トリプシン

トリプシン（EC 3.4.21.4）は、S1ファミリーおよびPAクラン・スーパーファミリーに属する膵由来のセリンプロテアーゼである。トリプシンは消化器系に存在するタンパク質分解酵素であり、タンパク質の消化に重要な役割を担う。ヒトでは、トリプシンは膵臓内で不活性型のトリプシノーゲンとしてまず産生され、その後、小腸へ移行して活性型トリプシンへ変換される。トリプシンの主な機能は、リジンまたはアルギニンのカルボキシル側でペプチド鎖を切断することである（ただし、これらのアミノ酸の直後にプロリンが続く場合を除く）。トリプシンの主要な形態は、α-トリプシンおよびβ-トリプシンである。

構造

ウシトリプシノーゲンは229アミノ酸からなる単一ポリペプチド鎖で構成され、6本のジスルフィド結合により架橋されている。トリプシンは223アミノ酸からなる単一ポリペプチド鎖である。トリプシンの活性部位にはHis46およびSer183が含まれる。トリプシンのネイティブ型はβ-トリプシンと呼ばれ、自己分解（オートリシス）によりα-トリプシンを形成し、ジスルフィド結合によって保持される。β-トリプシンの自己分解は、ウシ配列においてLys131およびSer132で切断される。

図1．トリプシノーゲン（左）およびトリプシン（右）の構造。（Elgendy, A. S. 2016）

トリプシンとキモトリプシンの構造は非常に類似しているが、両者には重要な相違点が1つある。キモトリプシンの特異性ポケットには189位にセリンが存在する一方、トリプシンでは同位置がアスパラギン酸である。この構造差に基づき、キモトリプシンは疎水性の芳香族アミノ酸を選択するのに対し、トリプシンは正電荷を有する塩基性アミノ酸を選択する。

作用機序

トリプシンは、ペプチドをアミノ酸へ分解する加水分解反応を触媒し、他のセリンプロテアーゼと共通の一般的触媒機構を有する。トリプシンの活性部位は、セリン195、ヒスチジン57、アスパラギン酸102の3残基から構成され、触媒三残基（catalytic triad）と呼ばれる。トリプシンの触媒過程のステップは以下のとおりである。

• 基質結合：基質のアミノ酸側鎖残基がトリプシンの活性部位に結合し、この結合のカルボニル炭素が求核性を有するセリン195近傍に配置される。
• 求核攻撃：ヒスチジン57が、求核体であるセリン195のヒドロキシル基からプロトンを引き抜くことを促進し、カルボニル炭素への攻撃を可能にする。求核攻撃によりSer195側鎖と基質との間に共有結合が形成される。さらに、プロテアーゼ主鎖の2つのアミドプロトンに由来する水素結合が、ペプチドのカルボニル酸素上に生じる負電荷を安定化する。
• プロトン化：基質のアミド窒素がHis57から水素を受け取り、基質のカルボキシ末端側部分が遊離ペプチドとして放出される。
• エステル加水分解：最終段階では、ペプチドとSer195の酸素との間のエステル結合に対して水が攻撃する。通常のカルボキシル基を有するペプチドが第2生成物として生じ、同時にセリンのヒドロキシル基が再生される。続いて第2のペプチドが酵素から解離し、次の触媒サイクルが開始される。

図2．トリプシンの触媒機構。

生理学的機能

トリプシンは膵液中に存在する重要な消化酵素である。タンパク質が十二指腸に到達すると、膵臓はトリプシノーゲン、キモトリプシノーゲン、およびプロカルボキシペプチダーゼを分泌する。トリプシノーゲンが、膵管を介して小腸粘膜細胞から分泌されるエンテロキナーゼ（腸管エンドペプチダーゼ）に接触すると、トリプシンが活性化される。次いでトリプシンは、プロカルボキシペプチダーゼおよびキモトリプシノーゲンを含む他の消化酵素のザイモーゲンを活性化し、それぞれカルボキシペプチダーゼおよびキモトリプシンへ変換する。さらに、トリプシンはペプチドをより小さなアミノ酸断片へ加水分解することができる。したがって、トリプシンは主としてペプチド結合の加水分解を担う生体触媒として機能する。

用途

トリプシンは高純度かつ大量に容易に入手可能であることから、各種バイオテクノロジー分野で広く使用されている。細胞培養では、継代および細胞回収の工程において、接着細胞を再懸濁する目的でトリプシンが用いられる。トリプシンはまた、固定およびソーティング前に、解剖により得られた細胞を解離するためにも使用できる。トリプシンは母乳中のカゼインを分解して乳を半透明化させるため、反応速度の測定に利用できる。生物学研究では、質量分析による解析を目的としたプロテオミクス実験において、タンパク質をペプチドへ消化するためにトリプシンが一般的に用いられる。医療分野では、トリプシンは血栓の溶解や炎症の治療にも使用され得る。

参考文献