蛋白水解酶

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蛋白水解酶(protease,proteinase)催化多肽蛋白質水解的酶的統稱,簡稱蛋白酶。廣泛分部于動物、植物以及細菌當中,種類繁多,在動物的消化道以及體內各種細胞溶酶體內含量尤為豐富。蛋白酶對機體的新陳代謝以及生物調控起重要作用。分子量一般在2--3萬左右。蛋白酶按水解底物的部位可分為內肽酶以及外肽酶,前者水解蛋白質中間部分的肽鍵,後者則自蛋白質的氨基羧基末端逐步降解氨基酸殘基。

性質分類

  根據各種蛋白酶活性部位的性質可分之為四大類:

絲氨酸蛋白酶

  其活性中心除絲氨酸外還包括組氨酸天冬氨酸殘基,如胰臟分泌的各種內肽酶和與凝血溶血纖維、補體系統有關的各種蛋白酶。

巰基蛋白酶

  其活性中心除半胱氨酸外還需有組氨酸殘基參與,如植物來源的和細胞溶酶

蛋白水解酶

體內的某些組織蛋白酶。

天冬氨酸蛋白酶

  它們的活性中心是由兩個天冬氨酸殘基所組成,如由胃膜分泌的胃蛋白酶腎臟中的血管緊張素釋放酶及細胞溶酶體中的某些組織蛋白酶等。

金屬蛋白酶

  其活性中心除金屬離子外還需有其他氨基酸殘基參與,如胰臟羧肽酶A的活性中心包括鋅離子(Zn2+) 及谷氨酸酪氨酸殘基。多數外肽酶及某些細菌蛋白酶往往屬於這一類。   各種蛋白酶除需有參與催化肽鍵水解的基團外,還需有一定的與底物相結合的部位,由於這些部位的不同,從而決定了各種蛋白酶的不同專一性。

功能分類

  自從發現蛋白酶在生物調控過程中的重要作用后,又可按其生理功能及其專一性來分類。

限制性水解蛋白酶

  是指酶的專一性很差,能水解蛋白質中的很多肽鍵,使生成各種小肽甚至遊離氨基酸。這類蛋白酶的生理功能主要是參與體內蛋白質的降解作用,例如胃腸道系統所分泌的各種蛋白酶將體外攝入的食物蛋白消化分解;細胞溶酶體內各種組織蛋白酶能清除體內各種代謝產物。平均壽命為 120天的紅細胞,其血紅蛋白即由組織蛋白酶所降解。

限制性水解蛋白酶

  是指酶的專一性很強,只作用於某一特定的蛋白質底物,水解其中特定的肽鍵,並隨之產生各種具有不同生理功能的活性多肽或蛋白質。這類蛋白酶在體內即起生物調控作用,它們大多屬於絲氨酸蛋白酶,從其專一性來看類似於胰蛋白酶,即只作用於精氨酸賴氨酸的羧基端所組成的肽鍵。這些蛋白酶和一般的蛋白酶不同,對常見的蛋白質如酪蛋白或血紅蛋白的降解活力很低甚至不起作用,即使對其專一水解的蛋白底物,在構象上也有嚴格要求,底物一旦變性就不能被它降解,而非限制性水解的蛋白酶卻相反,蛋白底物變性程度愈大愈易水解。例如凝血酶在使纖維蛋白原激活時,在150個精氨酸或賴氨酸殘基的肽鍵中只水解纖維蛋白原α、β兩亞基N 端附近的精-甘肽鍵,釋放出血纖維肽A、B,從而使可溶性的血纖維蛋白原轉變成凝膠網狀的血纖維蛋白。

調控作用

  體內很多重要的生理效應與蛋白酶的生物調控有關,如表中所列,當機體受到外界刺激作出相應的生理反應時就動員體內蛋白酶使原來不具有生理活性的某些多肽或蛋白質,迅速成為功能很強的相應產物,從而達到機體的防禦、生存與繁殖的目的。有的動員過程較簡單,可通過一次催化反應來完成。如胃腸道中無活性的胰蛋白酶原當其 N末端被腸激酶水解除去一個 6肽后即產生出有活性的胰蛋白酶。有的過程相當複雜,需通過多次催化反應,如血液凝固及補體反應過程中約有10個以上組分共同參與。

作用特點

生物效應是瞬時的

  通過對體內活性蛋白前體的激活而迅速表現出活性。因為無需通過基因複製轉錄表達等複雜的過程,所以能迅速對外界信號作出反應。此外這種反應又是定向而不可逆的,不同於體內其他一些酶的生物調控機制,例如一些磷酸化激酶,通過對蛋白質的磷酸化及去磷酸化使產生變構效應,從而進行可逆的生物調控。

級聯反應的方式表達

  即在第一級反應中被激活的蛋白質,本身就是催化下一級反應的蛋白酶,這樣就起著逐級放大的作用。例 2如一分子酶即使以很低的水平催化1000個分子底物反應,經兩級催化反應后就放大了100萬倍,因而機體對微弱的外界信號也能產生很強的生物效應。

存在正負反饋系統

  從而使整個多級反應體系處於最佳狀態,例如在血凝過程中被激活的凝血酶既

蛋白水解酶

[1]能催化血纖維蛋白原使之轉變為血纖維蛋白,又能激活凝血因子Ⅷ及Ⅴ,後者又進一步促進凝血酶原的激活,這是正反饋,但凝血酶又能自身降解凝血酶原,使之不能再被激活,這是負反饋。   在催化同一活性蛋白前體時有時能產生兩種或兩種 以上生物功能各不相同的組分 例如促腎上腺激素、β-促脂肪激素及內啡肽都由同一前體蛋白水解產生。   參與生物調控的蛋白酶有時可通過兩種不同途徑產生同一生理效應,彼此間起到一定的互補作用。例如凝血反應中既有血液中的內源性激活系統,又有組織中的外源性激活系統,兩者最後都通過凝血因子X使凝血酶原激活。   在蛋白酶所參與的一些重要生物調控體系中幾乎毫無例外都有相應的蛋白酶抑製劑存在。若在某些體系中蛋白酶與其相應抑製劑的平衡失調,就會引起病變。例如先天靜脈血栓和血管神經浮腫往往是與體內缺乏相應的抗凝血酶抑製劑Ⅲ及補體C1抑製劑有關。

蛋白酶的應用

  由於蛋白酶來源豐富,除從動、植物中提取外,還可由細菌大量發酵生產,已廣泛應用於醫療、食品、製革、繅絲等工業,也可作為重要的生化試劑。例如胰凝乳蛋白酶用於白內障摘除手術,使手術簡化,成功率提高;胰蛋白酶對清除壞死組織,消炎化膿,愈合傷口有明顯效果尿激酶鏈激酶用於治療靜脈血栓,脈管炎激肽釋放酶用於改善冠心病,使微血管舒張血壓下降;彈性蛋白酶對血管硬化有一定療效;細菌蛋白酶用於皮革脫毛蠶絲膠膠。凝乳酶用於製造乳酪製品;木瓜或菠蘿蛋白酶用作啤酒穩定劑,能消除由於啤酒冷藏而產生的蛋白質沉澱等。

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