プロテアーゼの種類と基質特異性
プロテアーゼの触媒機構による分類
プロテアーゼは触媒残基に基づいて主に4つのクラスに分類されます 。セリンプロテアーゼは活性部位にセリン残基を持ち、トリプシンやキモトリプシンが代表例として消化酵素として機能しています 。システインプロテアーゼはシステイン残基が関与し、細胞死に重要な役割を果たすカスパーゼがこのグループに属します 。アスパラギン酸プロテアーゼ（アスパルテートプロテアーゼ）はアスパラギン酸残基を活性中心に持ち、HIVプロテアーゼがウイルスの生存に不可欠です 。メタロプロテアーゼは金属イオン（主に亜鉛）を活性中心に持ち、マトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）が組織再構築に関与しています 。
参考）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%97%E3%83%AD%E3%83%86%E3%82%A2%E3%83%BC%E3%82%BC
各プロテアーゼの触媒機構は異なり、セリン・システイン・スレオニンプロテアーゼは求核性残基を用いた共有結合アシル酵素中間体を形成します 。一方、アスパラギン酸・グルタミン酸・金属プロテアーゼは水分子を活性化してペプチド結合を直接加水分解します 。さらに、2011年に発見されたアスパラギンペプチドリアーゼは水を必要とせず脱離反応によって切断する特殊な第7の触媒型として報告されています 。
プロテアーゼの基質特異性とエンドペプチダーゼ
プロテアーゼは基質との結合特性により、エンドペプチダーゼとエキソペプチダーゼに大別されます 。エンドペプチダーゼは蛋白質の内部ペプチド結合を攻撃し、トリプシン、キモトリプシン、ペプシンなどがこの分類に含まれます 。特にトリプシンは塩基性アミノ酸（リジン、アルギニン）のカルボキシル側で特異的に切断する厳密な基質特異性を持ちます 。
参考）https://wako.w.waseda.jp/Lecture_Genetic_Information/Appendix/Enzyme_serine_protease.html
キモトリプシンはフェニルアラニンなどの芳香環をもつ疎水性アミノ酸の隣を切断し、エラスターゼはグリシン、アラニン、バリンのような小さな疎水性アミノ酸の隣を切断するなど、各酵素が独特の基質認識機構を持っています 。この特異性の違いは酵素の活性部位の形状と化学的性質により決定され、生体内での機能分担を可能にしています。
プロテアーゼの金属プロテアーゼと阻害機構
金属プロテアーゼ（メタロプロテアーゼ）は活性中心に金属イオンを配座した酵素群で、特に亜鉛イオン（Zn²⁺）やカルシウムイオン（Ca²⁺）が重要な役割を担います 。マトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）はこの分類の代表例で、コラーゲンやプロテオグリカンなどの細胞外マトリックス分解を担っています 。MMPは分泌型と膜結合型に分類され、骨リモデリングや創傷治癒などの生理現象から、炎症や癌の進行などの病的過程まで幅広く関与しています 。
プロテアーゼの活性は内因性阻害因子によって精密に制御されています。TIMP（Tissue Inhibitor of Metalloproteinase）はMMPと複合体を形成してその活性を抑制し、過剰な組織破壊を防ぐ重要な調節因子です 。セルピンスーパーファミリーに属するα1-アンチトリプシンやアンチトロンビンなどの阻害剤は、炎症や血液凝固の過剰反応から生体を保護しています 。
プロテアーゼの進化と系統分類
プロテアーゼの進化的分類はMEROPSデータベースによって体系化されており、構造、機構、触媒残基の順序に基づいて「クラン」（タンパク質のスーパーファミリー）に分類されています 。現在50以上のクランが知られており、それぞれがタンパク質分解の独立した進化的起源を示しています 。各クラン内でプロテアーゼは配列類似性に基づいてファミリーに分けられ、例えばS1ファミリーにはトリプシン、エラスターゼ、トロンビンなどの関連酵素が含まれます 。
プロテアーゼは収斂進化の典型例であり、異なるクラスのプロテアーゼが完全に異なる触媒機構によって同じ反応を実行できます 。この多様性は生物の環境適応における重要な戦略を反映しており、各生物種や細胞タイプに特化した機能を発達させています。特に触媒三残基（ヒスチジン残基を用いてセリン、システイン、スレオニンを活性化）は複数のスーパーファミリーで独立に進化した例として注目されています 。
プロテアーゼのpH特性による機能的分類
プロテアーゼは作用最適pHによって酸性プロテアーゼ、中性プロテアーゼ、アルカリ性プロテアーゼに実用的に分類されます 。酸性プロテアーゼには胃酸環境で機能するペプシンがあり、低pH条件下でタンパク質分解を効率的に行います 。中性プロテアーゼは生理的pH付近で最適活性を示し、I型過敏症に関与する肥満細胞由来酵素やカルパインが含まれます 。
参考）http://www.hbi-enzymes.com/HBI_Protease.htm
アルカリ性プロテアーゼ（塩基性プロテアーゼ）は高pH環境で活性を発揮し、産業的にも洗剤用途などで広く活用されています 。Bacillus licheniformis起源のアルカリ性プロテアーゼは洗濯洗剤の主要成分として利用され、蛋白質汚れの除去に効果を発揮しています 。この分類は実際の応用における重要な指標となり、各pH環境に適した酵素の選択が可能になっています。
生体内においては、胃の酸性環境から十二指腸のアルカリ性環境まで、各消化管部位のpH特性に適応したプロテアーゼが段階的に機能しています。この多段階消化システムにより、効率的なタンパク質分解と栄養素の吸収が実現されています 。