催化三联体

水解酶和转移酶的活性位点中心同时作用的三个氨基酸残基

催化三联体通常指在水解酶和转移酶的活性位点中心同时作用的三个氨基酸残基（如蛋白酶、酰胺酶、酯酶、酰基转移酶、脂肪酶和β-内酰胺酶）。用于共价催化的亲核残基一般是酸-碱-亲核三联体。残基会形成一个电荷中继网络，以极化和活化亲核试剂，来攻击底物形成共价中间体，然后中间体水解，再生出游离的酶。亲核试剂大多是丝氨酸或半胱氨酸，也有少量是苏氨酸。

定义

因为酶会折叠成复杂的三维结构，催化三联体的残基可能在其所在的氨基酸序列（一级结构）中离得很远，但最后它们将会折叠到一起。

虽然在功能上（甚至是三联体中的亲核体）进化趋异，催化三联体却是趋同进化的最好案例。对催化的化学约束使得至少23个独立的总科进化出了相同的催化方法。生物化学中，研究得最透彻之一的就是这些反应的作用机理。

发展历史

早在20世纪30年代，就有人最早研究出了胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结构。20世纪50年代，胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶所含三联体中的丝氨酸被确认为亲核体（通过二异丙基氟磷酸盐的转变）。20世纪60年代，对其他蛋白酶测序后发现了一系列的相关结构，后称之为S1家族。同时，在木瓜和枯草杆菌蛋白酶的结构中也发现了类似的三联体，而它们在进化中毫不相干。20世纪60年代末，“电荷中继”机制提出，解释了亲核体如何被其他三联体成分所激活。70和80年代，随着X射线晶体学测定了越来越多的蛋白质结构，发现了同源（如TEV蛋白酶）和非同源但类似（例如木瓜蛋白酶）的三联体。20世纪90年代和2010年代，MEROPS分类系统开始将蛋白酶分类为结构相关的酶超家族，从而作为三联体在20个超家族趋同进化的一个数据库。使得这么多酶家族归于同一三联体形状的进化化学约束条件于2010年代开始研究。在催化三联体的电荷中继及共价催化机制上的大量工作使其成为生物化学中研究得最为透彻的部分之一。

成分

亲核体

侧链上的亲核残基可共价催化底物。氧或硫上的孤对电子会攻击正电的羰基碳。20种天然生物氨基酸没有足够的亲核性官能团以催化许多困难的反应。最常见的亲核体是丝氨酸的醇（OH）和半胱氨酸的硫醇/硫醇盐离子（SH/S）。在三联体中嵌入亲核体提高了它的催化活性。一些蛋白酶采用的是苏氨酸的仲醇，然而由于额外甲基的缘故，这些蛋白酶使用N端酰胺作为碱，而不是一个单独的氨基酸。

碱

由于所有的天然氨基酸都不具有强亲核性，催化三联体中的碱极化并脱去亲核体的质子，以提高其反应活性。此外，它还能质子化第一个生成物，以帮助离去基离开。其最常见为组氨酸，因为它的pKa值有助于高效的碱催化，同时可与酸残基以两个氢键结合，及对亲核残基去质子化。β-内酰胺酶如TEM-1使用赖氨酸残基作为碱。由于赖氨酸的pKa值如此之高（pKa=11），在循环催化的过程中，谷氨酸等几个残基要充当酸以稳定其去质子化的状态。为了避免位阻效应，苏氨酸蛋白酶以N端酰胺作为碱，以提高用于催化的苏氨酸残基的反应活性。

酸

酸性残基能对齐并极化碱性残基。其通常为天冬氨酸或谷氨酸。有些酶只有一个二分体，例如在半胱氨酸蛋白酶中三联体的酸就不是非常必要。如木瓜蛋白酶中的第三个三联体成分为天冬酰胺，它能引导组氨酸转变为碱，但却不作为酸出现。类似地，甲型肝炎病毒蛋白酶的序列中含有一个水分子，而那个位置本该是一个氨基酸残基。另外，巨细胞病毒蛋白酶使用一对组氨酸，一个作为碱，另一个则如在其它的酶中那样作为酸。作为酸而言，第二个组氨酸较常见的天冬氨酸或谷氨酸效率要低，因而其催化效率也不是很高。

范例

丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸

胰凝乳蛋白酶（PA超家族，S1家族）是几个典型含三联体的酶之一。它使用丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸序列以水解蛋白。

其它的α/β水解酶通过趋同进化也发展出了同样的三联体，如一些脂肪酶和酯酶，但是手性与之相反。此外，与G蛋白的折叠相同的脑乙酰水解酶中也发现了这样的三联体。乙酰胆碱酯酶中有等效的丝氨酸-组氨酸-谷氨酸三联体。

半胱氨酸-组氨酸-天冬氨酸

半胱氨酸蛋白酶的几个家族使用这个三联体组，例如TEV蛋白酶（PA超家族，C4家族）和木瓜蛋白酶（CA超家族，C1家族）。其作用类似于丝氨酸蛋白酶中的三联体，它们之间的差异将在下文“丝氨酸和半胱氨酸水解酶机制的比较”一节中阐述。尚不清楚天冬氨酸对木瓜蛋白酶中三联体的催化作用和几种半胱氨酸蛋白酶（如甲型肝炎病毒蛋白酶）中二分体的高效性有何重要作用。

丝氨酸-组氨酸-组氨酸

巨细胞病毒蛋白酶（SH超家族，S21家族）同时使用组氨酸作为三联体中的酸和碱。除去酸性组氨酸仅使活性降低了10倍（与之相比，从胰凝乳蛋白酶中除去天冬氨酸活性会降低＞10,000倍）。有人认为这个三联体可能是用来降低酶的活性，以控制卵裂速率。

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