丝氨酸蛋白酶水解机制

1、丝氨酸蛋白酶水解机制第一页，共22页。什么是丝氨酸蛋白酶？丝氨酸蛋白酶是一个蛋白酶家族，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（Ser，serine）。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。第二页，共22页。最典型的三种丝氨酸蛋白酶：胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶同属消化酶系，在胰腺泡内合成并分泌到十二指肠中。均可催化肽键的水解反应，但对肽键的选择性则有所不同第三页，共22页。1.水解作用的动力学模型胰凝乳蛋白酶不仅可以水解肽键，同时也可以水解一般的酯键。以对硝基苯酚乙酸酯为例：对硝基苯酚乙酸酯乙酸对硝基苯酚胰凝乳

2、蛋白酶第四页，共22页。这一反应过程具有两相特征：快速反应相：对硝基苯酚离子快速形成，与酶的浓度成正比。恒态反应相：对硝基苯酚离子形成较缓慢，形成速率恒定。（决定反应速率的关键步骤）快速反应相过程中酶和底物结合释放出对硝基苯酚离子，同时形成乙酰基-酶中间体；而恒态反应相过程则是乙酰基-酶中间体缓慢水解，放出酶，使之与底物相结合继续释放出对硝基苯酚离子。由于乙酰基-酶的水解很慢，使体系中酶浓度下降，进而导致对硝基苯酚释放速率变慢。第五页，共22页。2.酶活化中心必需基团的测定(1)活性Ser基团：二异丙基磷酰氯（DIPF）能特异性与Ser基团的-OH反应，其结果导致作为酶活性中心的Ser的残基发

3、生不可逆失活，此方法可有效确定胰凝乳蛋白酶中的Ser-195是酶活性中心必需氨基酸残基。第六页，共22页。n DIPF作用于动物上时，即可显示出很高的神经毒性，动物体内的乙酰胆碱酯酶（丝氨酸蛋白水解酶的一种）能够与DIPF反应，使其自身失活，失去对乙酰胆碱的水解作用。n 乙酰胆碱是一种生物体内常见的神经传导物质，自身具有很高的毒性，而负责水解完成传递信息任务后的乙酰胆碱的乙酰胆碱酯酶（乙酰胆碱酯酶可将乙酰胆碱分解成无毒性的乙酸和胆碱）失活之后就会导致乙酰胆碱在生物体内不断地积累，最终导致生物中毒死亡。第七页，共22页。(2)活性His（组氨酸）基团：N-对甲苯磺酰苯丙氨酸氯甲基酮（TPCK）其

4、中氯甲基酮基是一个很强的烷基化剂，它能够与反应中心His-57的咪唑基发生烷基化反应，并最终引起酶的失活。第八页，共22页。n (3)丝氨酸蛋白水解酶的空间结构：n X射线衍射法射线衍射法：通常，都是将表达蛋白的基因PCR之后克隆到一种表达载体中，然后在大肠杆菌中诱导表达，提纯之后摸索结晶条件。结晶后，将晶体进行x射线衍射，收集衍射图谱，通过一系列的计算，很快就能得到蛋白质的原子结构。n 牛的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶以及住的弹性蛋白酶在结构上很相似，这三种酶大约由240个氨基酸残基组成，三者的一级结构大约有 40%是相同的，且活性中心的必需氨基酸也大致相同（Ser、His、Asp）第九页，共22

5、页。3.催化作用机制（1）结构特性 以胰凝乳蛋白酶举例，其活性中心有三个必需氨基酸残基：Ser-195，His-57和Asp-102，这三部分通过氢键结合，整体呈三角形，即所谓的“催化三元区”。“催化三元区”的最显著特征是Ser-195的羟基高度极化，具有很高的亲核进攻能力。第十页，共22页。（2）亲核共价催化作用易形成四联体结构的中间物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。第十一页，共22页。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。R1NH2H2O 肽键断裂之后，R-NH2基团作为离去基团从反应体系中离去，此时水分子进入，其氧原子攻击羰基上的碳原子，从而又形成了一个水分子参与的四联体中间物。第十二页，共22页。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。第十三页，共22页。第十四页，共2