8-丝氨酸蛋白酶结构与催化机制

丝氨酸蛋白酶结构与催化机制---丝氨酸蛋白酶家族分子结构特点、结构功能适应性及催化反应的机制
⏹丝氨酸蛋白酶的催化作用机理
●丝氨酸蛋白酶:酶家族，包括胰蛋白酶、
胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、凝血酶、
枯草杆菌蛋白酶、纤溶酶、组织纤溶酶
原激活剂等
●消化作用的丝氨酸蛋白酶
●胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶
◆结构上非常相似，包括一级结构和三维
结构。

◆催化部位：完全一样，丝氨酸附近的
氨基酸顺序相似，具有共同的催化三
联体结构。

在具有消化作用的丝氨酸蛋白酶类，
其活性中心Ser、His和Asp相临，相
互间通过氢键作用，催化蛋白质水解
在无底物时，His57未质子化，当Ser195羟基氧原子对底物进行亲核攻击时，His57接受羟基质子，Asp102的COO-能稳定过渡态中His57的正电荷形式，此外Asp102定向His57并保证从Ser195接受一个质子。

咪唑基成为Ser和Asp间桥梁
His57 担当酸碱催化Ser195 通过
与肽键的共价
结合促使肽键
断开
Asp102功能是定向His57
结合部位专一性差别的原因：分子表面的裂隙和口袋
底部有天冬氨酸，非极性口袋可以深入带电荷的赖氨酸和精氨酸有静电非极性口袋提供芳香族
大的非极性的脂肪酸
较浅的口袋有两个较大
的缬氨酸苏氨酸挡住，
只能让丙氨酸等小分子
进入
●第一阶段
◆水解反应的酰化阶段
◆Ser-OH攻击酰胺键，敏感键断裂，胺氮获得咪唑基氢，羧化部分连到丝氨酸羟基上，胺端释放活性部位
羰基氧洞
疏水性口袋
催化三联体一种多肽底物
⏹丝氨酸蛋白酶的催化机制
Asp102
His57Ser195Catalytic Triad H H
N C C N [HOOC ]
H
O C
C N C C [NH 2]O 与底物专一性结合
Asp102His57
Ser195
H
H O 第一过渡态
H
H O Acyl-Enzyme中间物的形成
●第二阶段--水解反应的脱酰基阶段
◆His与H2O形成氢键，氧电子对亲核攻击Ser相连的羧基碳，酯键断裂释放底物，酶恢复自由状态
水(第二底物)
进入活性位点
H O
Acyl-Enzyme 水中间物
H O
第二过渡态
O H
H O
O
H
去酰化
1st substrate
2nd product
The proposed complete
catalytic cycle of
Chymotrypsin
(rate enhancement: 109)
A Ping-Pong Mechanism
1st product
⏹丝氨酸蛋白酶的趋异进化和趋同进化
●通过基因突变，从同一个祖先取得不同的专一性，称为趋异进化，如丝氨酸蛋白酶的不同的专一性。

●趋同进化，如丝氨酸蛋白酶、乙酰胆碱酯酶、枯草杆菌蛋白酶一级结构很不相同，其在进化过程中是独立发生的，其三维结构相差较大，但活性中心相似，具有相同的催化三联体结构，称丝氨酸蛋白酶异源的“趋同进化”。

●蛋白水解酶催化类型：丝氨酸蛋白酶、锌蛋白酶、巯基蛋白酶和天冬氨酸蛋白酶
丝氨酸蛋白酶和乙酰胆碱酯酶
Chymotrypsin
–Gly –Asp –Ser –Gly –Gly –Pro –Leu –Trypsin
–Gly –Asp –Ser –Gly –Gly –Pro –Val –Elastase
–Gly –Asp –Ser –Gly –Gly –Pro –Leu –Thrombin
–Gly –Asp –Ser –Gly –Gly –Pro –Phe –Plasmin
–Gly –Asp –Ser –Gly –Gly –Pro –Leu –Acetylcholinesterase –Gly –Glu –Ser –Ala –Gly –Gly –Ala –Chymotrypsin
–Val –Thr –Ala –Ala –His –Cys –Gly –Trypsin
–Val –Ser –Ala –Gly –His –Cys –Tyr –Elastase
–Leu –Thr –Ala –Ala –His –Cys –Ile –Thrombin
–Leu –Thr –Ala –Ala –His –Cys –Leu –Plasmin
–Leu –Thr –Ala –Ala –His –Cys –Leu –Acetylcholinesterase
–––––––––––––His ––––––––S e r 195Chymotrypsin
–Thr –Ile –Asn –Asn –Asp –Ile –Thr –Trypsin
–Tyr –Leu –Asn –Asn –Asp –Ile –Met –Elastase
–Ser –Lys –Gly –Asn –Asp –Ile –Ala –Thrombin
–Asn –Leu –Asp –Arg –Asp –Ile –Ala –Plasmin
–Phe –Thr –Arg –Lys –Asp –Ile –Ala –Acetylcholinesterase ––––––––––––––Asp –––––––H i s 57
A s p 102
趋异进化
Asp--His--Ser
Asp--His--Ser 趋同进化趋异进化和趋同进化胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶凝血酶纤溶酶
乙酰胆碱酯酶甲状腺球蛋白C
N C C H O
C
C C O
O 酯键肽键进化分子
水解乙酰胆碱
丝氨酸蛋白酶
小结
1. 催化三联体结构
2. 共价催化反应的实质
3. 从丝氨酸蛋白酶的趋异进化和趋同进化来理解分子进化。