丝氨酸蛋白酶抑制剂的结构和功能研究进展

丝氨酸蛋白酶抑制剂的结构和功能研究进展

马婧1-2 

1.内蒙古医科大学研究生学院  内蒙古呼和浩特市010000

2.  鄂尔多斯市中心医院    内蒙古鄂尔多斯市017000

【摘要】在人体机能中，丝氨酸蛋白酶抑制剂能够对炎症、血液凝结、纤溶以及肿瘤等进行抑制，在致病性微生物浸染过程中，主动防御效果显著，同时在丝氨酸蛋白酶水解平衡调节当中，具有神经保护效果。对于该类型的蛋白超家族成员来说，在遗传性结构与异常分泌中，容易发生许多疾病。因此，在临床治疗当中，必须要加强生物学特性与结构、功能关系进行研究。基于此，本文主要对丝氨酸蛋白酶抑制剂结构与功能研究进展进行分析，提出在小分子质量与高活性新型丝氨酸蛋白酶抑制剂的发展，可以更好的了解丝氨酸蛋白酶以质的作用机理。

【关键词】丝氨酸蛋白酶抑制剂；功能；结构

    在动物、植物、微生物体内广泛存在着丝氨酸蛋白酶抑制剂，作为一种丝氨酸蛋白酶活性调节剂，能够对生物体内的诸多生命过程进行调节，比如血凝、蛋白质折叠、细胞迁移、炎症反应等。在蛋白结构与氨基酸序列的相似性分析过程中，可以将蛋白酶抑制剂分为四种类型，包括半胱氨酸类蛋白酶抑制、天冬氨酸类蛋白酶抑制剂、丝氨酸蛋白酶抑制剂以及非金属蛋白酶抑制剂等[1]。其中最终的一类为丝氨酸蛋白酶抑制剂，同时也是现阶段研究工作中最广泛的类型。丝氨酸蛋白酶抑制剂作为一种多功能同源蛋白，能够对生物的生理活动进行调节，目前在动物、植物以及病毒等中发现了超过1500类丝氨酸蛋白酶抑制剂，其中通常含有350-400个氨基酸残基，分子量大约在40-100kD[2]。因此，本文主要针对丝氨酸蛋白酶抑制剂的功能与生理活性进行分析，研究其研究现状与前景，从而增进人们的了解，为国内抑制剂研究工作的开展提供可靠保障。

一、丝氨酸蛋白酶抑制剂分类

    在以往的研究当中，主要从脊椎动物角度出发，针对丝氨酸蛋白酶抑制剂进行研究，按照基因结构不同以及特征性氨基酸位点的差异，将脊椎动物的丝氨酸蛋白酶抑制剂进行了分类，主要包括6个亚家族。从人体内的丝氨酸蛋白酶抑制剂而言，可以将其分为9个亚家族，其中家族最大的为α1AT家族与类卵清蛋白家族。根据相关研究发现，在人类的血液当中，总蛋白中有2%为丝氨酸蛋白酶抑制剂，其中α1AT占据70%。在无脊椎动物体内，主要是从昆虫的血淋巴中分离出丝氨酸蛋白酶抑制剂，通常包括两个家族，即分子量接近45kD左右抑制剂蛋白以及低分子量蛋白，比如在蚕体内发现小分子量蛋白酶抑制剂，同时蝗虫体内也发现了这一物质[3]。在现阶段的研究中，已经发现了1500多种丝氨酸蛋白酶抑制剂，广泛的分布在各种各样的生物当中，通过以序列相似性为基础，可以将其分为八种不同的超家族，此后研究者进行细分，将其分为17个蛋白家族。在现阶段的研究中，主要针对Kunitz家族进行分析，这是因为其来源比较广泛，通常具有4个保守的半胱氨酸残基，一共形成了两个二硫键，其结构特征为保守结构。在此类抑制剂家族研究当中，主要代表为抑肽酶BPTI等[4]。而Kazal型作为其中保守家族的组成，影响着胚胎发育、纤维蛋白溶解、血凝以及炎症等。

二、丝氨酸蛋白酶抑制剂结构

    对于许多抑制剂来说，大多数为单结构域蛋白，其中仅有一个结合蛋白的反应位点，这一家族包括ecoyin、Ascaris以及STI等，而对于BPTI、Antistasin等家族而言，蛋白结构中包含着许多重复性的单结构域以及多个蛋白结合位点，能够单独与多个蛋白酶产生反应。在丝氨酸蛋白酶抑制剂当中，通常为单一肽链蛋白质，在各种蛋白质抑制剂当中，同源性程度仅为30%左右。因此，对于丝氨酸蛋白酶抑制剂来说，其在氨基酸残基中表现出较强的保守性，通常由350-400个氨基酸残基组成，部分会达到500个[5]。在X光下，丝氨酸蛋白酶抑制剂的晶体结构通常为球状蛋白，其中包含3个β-折叠以及9个α-螺旋。在抑制剂表面以及距离C端的20个残基位置中，存在一个环状结构区，在这一结构同样也是丝氨酸蛋白酶抑制剂家族的典型结构，其中包含着多个识别位点。在蛋白酶与丝氨酸蛋白酶抑制剂结合以后，能够将RSL结构裂解，进而构建一个酰基中间物，在断开RSL以后，蛋白酶活性位点与β-折叠结合以后，能够对蛋白酶活性位点结构产生破坏。抑制剂在这一过程中，同样会损失37%左右的结构，同时还会提高抑制剂的化学变性与抵抗热变性能力[6]。对于不同家族的丝氨酸蛋白酶抑制剂而言，其在结构中存在一定的差异，比如对于Kazal、BPTI以及SSI等家族中，通常包含典型的二级结构与疏水核心，此类抑制剂形成了比较稳定的结构，表现出较高的变性温度，能够在面对高浓度的化学变性剂时体现出较强的抵抗性[7]。而对于Gresshopper、Sqush以及Ascaris等家族而言，其中包含着多种连接的二硫键，此类二硫键可以实现抑制剂结构稳定性水平的提升，但是由于缺乏疏水结构以及二级结构，造成其变性温度相对较低。

三、丝氨酸蛋白酶抑制剂的作用机制

    蛋白酶抑制剂通常借助表面突出结构来起到抑制靶酶活性的效果，通过一个单环或者蛋白末端，对靶酶活性位点结合进行阻碍，进而发挥出相应的作用。对于标准反应机制而言，抑制剂分子量较小，通常在14-200个氨基酸残基左右，此类抑制剂数量最多，广泛存在于鸟蛋、植物种子以及多种体液当中。对于该类型的抑制蛋白表面RSL结构而言，极为相似，特别是在与靶酶结合以后，结构相似度会更高。首先，阻断丝氨酸蛋白酶的活性[8]。丝氨酸蛋白酶是一类在细胞内起重要作用的酶，参与了细胞的许多生理过程。丝氨酸蛋白酶抑制剂可以与酶结合，阻碍其活性，从而影响细胞的正常功能。其次，抑制炎症反应。丝氨酸蛋白酶在炎症反应中也起到重要作用，可以促进炎症细胞的迁移和激活。丝氨酸蛋白酶抑制剂可以抑制炎症反应，减轻炎症症状。最后，抗血管生成。丝氨酸蛋白酶参与了血管新生的过程，丝氨酸蛋白酶抑制剂可以抑制血管生成，从而减缓肿瘤的生长和转移。

四、丝氨酸蛋白酶抑制剂的生物活性

    在各种各样的生物体内都存在蛋白酶，对细胞内外无数水解反应进行控制，如果蛋白酶的水解反应不受控制，则会造成比较严重的疾病，出现功能紊乱的情况。这就需要精准控制蛋白酶的水解反应，其中最基本的方法就是激活、表达或者分泌调节蛋白酶原，同时降解天然蛋白酶实现。另外一种则是通过对蛋白酶的水解活性进行调节来实现。针对绝大多数丝氨酸蛋白酶抑制剂而言，能够与靶酶活性位点产生作用，对其水解平衡进行调节，实现体内环境的稳定。但是针对部分丝氨酸蛋白酶抑制剂而言，在进化过程中自身的抑制特性逐渐丧失，成为了激素载体，比如血管紧张素原等。在人体内部，丝氨酸蛋白酶抑制剂起着十分重要的作用，如果出现功能障碍的情况，则会造成其产生肺气肿、血栓、肝硬化以及免疫系统过敏等情况。

结语：在新药研制与疾病防治工作中，丝氨酸蛋白酶抑制剂表现出较强的生物活性与作用，通过从细菌或者植物中提取一些无毒性丝氨酸蛋白酶抑制剂，能够在丝氨酸蛋白酶诱发的皮肤炎症治疗中发挥良好作用，比如土豆块茎中的部分蛋白，能够对人类排泄物中的丝氨酸蛋白酶进行抑制，为肛周炎患者提供治疗。在目前现有的丝氨酸蛋白酶抑制剂中，通常借助蛋白分离纯化技术，从动植物体内提取，但是受到成本与技术等因素的影响，并不能从中筛选一些新的抑制剂基因，同时也无法低成本的基础上，获得抑制剂蛋白，影响了大规模生产，这就需要针对现有抑制剂基因进行改造，借助微生物发酵的方式，开展规模化生产，满足实际需求。

【参考文献】

[1]甄晶博,刘家欣,林立浩,孙凤,张玉恒,王瑞彪,李志欣,韩阳,刘照琨,路义鑫.两种旋毛虫丝氨酸蛋白酶抑制剂对小鼠免疫保护效果的评估[J/OL].中国兽医科学:1-9[2023-03-06].

[2]帅晋豪,王鹏,季昳驰.血清丝氨酸蛋白酶抑制剂A3在三阴性乳腺癌中的表达及对患者预后的影响[J].贵州医科大学学报,2023,48(02):158-164.

[3]费朝霞,李红,丁明罡,韩洁,张作仕.2型糖尿病患者血清尿酸、胱抑素C、半乳糖凝集素-3、丝氨酸蛋白酶抑制剂B1与血糖及颈动脉粥样硬化的关系研究[J].现代生物医学进展,2022,22(20):3951-3955.

[4]付建茹,陈雨,陈佩.血清丝氨酸蛋白酶抑制剂B1  纤维胶凝蛋白-3及亲吻素水平与妊娠期糖尿病的相关性分析[J].中国妇幼保健,2022,37(16):2928-2931.

[5]邬伟,徐慧丽,王正亮,俞晓平.褐飞虱丝氨酸蛋白酶抑制剂基因Nlserpin2的克隆及其功能分析[J].中国农业科学,2022,55(12):2338-2346.

[6]郭小玲,刘芳.多囊卵巢综合征患者血清胎球蛋白A、血清脂肪特异性丝氨酸蛋白酶抑制剂水平与胰岛素抵抗的相关性[J].吉林医学,2022,43(06):1493-1495.

[7]路巍,包蕾,张莹,王若平.藤芪通络颗粒治疗2型糖尿病下肢血管病变气虚血瘀证患者的疗效及对血清丝氨酸蛋白酶抑制剂、视黄醇结合蛋白4水平的影响[J].世界中西医结合杂志,2022,17(04):778-782.

[8]王玉红,张忠强,卢静,刘宁.多囊卵巢综合征患者血清网膜素、C1q/肿瘤坏死因子相关蛋白9、内脏脂肪组织来源的丝氨酸蛋白酶抑制剂水平与病情的相关性和诊断价值的研究[J].中国性科学,2022,31(04):60-64.