结构生物化学/酶催化机制/蛋白酶
蛋白酶是加速肽键水解的酶。本质上，蛋白酶将蛋白质分解成更小的肽片段。蛋白酶通常通过激活亲核试剂、极化肽羰基和稳定四面体中间体来促进肽的水解。蛋白酶像所有酶一样具有高度特异性，因此识别侧链以确定切割位置。
蛋白酶通常会激活一个亲核试剂，该亲核试剂反过来会攻击肽键的碳原子。当亲核试剂附着时，碳-氧双键中的电子会迁移到氧原子上。这种四面体中间体是高能中间体，蛋白酶通常会有一种稳定这种中间体的方法。然后，中间体会分解，通常会释放两个肽片段。
蛋白酶的四大主要类别是：丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶 和 金属蛋白酶。所有四类蛋白酶都使用不同的亲核试剂或不同的方法来激活亲核试剂。丝氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶使用催化三联体来激活丝氨酸或半胱氨酸的侧链。天冬氨酸蛋白酶使用天冬氨酸残基来激活水分子，并使用另一个天冬氨酸残基来对齐要攻击的肽。金属蛋白酶使用金属离子来激活水分子。
四面体中间体的稳定通常由蛋白质中非活性位点的部分完成。一种常见的方法是使用氧阴离子孔。氧阴离子是蛋白酶的一部分，它会包含四面体中间体。在该孔内，蛋白酶的 NH 基团与蛋白质的负电荷氧原子之间的氢键会稳定中间体。
蛋白酶的一个惊人特点是它们优先切割与特定氨基酸相关的肽键。这种偏好是由于活性位点在蛋白酶结构中的位置造成的。活性位点通常位于蛋白质的空腔中。口袋内氨基酸残基的类型将决定蛋白酶的偏好。蛋白酶还可以断裂酯键。
胰凝乳蛋白酶 具有一个由主要疏水残基组成的深口袋，因此胰凝乳蛋白酶优先切割具有大疏水侧链的氨基酸的肽键，例如色氨酸和苯丙氨酸。弹性蛋白酶在口袋内具有体积庞大的缬氨酸残基，因此弹性蛋白酶优先切割具有小侧链的氨基酸的肽键。胰蛋白酶在口袋底部有一个天冬氨酸残基，该残基具有负电荷侧链。因此，胰蛋白酶优先切割具有正电荷侧链的氨基酸的肽键。
DIPF 抑制酶：丝氨酸 195 的氢原子可以与 DIPF 中的氟原子结合，并抑制其对要切割的肽的羰基的亲核攻击。
通过一个肽键的裂解将酶原转化为蛋白酶，是启动某些酶活性的精确方法。以下激活步骤是不可逆的。因此，需要不同的机制来在特定蛋白酶抑制剂的帮助下停止蛋白水解。有几种重要的药物作为蛋白酶抑制剂。这些抑制剂对一种酶具有特异性，不会干扰体内其他蛋白质的产生。例如，抑制剂 Indinvar 对 HIV 蛋白酶具有特异性，因为水和酶的相互作用在其他天冬氨酸蛋白酶中是不可能的。
卡托普利是金属蛋白酶血管紧张素转换酶 (ACE) 的抑制剂。这种抑制剂有助于调节体内的血压。
有几种 HIV 蛋白酶抑制剂用于治疗艾滋病。HIV 蛋白酶是一种天冬氨酸蛋白酶，它将多结构域病毒蛋白裂解成其活性形式。Indinavir 是一种抑制剂，其结构类似于 HIV 蛋白酶的肽底物，通过模拟四面体中间体。在活性位点，Indinavir 采用与酶的二倍对称性相似的构象。HIV 蛋白酶活性位点的两个柔性瓣折叠在结合的抑制剂之上。中心醇与活性位点的两个天冬氨酸残基相互作用。此外，抑制剂的两个羰基与水分子（在下面的分子中没有看到）形成氢键，该水分子也与每个瓣中的 NH 基团形成氢键。
蛋白酶抑制剂的另一个例子被称为胰蛋白酶抑制剂。它是一种 6 千道尔顿的蛋白质，通过与胰蛋白酶的活性位点非常牢固地结合来抑制胰蛋白酶。胰蛋白酶和胰蛋白酶抑制剂复合物非常稳定，其解离常数约为 0.1pM（标准自由能为 -75kJ/mol）。这意味着该复合物不能通过常见的变性剂（例如 8M 尿素或 6M 盐酸胍）将其解离成变性状态。由于胰蛋白酶抑制剂是一种非常有效的底物，因此它与胰蛋白酶形成的复合物非常稳定。此外，X 射线分析表明，抑制剂位于活性位点中，其位置使得抑制剂的赖氨酸-15 侧链与活性位点中胰蛋白酶的天冬氨酸侧链相互作用。此外，胰蛋白酶主链与抑制剂之间的许多氢键进一步稳定了胰蛋白酶-胰蛋白酶抑制剂复合物。
与胰蛋白酶的活性位点结合后，胰蛋白酶抑制剂不会改变其结构，这意味着抑制剂预先组织成与酶的活性位点互补的结构。这可以从赖氨酸-15 和丙氨酸-16 之间肽键的缓慢切割速率中观察到。总的来说，这种抑制剂更像是底物，其固有结构与酶的活性位点极其互补，因此它结合非常紧密并且转化缓慢。
生理上可获得的胰蛋白酶的量大于胰蛋白酶抑制剂的量。由于胰蛋白酶会激活其他酶原，因此需要存在胰蛋白酶抑制剂来防止少量胰蛋白酶启动错误激活的级联反应。
α1-抗胰蛋白酶是一种 53 千道尔顿的等离子蛋白蛋白酶抑制剂。它保护组织免受弹性蛋白酶的消化，弹性蛋白酶是吞噬细菌的白细胞的分泌产物。α1-抗胰蛋白酶比抑制胰蛋白酶更有效地抑制弹性蛋白酶。与胰蛋白酶抑制剂类似，α1-抗胰蛋白酶通过几乎不可逆地与酶活性位点结合来阻断目标酶的作用。
α1-抗胰蛋白酶是一种具有生理重要性的抑制剂，因为没有它，过量的弹性蛋白酶会通过消化结缔组织蛋白来破坏肺部的肺泡壁。这种病症被称为肺气肿，患有这种病症的人呼吸困难。由于肺泡受损，肺气肿患者比正常人需要更用力地呼吸才能交换相同的氧气量。吸烟者更容易患肺气肿，因为烟雾会将 α1-抗胰蛋白酶抑制剂中的蛋氨酸-358 氧化为蛋氨酸亚砜（见图），蛋氨酸亚砜是结合弹性蛋白酶的必需残基。在蛋白质中插入一个氧原子形成蛋氨酸亚砜，这会改变抑制剂对弹性蛋白酶的亲和力，这是结构生物化学重要性和其在生理过程中的作用的一个很好的例子。
1. Berg，Jeremy；John L. Tymoczko，Lubert Stryer（2007）。生物化学，第 6 版。W. H. Freeman and Company，纽约，纽约。