角质蛋白酶的来源和分类

背景及概述^[1]

角质蛋白酶是一种底物非常广的蛋白酶，能够降解多种可溶性及不可溶性蛋白质，如胶原蛋白、纤维蛋白、牛乳清蛋白、血红蛋白、酪蛋白等，最特别的就是它能够降解天然的角蛋白，使其变成可溶的氨基酸和多肽，并且作用条件温和，相比于其他传统的蛋白酶有着明显优势。角质蛋白酶的发现，让人们找到了一种理想的，将角蛋白废弃物变废为宝的新途径。

来源^[1]

目前发现的角质蛋白酶多来源于细菌，如Baclicus，Chryseobacterium，Stenotrophomonas，Caldicoprobacter，Vibrio和Pseudomonas等。其中芽孢杆菌属占主导地位，同时研究也最为深入。而部分放线菌也能够产角质蛋白酶，主要为链霉菌属，如Streptomyces

gulbargensis，Streptomycesfradiae，Streptomycesalbidoflavus等。真菌中有着大量的产角质蛋白酶群体，其典型代表就是人体表的腐生真菌，包括引起甲真菌病的Scopulariopsisbrevicaulis和引起皮肤真菌感染的Trichophytonmentagrophytes，Candidaalbicans，Microsporumcanis等。除此之外，Kaul等从100只鸟的羽毛中分离出了14种产角质蛋白酶的真菌，分别属于10个不同的属:Chrysoporium，Malbranchea，Chaetomium，Sepedonium，Microascus，Scopulariopsis，Curvularia，Fusarium，Aspergillus，Penicillium，该发现在很大程度上扩大了角质蛋白酶的研究范围。

以上微生物可以在养殖场以及屠宰场附近的土壤中或者动物的表皮、毛发上采集到，并使用粉状角蛋白作为培养基中的唯一碳氮源，能够筛选产角质蛋白酶的微生物，并挑选水解圈与菌落直径比值较大的菌落进行发酵测试，获得其中高产角质蛋白酶的菌株。蒋彪等通过这种筛选手段获得了一株高产角质蛋白酶的菌株Bacillussp。

分类^[1]

按照蛋白酶活性中心分类，角质蛋白酶可分为三类，分别为:丝氨酸蛋白酶、金属蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶。其中丝氨酸蛋白酶类的角质蛋白酶数量最多，应用也最广，主要产自细菌，蛋白多序列比对发现这些微生物丝氨酸蛋白酶在多个区域高度保守，三联催化体Asp、His、Ser分别存在这些保守区域中，对于角蛋白的水解起到重要作用。金属蛋白酶类的角质蛋白酶在细菌、放线菌和真菌中都有报道，其活性中心含有Zn²⁺等二价金属，对于其催化功能具有重要作用。而一些角质蛋白酶同时属于丝氨酸蛋白酶和金属蛋白酶，同时拥有以上两类酶的性质。天冬氨酸蛋白酶类的角质蛋白酶目前只在人体腐生真菌Candidaalbicans中有发现，活性中心含天冬氨酸，这种蛋白酶是Candidaalbicans感染人体皮肤的作用因子。

应用及其作用机制^[1]

角蛋白的降解过程可分为两步，二硫键的断裂和肽链的水解，这两个步骤相辅相成，互相促进。二硫键的打开，肽链变得松散，其上的酶切位点暴露，有利于角质蛋白酶快速降解角蛋白。

1、二硫键的还原

角质蛋白酶负责水解肽链，却无法对二硫键起作用，所以在微生物利用角蛋白的过程中，其分泌的能够还原二硫化物的辅助因子(如二硫化物还原酶)起着关键性的作用。当微生物作用于羽毛过程中，羽毛降解的同时伴随着培养基中亚硫酸盐的积累(二硫键先经过还原断裂，其后再经过一系列的氧化还原反应);以及二硫键还原酶和角质蛋白酶混合处理角蛋白时，水解速度是单一角质蛋白酶处理的50倍，这两个现象的发现充分证实了辅助还原因子在降解角蛋白时的重要性。

2、疏水氨基酸的切割

角质蛋白酶能够特异性降解角蛋白，而一般蛋白酶却没有此能力。经研究发现，是由于角蛋白表面富含疏水氨基酸残基，一般蛋白酶几乎“无从下手”，而角质蛋白酶却有着极强的疏水氨基酸残基的切割能力，对于富含疏水氨基酸残基的蛋白质，有着很好的亲和力。以合成短肽作为底物，有研究发现角质蛋白酶对于疏水氨基酸含量高的肽链的亲和力明显高于疏水氨基酸含量低的，并能高效切割P1(对应S1底物口袋)位点为芳香族氨基酸和疏水氨基酸的氨基酸残基，导致外部疏水区的瓦解，内部的水解位点暴露，角蛋白降解加快，在还原因子的作用下完全降解。而用角质蛋白酶预处理羽毛后，无角质蛋白酶活性的蛋白酶能够在合适的还原剂下继续降解角蛋白，也说明了角质蛋白酶切割疏水氨基酸的特异能力是其区别于其他蛋白酶的重要特征。

参考文献

[1]蒋少龙,蔡俊.角蛋白酶及其应用研究进展[J].食品工业科技,2019,40(06):348-354+360.