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[转载]蛋白酶在健康与疾病中的多维作用及微生物蛋白酶的应用（上）
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你可能没听过“蛋白酶”，但它其实每天都在默默影响你的健康。
蛋白酶是一类帮助分解蛋白质的关键工具。但研究发现，它的作用远不止消化这么简单——它还参与调节免疫、影响肠道状态，甚至和很多常见不适有关。
本文结合近年来的研究进展，系统介绍了蛋白酶的基本概念、不同类型及其来源（包括人体自身和微生物）。重点讲解了蛋白酶在肠道消化中的作用，以及某些细菌产生的蛋白酶如何与肠道健康相关。例如，在炎症性肠病、肠易激综合征和乳糜泻等常见肠道问题中，蛋白酶可能参与影响肠道状态和症状的发生。
此外，还分析了多种会影响蛋白酶活性的因素，以及微生物蛋白酶如何通过特定受体（PARs）影响肠道屏障、细胞信号以及腹痛等不适感。
最后，结合实际健康管理需求，本文讨论一种更为主动的干预思路：通过持续的症状监测与生物标志物评估，配合个性化饮食调整及生活方式优化，系统性改善肠道微环境，并进一步探索恢复蛋白质分解平衡作为潜在的健康干预策略。
01什么是蛋白酶蛋白酶（Proteases，也叫proteinases或peptidases）是一类催化蛋白质中肽键水解的酶，是生命系统中不可或缺的分子工具。自1905年P. A. Levene在《生物化学杂志》上发表关于“蛋白胨裂解产物”的研究以来，该领域已发展百年。
在很长一段时间里，蛋白酶主要被视为执行蛋白质分解代谢和为生物体提供氨基酸的简单工具。然而，随着科学的进步，人们逐渐认识到，蛋白酶还能够催化高度特异性的蛋白水解反应，生成具有新功能的蛋白质产物，开启了蛋白酶研究的新阶段。
★ 蛋白酶在大部分生物中起核心作用
如今，蛋白酶被公认为在所有生物体的几乎所有生物学过程中都发挥着核心调控作用。它们通过精确的切割，调节着蛋白质的命运、定位和活性，调控蛋白质间的相互作用，创造新的生物活性分子（如激素和神经肽），并参与细胞信息的处理、转导和放大。
因此，蛋白酶深刻影响着DNA复制与转录、细胞增殖与分化、组织形态发生与重塑、血管生成、神经发生、排卵、受精、伤口修复、止血、炎症、免疫、自噬、衰老、坏死和凋亡等关键生命活动。
人类基因组已鉴定出600余个蛋白酶基因，约占总基因数的3%，凸显其在维持生命稳态中的核心地位。
相应地，蛋白水解系统失调与癌症、神经退行性、炎症性及心血管等多种疾病密切相关，使蛋白酶成为重要的药物靶点及诊断与预后生物标志物。
02蛋白酶的来源1宿主来源的蛋白酶
宿主自身是蛋白酶的主要来源，这些内源性蛋白酶广泛分布于全身各组织和体液，承担多种生理功能。
• 蛋白酶在消化系统中大量分布且起重要作用
消化系统中，胃主细胞分泌的胃蛋白酶原在酸性环境下被激活为胃蛋白酶，启动蛋白质的初步消化。随后，胰腺分泌的多种蛋白酶原（如胰蛋白酶原、糜蛋白酶原）在十二指肠内经肠激酶及胰蛋白酶级联激活，进一步将蛋白质分解为小肽和氨基酸。
• 蛋白酶还参与组织稳态与病理过程
除了消化功能外，宿主蛋白酶在组织稳态与病理过程中同样至关重要。金属蛋白酶是最大的一类， 人类基因组中约有200个成员。其中，Meprins（Meprin metalloproteases）属于astacin家族，具有独特的寡聚金属蛋白酶结构：
由α、β两种亚基通过二硫键连接，形成同源或异源寡聚体。Meprin A以α亚基为主，主要为分泌型；Meprin B以β亚基为主，为膜结合型。它们在肾脏和肠道刷状缘膜高表达，参与生物活性肽及细胞外基质蛋白的加工。
比如，Meprin B可切割E-钙黏蛋白等细胞表面蛋白，影响细胞间黏附；Meprin A可切割紧密连接蛋白occludin，破坏上皮屏障。Meprins异常表达或活性与炎症性肠病（IBD）、肾脏疾病及癌症的发展密切相关。
Metzinicins、astacins和meprins的进化关系与结构
doi: 10.1074/jbc.TM118.004156.
2微生物蛋白酶
肠道微生物群构成一个庞大且动态的蛋白酶库。细菌、真菌和古菌分泌的蛋白酶不仅可增强宿主消化能力，还能深度参与宿主-微生物相互作用。
相比动植物来源的蛋白酶，微生物蛋白酶通常具有生长周期短、产量高、生化性质多样（如耐酸、耐碱、耐高温）以及便于基因工程改造的优势，因此在工业与生物技术领域应用前景广阔。
• 细菌蛋白酶能补充人体内源性蛋白酶的不足
在生理功能上，细菌蛋白酶可补充人体内源性蛋白酶不足，尤其是在胰腺外分泌功能不全、老年人消化能力下降或胃酸缺乏等病理状态下。此时胃蛋白酶和胰蛋白酶分泌减少，导致蛋白质消化不良，未消化蛋白进入结肠，引起腹胀、腹泻并造成营养不良。
此时，肠道微生物，特别是具有强大蛋白水解能力的细菌，如：
芽孢杆菌属（Bacillus）、
假单胞菌属（Pseudomonas）、
肠球菌属（Enterococcus）、
拟杆菌属（Bacteroides）、
梭菌属（Clostridium）
• 肠道菌群产生的蛋白酶有助于肠道营养代谢
它们产生的蛋白酶可以在肠道的中性或弱碱性环境中发挥作用，降解宿主未能消化的蛋白质，从而在一定程度上补偿了宿主消化酶的不足。例如，来源于解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）的工业级蛋白酶已被开发为口服消化酶补充剂，用于替代疗法，显示出良好的临床价值。
拟杆菌属作为肠道中的优势菌群，其基因组中编码了大量的糖苷水解酶和蛋白酶，使其能够高效利用各种膳食多糖和蛋白质，是肠道营养物质代谢的关键参与者。
03蛋白酶的分类与复杂性1基于催化机制的功能和分类
随着对结构和催化机制认识的加深，蛋白酶的分类不断完善。最初，蛋白酶根据其切割位点被简单地分为内肽酶（endopeptidases，切割蛋白质内部的肽键）和外肽酶（exopeptidases，从蛋白质的N-末端或C-末端切割肽键）。外肽酶又可细分为氨肽酶和羧肽酶。
注：根据国际生物化学与分子生物学联合会（IUBMB）的酶学委员会（EC）命名法，蛋白酶被归类为水解酶（EC 3）中的肽键水解酶（EC 3.4）。
目前最常用的分类依据其活性位点的化学性质和催化机制，将其分为六大类。
•丝氨酸蛋白酶（Serine Proteases）：活性位点含有丝氨酸残基，其羟基作为亲核试剂。例如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶。
•半胱氨酸蛋白酶（Cysteine Proteases）：活性位点含有半胱氨酸残基，其巯基作为亲核试剂。例如木瓜蛋白酶、组织蛋白酶。
•天冬氨酸蛋白酶（Aspartic Proteases）：活性位点含有两个天冬氨酸残基，它们协同激活一个水分子作为亲核试剂。例如胃蛋白酶、HIV蛋白酶。
•金属蛋白酶（Metalloproteases）：催化需要一个或多个金属离子（通常是锌离子）作为辅因子，金属离子激活水分子。例如胶原酶、基质金属蛋白酶（MMPs）、Meprins。
•苏氨酸蛋白酶（Threonine Proteases）：活性位点含有苏氨酸残基，其N-末端苏氨酸的羟基作为亲核试剂。例如蛋白酶体的催化亚基。
•谷氨酸蛋白酶（Glutamic Proteases）：活性位点由谷氨酸和谷氨酰胺残基组成，激活水分子进行催化。此类蛋白酶主要在真菌和细菌中发现，哺乳动物中尚未发现。
为了更系统化整理庞大的蛋白酶家族，研究人员依据氨基酸序列同源性将蛋白酶划分为不同“families”，再结合三维结构相似性将其进一步归类为“氏族”（clans）。MEROPS数据库是目前最权威的蛋白酶及其抑制剂的在线资源，它详细记录了这种分层分类系统，为蛋白酶的进化和功能研究提供了宝贵信息。
代表性真核生物基因组中蛋白水解景观的全球视图
doi: 10.1074/jbc.R800035200.
该图展示了人类、小鼠、果蝇和拟南芥中蛋白酶在催化类别及其相关成员家族中的分布。
其中催化类别用天冬氨酸（A）、半胱氨酸（C）、苏氨酸（T）、丝氨酸（S）和金属蛋白酶（M）表示。例如，人类天冬氨酸蛋白酶A01家族包含5个成员，而拟南芥中该家族有55个。
2基于底物特异性的分类
微生物蛋白酶因来源广泛、功能多样而广受工业与生物技术领域的青睐。根据来源、性质等多维标准可对其进行精细分类，从而更好地揭示其功能特异性，并为应用提供指导。
这类蛋白酶可水解特定蛋白底物，在组织重塑及特定工业应用中发挥关键作用。
•胶原酶：主要负责降解胶原蛋白——结缔组织中最丰富的蛋白质。微生物胶原酶（如梭菌属Clostridium 的相关酶）在伤口清创、组织分离和细胞培养中应用广泛。
•弹性蛋白酶：特异性降解弹性蛋白，对维持血管与皮肤弹性至关重要。来自假单胞菌属（Pseudomonas）的弹性蛋白酶常作为研究病原菌侵袭机制的重要模型。
•角蛋白酶（Keratinases）：能够降解难溶的角蛋白，如羽毛、毛发和指甲。来源于芽孢杆菌属（Bacillus）和曲霉属（Aspergillus）的角蛋白酶在处理羽毛废料、生产动物饲料和皮革工业的生物脱毛中显示出巨大潜力。
3基于与经典蛋白酶同源性的分类
许多微生物蛋白酶在结构和功能上与哺乳动物的经典消化蛋白酶相似，这为它们在食品工业中的应用提供了理论基础。
•胰蛋白酶样蛋白酶：切割赖氨酸（Lys）或精氨酸（Arg）残基的羧基端肽键。例如，某些链霉菌（Streptomyces）产生的胰蛋白酶具有与牛胰蛋白酶相似的底物特异性。
•胰凝乳蛋白酶样蛋白酶：优先切割芳香族氨基酸（如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）残基的羧基端。
•胃蛋白酶样蛋白酶：属于天冬氨酸蛋白酶，在酸性条件下切割疏水性氨基酸残基之间的肽键。来源于真菌（如曲霉属）的酸性蛋白酶在功能上模拟胃蛋白酶，用于蛋白质水解。
拓展：蛋白酶vs.淀粉酶vs.脂肪酶
蛋白酶是指一类分解蛋白质的酶。胃蛋白酶在胃中启动消化，胰蛋白酶和乳糜胰蛋白酶由胰腺产生并释放到小肠，帮助将蛋白质分解为氨基酸，随后被循环吸收。
淀粉酶是消化酶，可将淀粉分解为简单糖类以供能。它主要来自唾液腺；因此一开始咀嚼就会启动消化。随后胃淀粉酶继续将食物分解为糜粒，并促使分泌素释放，推动胰腺分泌胰酶，从而完成消化。
脂肪酶同样是消化酶，能分解膳食脂肪以供肠道吸收。它主要由胰腺分泌（胰腺脂肪酶），但也存在于血液、胃液、肠液和脂肪组织中。胆汁通过把脂肪乳化成小脂肪球来启动消化；随后脂肪酶将脂肪球分解为脂肪酸和甘油，甘油为多种脂质中的基础小分子，细胞可将其用于获取能量。
04蛋白酶的功能与作用机制1肠道内肽酶与外肽酶在消化中的作用
蛋白质消化是多步骤过程，依赖内肽酶与外肽酶协同完成。食物蛋白先由胃蛋白酶及胰腺分泌的内肽酶（如胰蛋白酶、糜蛋白酶）切割为较大多肽。
随后，肠刷状缘膜肽酶与细胞内肽酶，以及微生物分泌的外肽酶（氨肽酶、羧肽酶）进一步将多肽水解为寡肽、二肽和游离氨基酸，最终由肠上皮吸收。
• 未分解的蛋白质还可成为肠道菌群的发酵底物
在肠道远端，未被宿主完全消化的蛋白质与肽类成为微生物发酵底物。在厌氧消化中，微生物蛋白酶承担关键“水解”作用，过程可分为四阶段：水解、产酸、产乙酸与产甲烷。
蛋白质在水解阶段被分解为氨基酸，随后在产酸、产乙酸和产甲烷阶段被微生物群落逐步转化为甲烷、二氧化碳等最终产物。
水解阶段，复杂蛋白质在微生物（如 Clostridium、Proteiniborus）分泌的胞外蛋白酶作用下分解为氨基酸；随后氨基酸在产酸阶段经Stickland反应等途径继续分解，生成挥发性脂肪酸（VFAs）、氨及硫化氢等产物。以丙氨酸和甘氨酸为例，它们可在Stickland反应中转化为乙酸并伴随产能（ATP）。该过程既为微生物提供能量与氮源，也使代谢产物（如短链脂肪酸）影响宿主能量代谢与免疫调节。
2蛋白酶的信号传导：蛋白酶激活受体
蛋白酶不仅是消化酶，更是重要的信号分子。它们可通过激活蛋白酶激活受体（Protease-Activated Receptors, PARs）调控细胞功能。
• 蛋白酶激活受体与通透性、炎症调节等相关
PARs目前已知有四种成员（PAR1、PAR2、PAR3、PAR4），广泛表达于肠道上皮细胞、免疫细胞、神经元和内皮细胞。
其独特激活机制称为“系链配体模型”：蛋白酶切割受体N端特定位点，暴露新的N-末端序列；该序列作为“系链配体”与受体跨膜结构域结合，从而激活受体并引发下游信号，包括钙离子动员、MAPK通路激活以及基因转录等。
在胃肠道中，PARs的激活参与多种生理与病理过程。例如，PAR1激活与上皮细胞凋亡及通透性增加相关；PAR2激活则与炎症、内脏痛觉过敏及屏障功能调节密切相关。
宿主胰蛋白酶是PAR2和PAR4的天然激动剂，肥大细胞释放的类胰蛋白酶同样可激活PAR2。更关键的是，肠道微生物蛋白酶（如牙龈卟啉单胞菌的gingipains、艰难梭菌毒素A）已被证实可直接激活PARs，进而介导炎症反应并破坏屏障。因此，PARs是宿主与微生物蛋白酶信号交流的重要枢纽。
3Meprins在组织与疾病中的双刃剑作用
Meprins作为astacin金属蛋白酶家族成员，在组织重塑与炎症反应中发挥“ 双刃剑”作用：一方面参与ECM降解与重塑、生长因子激活及生物活性肽加工等正常生理过程；另一方面，其异常表达或活性失调与多种疾病的发生发展密切相关。
•炎症性肠病（IBD）：研究发现，MEP1A基因（编码meprin α亚基）是IBD（尤其溃疡性结肠炎）的易感基因之一。Meprin α的表达下调或功能缺失会加重实验性结肠炎，其机制可能与调控肠道屏障及降解促炎细胞因子有关。Meprin A可切割紧密连接蛋白occludin，破坏上皮屏障完整性并促进单核细胞迁移。
•肾脏疾病：敲除小鼠的Meprin β基因可减轻缺血再灌注引起的肾损伤，提示Meprin β在肾损伤中具有促炎和促纤维化作用。此外，人类MEP1B基因多态性与皮马印第安人的糖尿病肾病有关。
•癌症：Meprins在多种癌细胞（如结肠癌和乳腺癌）中异常表达，被认为可通过降解细胞外基质、促进细胞迁移与侵袭，进而参与肿瘤进展和转移。
•神经退行性疾病：Meprins能够切割阿尔茨海默病（AD）的关键蛋白淀粉样前体蛋白（APP），提示其可能参与AD的发生与进展。
未完见下篇。
本文转自：谷禾健康
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