催化三聯體

因為酶會摺疊成複雜的三維結構，催化三聯體的殘基可能在其所在的氨基酸序列（一級結構）中離得很遠，但最後它們將會摺疊到一起。

雖然在功能上（甚至是三聯體中的親核體）進化趨異，催化三聯體卻是趨同進化的最好案例。對催化的化學約束使得至少23個獨立的總科進化出了相同的催化方法。生物化學中，研究得最透徹之一的就是這些反應的作用機理。

早在20世紀30年代，就有人最早研究出了胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的結構。20世紀50年代，胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶所含三聯體中的絲氨酸被確認為親核體（通過二異丙基氟磷酸鹽的轉變）。20世紀60年代，對其他蛋白酶測序後發現了一系列的相關結構，後稱之為S1家族。同時，在木瓜和枯草桿菌蛋白酶的結構中也發現了類似的三聯體，而它們在進化中毫不相干。20世紀60年代末，“電荷中繼”機制提出，解釋了親核體如何被其他三聯體成分所激活。70和80年代，隨着X射線晶體學測定了越來越多的蛋白質結構，發現了同源（如TEV蛋白酶）和非同源但類似（例如木瓜蛋白酶）的三聯體。20世紀90年代和2010年代，MEROPS分類系統開始將蛋白酶分類為結構相關的酶超家族，從而作為三聯體在20個超家族趨同進化的一個數據庫。使得這麼多酶家族歸於同一三聯體形狀的進化化學約束條件於2010年代開始研究。在催化三聯體的電荷中繼及共價催化機制上的大量工作使其成為生物化學中研究得最為透徹的部分之一。

側鏈上的親核殘基可共價催化底物。氧或硫上的孤對電子會攻擊正電的羰基碳。20種天然生物氨基酸沒有足夠的親核性官能團以催化許多困難的反應。最常見的親核體是絲氨酸的醇（OH）和半胱氨酸的硫醇/硫醇鹽離子（SH/S）。在三聯體中嵌入親核體提高了它的催化活性。一些蛋白酶採用的是蘇氨酸的仲醇，然而由於額外甲基的緣故，這些蛋白酶使用N端酰胺作為鹼，而不是一個單獨的氨基酸。

由於所有的天然氨基酸都不具有強親核性，催化三聯體中的鹼極化並脱去親核體的質子，以提高其反應活性。此外，它還能質子化第一個生成物，以幫助離去基離開。其最常見為組氨酸，因為它的pKa值有助於高效的鹼催化，同時可與酸殘基以兩個氫鍵結合，及對親核殘基去質子化。β-內酰胺酶如TEM-1使用賴氨酸殘基作為鹼。由於賴氨酸的pKa值如此之高（pKa=11），在循環催化的過程中，穀氨酸等幾個殘基要充當酸以穩定其去質子化的狀態。為了避免位阻效應，蘇氨酸蛋白酶以N端酰胺作為鹼，以提高用於催化的蘇氨酸殘基的反應活性。

酸性殘基能對齊並極化鹼性殘基。其通常為天冬氨酸或穀氨酸。有些酶只有一個二分體，例如在半胱氨酸蛋白酶中三聯體的酸就不是非常必要。如木瓜蛋白酶中的第三個三聯體成分為天冬醯胺，它能引導組氨酸轉變為鹼，但卻不作為酸出現。類似地，甲型肝炎病毒蛋白酶的序列中含有一個水分子，而那個位置本該是一個氨基酸殘基。另外，鉅細胞病毒蛋白酶使用一對組氨酸，一個作為鹼，另一個則如在其它的酶中那樣作為酸。作為酸而言，第二個組氨酸較常見的天冬氨酸或穀氨酸效率要低，因而其催化效率也不是很高。

絲氨酸-組氨酸-天冬氨酸

胰凝乳蛋白酶（PA超家族，S1家族）是幾個典型含三聯體的酶之一。它使用絲氨酸-組氨酸-天冬氨酸序列以水解蛋白。

其它的α/β水解酶通過趨同進化也發展出了同樣的三聯體，如一些脂肪酶和酯酶，但是手性與之相反。此外，與G蛋白的摺疊相同的腦乙酰水解酶中也發現了這樣的三聯體。乙酰膽鹼酯酶中有等效的絲氨酸-組氨酸-穀氨酸三聯體。

半胱氨酸-組氨酸-天冬氨酸

半胱氨酸蛋白酶的幾個家族使用這個三聯體組，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）。其作用類似於絲氨酸蛋白酶中的三聯體，它們之間的差異將在下文“絲氨酸和半胱氨酸水解酶機制的比較”一節中闡述。尚不清楚天冬氨酸對木瓜蛋白酶中三聯體的催化作用和幾種半胱氨酸蛋白酶（如甲型肝炎病毒蛋白酶）中二分體的高效性有何重要作用。

絲氨酸-組氨酸-組氨酸

鉅細胞病毒蛋白酶（SH超家族，S21家族）同時使用組氨酸作為三聯體中的酸和鹼。除去酸性組氨酸僅使活性降低了10倍（與之相比，從胰凝乳蛋白酶中除去天冬氨酸活性會降低＞10,000倍）。有人認為這個三聯體可能是用來降低酶的活性，以控制卵裂速率。