结构生物化学/酶调节/蛋白水解激活
蛋白水解激活是指通过肽键断裂激活酶的过程。酶最初以更长、非活性形式转录。在这个酶调节过程中，酶在非活性状态和活性状态之间切换。非活性酶可以发生不可逆转的转化以变成活性酶。这种非活性前体被称为酶原或前酶。然后酶被切割以产生活性形式。这种调节方式的好处是，切割过程不需要 ATP。因此，酶即使在细胞外也能利用这种调节系统。这种调节类型对酶只能进行一次。它只能被激活一次，并且会在酶的整个生命周期内保持激活状态。与变构控制和可逆共价修饰不同，它在酶的一生中只发生一次。虽然酶原激活是不可逆的，但有一些特定的抑制剂可以控制这些蛋白酶。
特异性蛋白水解是激活生物系统中酶和某些其他蛋白质的常见方法。例如，水解蛋白质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体（酶原），而胃蛋白酶是酶的活性形式。另一个例子是在血液凝固中，血液凝固是由一系列蛋白水解激活完成的。此外，某些蛋白质激素以非活性前体形式合成，如胰岛素原，然后通过蛋白水解裂解产生胰岛素的活性形式。此外，胶原蛋白是一种纤维蛋白，也是皮肤和骨骼的主要成分，是由酶原前胶原蛋白产生的。
一些发育过程是由非活性前体的激活介导的，例如蝌蚪到成蛙的变态，其中尾部中增加的胶原蛋白被重新吸收。类似地，哺乳动物子宫在出生后会分解胶原蛋白。这两个例子都依赖于前胶原蛋白酶转化为胶原蛋白酶，胶原蛋白酶是活性蛋白酶，其时间安排非常准确。
最后，细胞凋亡或程序性细胞死亡是另一个例子，说明了蛋白水解酶的重要性，在这种情况下是半胱天冬酶。半胱天冬酶以非活性形式合成，称为前半胱天冬酶，当被不同的信号激活时，半胱天冬酶会引起许多生物体的细胞死亡。
消化酶在胃和胰腺中使用这种方法被激活。它们首先作为酶原合成。胃蛋白酶原是非活性蛋白，最初被转录。然后它在胃中被裂解以产生胃蛋白酶，这是一种消化酶。这种调节的目的是防止胃蛋白酶在被引入消化道之前消化体内的蛋白质。体内的许多蛋白质激素起源于实际酶的非活性形式。一个主要的例子是胰岛素。胰岛素来源于一种称为胰岛素原的非活性形式。它通过特定肽的蛋白水解裂解被激活。胰岛素原首先在内质网中合成，在那里肽链被折叠并且二硫键被氧化。然后它被包装在高尔基体中，并且也通过一系列蛋白酶进行蛋白水解裂解以形成胰岛素。成熟的胰岛素比胰岛素原少了 39 个氨基酸：4 个被去除并回收，其余的 35 个氨基酸形成了C 肽。胶原蛋白是一种纤维蛋白，构成动物体内大多数结缔组织成分，它来源于一种称为前胶原蛋白的非活性形式。许多发育和过程也由前酶激活。程序性细胞死亡也由这些类型的蛋白水解酶介导。
一种水解蛋白质的酶，切割肽键。这种酶的非活性形式是胰凝乳蛋白酶原。酶原在胰腺中合成，大多数分泌蛋白都在那里合成。胰凝乳蛋白酶原包含 245 个氨基酸。为了激活它，必须通过酶（胰蛋白酶）切割第 15 个氨基酸 (Arg) 和第 16 个氨基酸 (Ile) 之间的键。单个键的简单切割激活了酶。之后，可以去除两个二肽以产生α-胰凝乳蛋白酶。α-胰凝乳蛋白酶中的三个链通过二硫键连接。单个键的切割导致结构构象的变化，并产生了胰凝乳蛋白酶的活性位点（催化三联体）。它还创造了一个口袋，氨基酸的芳香或长亲水侧链可以插入其中以便将来进行切割。此外，结构变化将稳定四面体中间体的 NH 基团定位在“氧阴离子孔”中的适当位置。
作为一种蛋白水解激活，胰凝乳蛋白酶在生物学上已知可以作为消化酶、血液凝固、蛋白质激素和前半胱天冬酶（程序性细胞死亡）发挥作用。
生物系统中重要的酶，因为它激活了许多酶。然而，胰蛋白酶本身是在肠肽酶的帮助下从胰蛋白酶原中激活的。肠肽酶与胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶一样，也是一种丝氨酸蛋白酶，它断裂胰蛋白酶原中的 Lys-Ile 键并将其激活。这种过程导致产生少量的胰蛋白酶。之后，这些少量激活的胰蛋白酶还会激活更多的胰蛋白酶和其他酶。肠肽酶形成胰蛋白酶被认为是主要激活步骤，因为胰蛋白酶参与了多种酶原的激活。例子包括前弹性蛋白酶激活为弹性蛋白酶、前羧肽酶激活为羧肽酶和前脂肪酶激活为脂肪酶。
酶原激活在血液凝固中起着重要作用。对于血液凝固，响应时间必须快，以在正确的时间和地点实现凝固，从而防止过度出血。因此，采用酶促级联反应以实现快速响应。一系列酶原激活激活了一种凝血因子，然后负责激活另一种凝血因子，依此类推，直到形成最终的血凝块。血液凝固过程是由一系列蛋白水解事件驱动的。当外伤暴露组织因子时，凝血酶（也是一种丝氨酸蛋白酶，是凝血中的关键酶）被合成。这一事件会导致通过正反馈产生更多的凝血酶。然后凝血酶激活诸如纤维蛋白原之类的酶和因子，并形成纤维蛋白，这是血液凝固的关键部分。凝血酶切割纤维蛋白原中心球状区域的四个精氨酸-甘氨酸肽键，释放纤维蛋白肽。失去这些纤维蛋白肽的纤维蛋白原分子被称为纤维蛋白单体。它们被称为单体，因为它们会自发地聚集在一起并组装成被称为纤维蛋白的纤维状阵列。然后，纤维蛋白通过凝血酶从前转谷氨酰胺酶激活的酶转谷氨酰胺酶交联。
由于凝血途径阐明方面的突破，血友病可以在凝血早期就被发现。经典血友病（又称血友病 A）是一种凝血缺陷。它作为性连锁隐性性状遗传。途径中的抗血友病因子，因子 VIII 缺失或活性降低。虽然因子 VIII 不是蛋白酶，但它会刺激因子 X 的激活，因子 X 是内在途径中丝氨酸蛋白酶因子 IXa的最终蛋白酶。因子 VIII 的活性通过凝血酶的有限蛋白水解而增加。这种类型的正反馈放大凝血信号并加速血凝块的形成，直到达到阈值。因此，经典血友病中内在途径的激活会受到损害。
以前，血友病患者用浓缩血浆成分中含有VIII因子的输血来治疗，但这种疗法始终存在感染肝炎和艾滋病等疾病的风险。然而，随着生化技术，例如生化纯化和重组DNA技术的发展，编码VIII因子的基因被分离并在细胞培养物中表达。从那时起，从培养物中纯化的重组VIII因子已取代血浆浓缩物用于治疗血友病。
凝血酶以称为凝血酶原的酶原形式产生。非活性分子具有四个结构域。第一个结构域是gla结构域（富含γ-羧基谷氨酸的结构域）。kringle结构域包含接下来的两个结构域。kringle结构域使凝血酶原保持非活性形式，并将其引导至Xa因子（丝氨酸蛋白酶）和Va因子（刺激蛋白）激活的适当部位。激活始于精氨酸274和苏氨酸275键的蛋白水解裂解，释放含有前三个结构域的片段。精氨酸323和异亮氨酸324键的类似裂解产生活性凝血酶分子。
维生素K在凝血酶原的合成中起着重要作用。核磁共振表明凝血酶原含有γ-羧基谷氨酸。凝血酶原氨基末端区域的前10个谷氨酸残基通过维生素K依赖性酶羧化成γ-羧基谷氨酸。该反应将谷氨酸（Ca 2+的弱螯合剂）转化为γ-羧基谷氨酸（强的螯合剂）。因此，凝血酶原能够结合钙。这种结合将酶原固定在损伤部位血小板的磷脂膜表面。这很重要，因为凝血酶原现在靠近两种催化其转化为凝血酶的凝血蛋白。钙结合域在激活过程中被移除，这使凝血酶从膜上释放出来。现在，它可以自由地裂解纤维蛋白原等靶标。
在缺乏维生素K或存在维生素K拮抗剂（如双香豆素）的情况下合成的凝血酶原会产生一种抗凝血因子，而不是正常的凝血酶，凝血酶是一种凝血因子。抗凝血因子阻止血液凝固，用于治疗患有血栓形成的患者。
异常凝血酶缺乏γ-羧基谷氨酸，这解释了其抗凝血特性。
26S蛋白酶体
26S蛋白酶体是一种酶，已知它可以裂解细胞内蛋白质，以维持细胞功能和稳态。26S蛋白酶体的一个已知途径是泛素的降解。这种蛋白酶体由30多个亚基组成，所有这些亚基都具有特定功能，这些功能不仅限于展开、转运和裂解。当26S蛋白酶体识别正确的泛素时，它会形成UPS-泛素-蛋白酶体系统。UPS现在被多泛素化，并形成泛素链。这些链现在可以被UPS的蛋白水解核心识别，UPS会继续将泛素裂解成小肽。即使26S蛋白酶体的结构尚未完全了解，该过程也比看起来更复杂。它由两个亚基组成：20S蛋白酶体核心颗粒和19S调节颗粒。蛋白酶体核心颗粒是底物蛋白水解发生的地方，而调节颗粒是选择和展开泛素底物的地方。核心颗粒具有桶状结构，其中许多α和β亚基交替排列。这种复杂的结构也决定了它的功能，因为它需要大量的细胞能量来组装和降解目标分子。调节颗粒同样复杂，因为它包含一个底部和一个盖子。底部由六个不同的AAA ATP酶和三个非ATP酶亚基组成。这有助于调节颗粒控制底物进入前面提到的核心颗粒，从而控制组装的总体速度和底物-酶复合物机制的速率。
来源：26S蛋白酶体：破坏机器的组装和功能慕尼黑工业大学化学系整合蛋白质科学中心，德国加兴，利希滕贝格街4号，85747
由于激活蛋白水解酶是不可逆的，那么如何阻止蛋白水解酶发挥作用呢？这类酶需要非常特定的抑制剂来阻止酶进行催化。一个典型的例子是胰蛋白酶抑制剂。它通过牢牢地结合到酶的活性位点来抑制胰蛋白酶。使它牢牢地结合到活性位点的原因是与抑制剂上赖氨酸15侧链的谷氨酸侧链相互作用。这与抑制剂和活性位点之间的大量氢键一起，在活性位点上形成了相对牢固的结合。
胰蛋白酶抑制剂至关重要，因为它们可以防止严重的损伤，例如胰腺炎症，称为胰腺炎。由于胰蛋白酶参与了几种酶原的激活，抑制胰蛋白酶可以防止不必要的或过早的级联反应，例如炎症。其他抑制剂，如抗弹性蛋白酶，也很重要。当人体内存在过量的弹性蛋白酶时，该酶通过分解肺部的弹性纤维和其他结缔组织蛋白来破坏肺泡壁。这种疾病称为肺气肿，其症状包括呼吸困难。因此，人体需要弹性蛋白酶抑制剂来防止损伤发生。
当人体形成血凝块时，还需要有调节机制来确保血凝块仅限于损伤部位。一个例子是凝血酶，它不仅通过纤维蛋白催化血凝块的形成，而且还通过激活蛋白C来停用凝血级联，蛋白C可以消化刺激凝血的因子。其他特定的凝血抑制剂包括抗凝血酶III，它与凝血酶形成不可逆的复合物，从而阻止凝血酶激活更多纤维蛋白原。抗凝血酶III还可以被肝素放大，肝素是一种存在于血管壁和内皮细胞中的多糖。肝素通过增加不可逆的抗凝血酶III-凝血酶复合物形成速率来放大抗凝血酶III。
凝血酶与抗凝血酶的比例对于正常血液凝固至关重要。α1-抗胰蛋白酶（一种蛋白酶抑制剂）发生的突变将蛋氨酸358替换为精氨酸，会改变抑制剂的特异性，从弹性蛋白酶变为凝血酶，并导致损伤部位的凝血酶水平下降。中性粒细胞在损伤部位产生大量的弹性蛋白酶，这些过量的蛋白酶必须被α1-抗胰蛋白酶抑制，然而，突变的α1-抗胰蛋白酶会抑制凝血因子凝血酶而不是弹性蛋白酶，因此血凝块无法形成，患者可能因潜在的出血而死亡。
Berg，Jeremy M. John L. Tymoczko。Lubert Stryer。生物化学第六版。纽约：W.H. Freeman 和公司 2007 年。