘基透過維生素K依賴性酶羧化成γ-羧基穀氨酸。該反應將穀氨酸（Ca 2+的弱螯合劑）轉化為γ-羧基穀氨酸（強的螯合劑）。因此，凝血酶原能夠結合鈣。這種結合將酶原固定在損傷部位血小板的磷脂膜表面。這很重要，因為凝血酶原現在靠近兩種催化其轉化為凝血酶的凝血蛋白。鈣結合域在啟用過程中被移除，這使凝血酶從膜上釋放出來。現在，它可以自由地裂解纖維蛋白原等靶標。
在缺乏維生素K或存在維生素K拮抗劑（如雙香豆素）的情況下合成的凝血酶原會產生一種抗凝血因子，而不是正常的凝血酶，凝血酶是一種凝血因子。抗凝血因子阻止血液凝固，用於治療患有血栓形成的患者。
異常凝血酶缺乏γ-羧基穀氨酸，這解釋了其抗凝血特性。
26S蛋白酶體
26S蛋白酶體是一種酶，已知它可以裂解細胞內蛋白質，以維持細胞功能和穩態。26S蛋白酶體的一個已知途徑是泛素的降解。這種蛋白酶體由30多個亞基組成，所有這些亞基都具有特定功能，這些功能不僅限於展開、轉運和裂解。當26S蛋白酶體識別正確的泛素時，它會形成UPS-泛素-蛋白酶體系統。UPS現在被多泛素化，並形成泛素鏈。這些鏈現在可以被UPS的蛋白水解核心識別，UPS會繼續將泛素裂解成小肽。即使26S蛋白酶體的結構尚未完全瞭解，該過程也比看起來更復雜。它由兩個亞基組成：20S蛋白酶體核心顆粒和19S調節顆粒。蛋白酶體核心顆粒是底物蛋白水解發生的地方，而調節顆粒是選擇和展開泛素底物的地方。核心顆粒具有桶狀結構，其中許多α和β亞基交替排列。這種複雜的結構也決定了它的功能，因為它需要大量的細胞能量來組裝和降解目標分子。調節顆粒同樣複雜，因為它包含一個底部和一個蓋子。底部由六個不同的AAA ATP酶和三個非ATP酶亞基組成。這有助於調節顆粒控制底物進入前面提到的核心顆粒，從而控制組裝的總體速度和底物-酶複合物機制的速率。
來源：26S蛋白酶體：破壞機器的組裝和功能慕尼黑工業大學化學系整合蛋白質科學中心，德國加興，利希滕貝格街4號，85747
由於啟用蛋白水解酶是不可逆的，那麼如何阻止蛋白水解酶發揮作用呢？這類酶需要非常特定的抑制劑來阻止酶進行催化。一個典型的例子是胰蛋白酶抑制劑。它透過牢牢地結合到酶的活性位點來抑制胰蛋白酶。使它牢牢地結合到活性位點的原因是與抑制劑上賴氨酸15側鏈的穀氨酸側鏈相互作用。這與抑制劑和活性位點之間的大量氫鍵一起，在活性位點上形成了相對牢固的結合。
胰蛋白酶抑制劑至關重要，因為它們可以防止嚴重的損傷，例如胰腺炎症，稱為胰腺炎。由於胰蛋白酶參與了幾種酶原的啟用，抑制胰蛋白酶可以防止不必要的或過早的級聯反應，例如炎症。其他抑制劑，如抗彈性蛋白酶，也很重要。當人體記憶體在過量的彈性蛋白酶時，該酶透過分解肺部的彈性纖維和其他結締組織蛋白來破壞肺泡壁。這種疾病稱為肺氣腫，其症狀包括呼吸困難。因此，人體需要彈性蛋白酶抑制劑來防止損傷發生。
當人體形成血凝塊時，還需要有調節機制來確保血凝塊僅限於損傷部位。一個例子是凝血酶，它不僅透過纖維蛋白催化血凝塊的形成，而且還透過啟用蛋白C來停用凝血級聯，蛋白C可以消化刺激凝血的因子。其他特定的凝血抑制劑包括抗凝血酶III，它與凝血酶形成不可逆的複合物，從而阻止凝血酶啟用更多纖維蛋白原。抗凝血酶III還可以被肝素放大，肝素是一種存在於血管壁和內皮細胞中的多糖。肝素透過增加不可逆的抗凝血酶III-凝血酶複合物形成速率來放大抗凝血酶III。
凝血酶與抗凝血酶的比例對於正常血液凝固至關重要。α1-抗胰蛋白酶（一種蛋白酶抑制劑）發生的突變將蛋氨酸358替換為精氨酸，會改變抑制劑的特異性，從彈性蛋白酶變為凝血酶，並導致損傷部位的凝血酶水平下降。中性粒細胞在損傷部位產生大量的彈性蛋白酶，這些過量的蛋白酶必須被α1-抗胰蛋白酶抑制，然而，突變的α1-抗胰蛋白酶會抑制凝血因子凝血酶而不是彈性蛋白酶，因此血凝塊無法形成，患者可能因潛在的出血而死亡。
Berg，Jeremy M. John L. Tymoczko。Lubert Stryer。生物化學第六版。紐約：W.H. Freeman 和公司 2007 年。