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トリプシンは、多くの脊椎動物の消化器系に存在するPAクランスーパーファミリーに属するセリンプロテアーゼ酵素の一種で、タンパク質の加水分解を開始し、長いアミノ酸鎖をより小さな断片に切断します。[ 2 ] [ 3 ]トリプシンは、膵臓で産生されるプロ酵素であるトリプシノーゲンが活性化されると、小腸で生成されます。トリプシンは、主にアミノ酸のリジンとアルギニンのカルボキシル側でペプチド鎖を切断します。臨床および研究室の多くのバイオテクノロジー用途で広く使用されています。トリプシンの酵素作用は、一般的にトリプシノーゲンタンパク質分解またはトリプシン化と呼ばれ、トリプシンで消化または処理されたタンパク質は、トリプシン化されたと言われます。[ 4 ]
トリプシンは1876年にヴィルヘルム・キューネによって発見されました。[ 5 ]多くの情報源は、酵素が最初に膵臓をガラス粉とアルコールでこすって分離されたため、キューネがトリプシンという名前を古代ギリシャ語でこするという意味のtripsisから取ったと誤って主張していますが、実際にはキューネは「私は壊す」または「私はバラバラにする」という意味の古代ギリシャ語thrýptoからトリプシンと名付けました。[ 6 ]
十二指腸では、トリプシンがペプチド結合の加水分解を触媒し、タンパク質をより小さなペプチドに分解します。ペプチド生成物は、他のプロテアーゼによってさらに加水分解されてアミノ酸になり、血流に吸収されるようになります。タンパク質は一般的に小腸の内壁から吸収するには大きすぎるため、トリプシン消化はタンパク質吸収に必要なステップです。[ 7 ]
トリプシンは、膵臓で不活性な前駆体であるトリプシノーゲンとして産生されます。膵臓がコレシストキニンによって刺激されると、膵管を通って小腸の最初の部分（十二指腸）に分泌されます。小腸に入ると、エンテロキナーゼ（エンテロペプチダーゼとも呼ばれる）という酵素が、タンパク質分解によってトリプシノーゲンをトリプシンに活性化します。活性化されたトリプシンは、さらにトリプシン、キモトリプシン、カルボキシペプチダーゼを活性化します。
酵素のメカニズムは他のセリンプロテアーゼと同様である。これらの酵素は、ヒスチジン-57、アスパラギン酸-102、およびセリン-195からなる触媒三残基を含む。[ 8 ]この触媒三残基は以前は電荷リレーシステムと呼ばれ、セリンからヒスチジンへ、およびヒスチジンからアスパラギン酸へのプロトンの引き抜きを意味していたが、NMRによって得られた証拠から、結果として生じるセリンのアルコキシド型はヒスチジンのイミダゾール環よりもプロトンをはるかに強く引き付けるため、現在の考え方では、セリンとヒスチジンはそれぞれ実質的に等量のプロトンを共有し、短い低障壁水素結合を形成している。[ 9 ]この方法により、活性部位のセリンの求核性が増加し、タンパク質分解中のアミド炭素への攻撃が促進される。トリプシンが触媒する酵素反応は熱力学的に有利ですが、かなりの活性化エネルギーを必要とします（つまり、「速度論的に不利」です）。さらに、トリプシンは、Gly-193とSer-195の主鎖アミド水素原子によって形成される「オキシアニオンホール」を含んでいます。この水素原子は、セリン酸素による平面アミド炭素への求核攻撃によってその炭素が四面体構造をとることでアミド酸素上に蓄積される負電荷を水素結合によって安定化します。このような四面体中間体の安定化は、その形成のエネルギー障壁を低減するのに役立ち、遷移状態の自由エネルギーの低下と同時に起こります。遷移状態の優先的な結合は、酵素化学の重要な特徴です。
トリプシンの触媒ポケット（S1）にある負電荷のアスパラギン酸残基（Asp 189）は、正電荷のリジンおよび/またはアルギニンを引き付けて安定化させる役割を担っており、したがって、酵素の特異性に関与している。これは、トリプシンが、リジンとアルギニンのいずれかがC末端プロリンに結合している場合を除き、主にアミノ酸リジンとアルギニンのカルボキシル側（または「C末端側」）でタンパク質を切断することを意味する[ 10 ]。ただし、大規模質量分析データは、プロリンでも切断が起こることを示唆している[ 11 ] 。 トリプシンはエンドペプチダーゼと考えられており、つまり、切断はポリペプチドの末端にある末端アミノ酸ではなく、ポリペプチド鎖内で起こる。
動物トリプシンの最適作動温度は約37 ℃である。[ 12 ] 対照的に、変温動物である大西洋タラは、さまざまな体温で生存するために、いくつかの種類のトリプシンを持っている。タラのトリプシンには、活性範囲が4～65 ℃（39～149 °F）で、最大活性が55 ℃（131 °F）のトリプシンIと、活性範囲が2～30 ℃（36～86 °F）で、最大活性が21 ℃（70 °F）のトリプシンYがある。[ 13 ]
トリプシンはタンパク質であるため、その分子量は由来によって様々である。例えば、ウシ由来およびブタ由来のトリプシンの分子量は23.3 kDaと報告されている。
トリプシンの活性は、キモトリプシンを不活性化する酵素阻害剤であるトシルフェニルアラニルクロロメチルケトン（TPCK）によって影響を受けない。
トリプシンは自己分解を防ぐため、非常に低温（-20～-80℃）で保存する必要があります。また、pH3で保存したり、還元メチル化処理を施したトリプシンを使用したりすることでも、自己分解を抑制できます。pHを8に戻すと、活性が回復します。
これらのヒト遺伝子は、トリプシン酵素活性を持つタンパク質をコードしている。
トリプシンの他のアイソフォームは、他の生物にも見られる可能性がある。
膵臓におけるトリプシノーゲンのタンパク質分解によるトリプシンの活性化は、膵臓の自己消化を引き起こし、膵炎につながる一連の事象を引き起こす可能性があります。常染色体劣性疾患である嚢胞性線維症の結果の1つは、膵臓からのトリプシンおよびその他の消化酵素の輸送の欠陥です。これにより、通常はトリプシンやその他のプロテアーゼによって分解され、糞便として排出される胎便が過度に濃くなることによる腸閉塞（イレウス）を伴う胎便性イレウスと呼ばれる疾患が発生します。[ 14 ]
トリプシンは膵臓に豊富に存在し、比較的容易に精製できるため、様々なバイオテクノロジープロセスで広く利用されている。
組織培養ラボでは、細胞を採取する過程で、細胞培養皿の壁に付着した細胞を再懸濁するためにトリプシンが使用されます。[ 15 ]一部の細胞タイプは、試験管内で 培養すると、皿の側面や底に付着します。トリプシンは、培養細胞を皿に固定しているタンパク質を切断し、細胞を皿から取り外せるようにするために使用されます。
トリプシンは、解剖した細胞を分離するためにも使用できます（例えば、細胞の固定や選別を行う前など）。
トリプシンは母乳中のカゼインを分解するために使用できます。粉ミルク溶液にトリプシンを加えると、カゼインの分解によって母乳が透明になります。反応速度は、母乳が透明になるまでの時間を測定することで評価できます。
トリプシンは、プロテオミクス実験において、タンパク質をペプチドに分解して質量分析を行うために、生物学的研究で一般的に使用されています（例：ゲル内消化）。トリプシンは、アルギニンまたはリジン残基由来のカルボニル基を持つペプチド結合のみを加水分解するという非常に明確な特異性を持つため、この用途に特に適しています。
トリプシンは、微生物由来の形態では血栓を溶解するのに用いられ、膵臓由来の形態では炎症を治療するのに用いられる。
獣医学では、トリプシンは、馬、牛、犬、猫の傷口の壊死組織や膿を溶かすためのデブリソルなどの創傷スプレー製品の成分として使用されています。[ 16 ]
インドでは、トリプシン-キモトリプシンは喉頭炎や手術後の炎症軽減のために広く処方されています。インド国外での使用については十分に文書化されておらず、前述の状況での有効性について書かれた論文のほとんどは、インドでこれらの錠剤を製造している主要ブランドの1つであるTorrent Pharmaceuticalsによって資金提供されています。[ 17 ] [ 18 ]
市販のプロテアーゼ製剤は通常、トリプシンを含むさまざまなプロテアーゼ酵素の混合物で構成されています。これらの製剤は食品加工で広く使用されています。[ 19 ]
膵臓内で活性トリプシンが作用すると大きな損傷を与える可能性があるため、膵臓内のBPTIやSPINK1などの阻害剤、および血清中のα1-アンチトリプシンが、その不適切な活性化に対する防御機構の一部として存在している。不活性トリプシノーゲンから時期尚早に生成されたトリプシンは、阻害剤と結合する。トリプシンとその阻害剤間のタンパク質間相互作用は最も強固な結合の一つであり、トリプシンは膵臓の阻害剤の一部とほぼ不可逆的に結合している。[ 20 ] 既知のほとんどすべてのタンパク質複合体とは対照的に、阻害剤と結合したトリプシンの複合体の一部は、8M尿素処理後も容易に解離しない。[ 21 ]
トリプシン阻害剤は、代謝障害や肥満に対処する際のツールとして使用できます。代謝障害、肥満、および過体重は、非感染性慢性疾患の有病率を高めることが知られています。[ 22 ]トリプシン阻害剤の使用を含め、この発生を軽減するためのさまざまな方法を検討することは、公衆衛生政策上の関心事です。これらの阻害剤は、放射線防御作用と抗発がん作用により、結腸がん、乳がん、皮膚がん、および前立腺がんを減少させる能力があります。トリプシン阻害剤は、好中球プロテアーゼの放出を制御し、重大な組織損傷を回避するための調節メカニズムとして機能します。[ 22 ]非生産的なセリンプロテアーゼ活性に関連する心血管疾患に関して、トリプシン阻害剤は、血小板凝集、線溶、凝固、および血液凝固におけるその活性を阻害することができます。
トリプシン阻害剤の多機能性には、AMP活性に対する潜在的なプロテアーゼ阻害剤としての性質が含まれる。[ 23 ]トリプシン阻害剤の抗菌作用機序は不明であるが、細菌感染症治療への応用可能性を研究する目的で、その機序を研究する試みがなされてきた。[ 23 ]研究および走査型顕微鏡観察により、黄色ブドウ球菌の細菌膜に対する抗菌効果が示された。[ 23 ]両生類の皮膚由来のトリプシン阻害剤は、黄色ブドウ球菌の細胞壁および細胞膜に影響を与える細菌死促進作用を示した。[ 23 ]また、トリプシン阻害剤ペプチド、タンパク質、および大腸菌における抗菌作用を分析する研究も行われた。その結果、十分な細菌増殖抑制効果が示された。しかし、トリプシン阻害剤は食品および医療用途に利用されるためには、一定の基準を満たす必要がある。[ 23 ]
細胞培養では、細胞外マトリックスのトリプシン消化が一般的な手法です。しかし、この酵素による細胞分解は、特に幹細胞において、細胞の生存率や表面マーカーに悪影響を及ぼす可能性があります。トリプシンよりも穏やかな代替手段として、cd14、cd117、cd49f、cd292などの表面マーカーに影響を与えないAccutaseなどがあります。[ 24 ] [ 25 ]ただし、Accutaseはマクロファージ上のFasLおよびFas受容体の表面レベルを低下させます。これらの受容体は免疫系における細胞毒性と関連しており、アポトーシス関連の細胞死を促進することもあります。[ 26 ]
プロアラナーゼは、プロテオミクス用途においてトリプシンの代替としても使用できる。[ 27 ]プロアラナーゼは、適切な条件下で高いタンパク質分解活性と消化特異性を達成できるアスペルギルス・ニガー菌プロテアーゼである。 [ 27 ]酸性プロリルエンドペプチダーゼプロテアーゼであるプロアナラーゼは、以前はAn-PEPとして研究されており、その特異性を定義するためにさまざまな実験で観察されている。[ 27 ]プロアナラーゼは、短い消化時間と非常に酸性のpHでLC-MS用途で最適に機能した。[ 27 ]
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