角蛋白酶

角蛋白酶(keratinase)是一种可以特异性降解角蛋白的酶类, 由真菌、放线菌和细菌等多种微生物产生。其来源广泛，多种微生物在羽毛降解过程中均可产生角蛋白酶。不同菌种来源的角蛋白酶，其结构、理化性质、活性和底物也不同。角蛋白酶在食品、医药、饲料、精化和制革等工业中广泛应用, 具有嫩化肉类、生产高级营养品、免疫制剂和饲料添加剂以及美容、软化皮革等作用, 并可导致疯牛病和人类克雅氏症的Prion 蛋白(PrPSc构象)的降解, 更使其成为研究热点, 应用和研究价值巨大。

角蛋白酶还可用于化妆品、工业生产及医药方面。在当今生物处理日益受到关注的形势下，开发有发展潜力的角蛋白降解酶以实现角蛋白的高效生物降解已成为大势所趋。角蛋白酶是皮肤真菌重要的侵袭因子，因此，利用角蛋白酶抑制剂或者角蛋白酶单克隆抗体抑制角蛋白酶的作用，削弱皮肤真菌的侵袭性，从而达到治疗皮肤真菌感染的目的，是今后研究角蛋白酶与皮肤真菌感染相互关系的一个重要方向。角蛋白酶具有高效的角蛋白水解活性，利用角蛋白酶改善药物在角蛋白中的通透性，可提高皮肤外用药物的疗效。特别是在银屑病、角化过度性皮肤病( 神经性皮炎、慢性湿疹等) 的治疗应用方面非常值得研究。
角蛋白酶也可应用于美容护肤品，帮助活性因子透过皮肤屏障，去除皮肤多余角质，实现皮肤的深层护理。角蛋白酶能水解毛发角蛋白，利用角蛋白酶进行脱毛，治疗多毛症也可能具有良好的应用前景。（ChemicalBook Andy） 羽毛作为家禽饲养和屠宰工业的副产物，每年产量巨大,且蛋白质和氨基酸含量丰富,是潜在的优质蛋白质资源，羽毛粉中粗蛋白含量为80%-90%，胱氨酸的含量居天然饲料之首为2.93%，能值居中，含硫量在所有饲料中最高，含硒量较高。据测定缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的含量分别约为7.23%、6.78%、4.21%，高于其他动物性蛋白质饲料。但其成分主要为不溶性的结构蛋白，含有大量的二硫键、氢键和疏水键，交联度大，不可溶，不能被常见蛋白酶所降解。角蛋白稳固的三维结构使其在降解时必须首先打开二硫键，然后再在多肽水解酶的共同作用下，最终得到各种游离的氨基酸。角蛋白水解的关键步骤是二硫键的断裂，已经发现一些角蛋白酶有二硫键还原酶的活性，可使维系角蛋白三维结构的二硫键被破坏，角蛋白丧失不溶性和抗酶解能力，这对于角蛋白的降解至关重要。

角蛋白广泛存在于自然界中，主要来源于动物的外胚层细胞,包括皮肤以及皮肤的衍生物，是其结构蛋白,可分为a和β两个类型。该类蛋白质化学结构稳定,不溶于水,难以被胰蛋白酶，胃蛋白酶 等常见的蛋白酶降解,但能被称之为角蛋白酶(ker- ainases, EC 3.4.21/24/99.11 )的水解酶降解。角蛋白酶具有降解天然角蛋白的特性,属于碱性丝氨酸蛋 白酶或金属蛋白酶族,被认为是一类诱导酶。
角蛋白酶能有效地降解角蛋白的特性,引起了不少研究者的关注。在酶学性质和应用等方面,已进行了大量的研究,取得了一定的进展。酶学性质研究的结果表明，该酶类的分子量在 16kDa ~440 kDa,大多数是30 kDa左右,最适pH 值是在7.5~10,少数偏微酸性,最适温度范围是在 30C~75℃,多数是在459C~55℃。
角蛋白酶对角蛋白的分解作用主要是断裂其二硫键。目前普遍认为微生物降解角蛋白过程 可分为变性作用,水解作用和转氨基作用3个部分。某些角蛋白酶是复合酶,其中含有特异裂: 解二硫键的二硫键还原酶和使多肽水解的多肽水解 酶。因此,当角蛋白酶作用于角蛋白底物时,其中的二硫键还原酶首先使角蛋白分子结构中的二硫键发生断裂，从而使角蛋白分子结构解体,形成变性角蛋 白。然后变性角蛋白在多肽水解酶的共同作用下逐 渐水解成多肽,寡肽和游离氨基酸。 最后,由转氨基作用产生氨气和硫化物,从而使角蛋白彻底水解!1。

角蛋白酶是在角蛋白诱导条件下由微生物产生的，菌种不同，角蛋白酶的结构、活性、底物特异性以及酶活性等也会有差异。角蛋白酶与其他蛋白水解酶的最主要区别在于其与底物的结合更紧密更适合。根据其活性基团，角蛋白酶可分为为丝氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶、金属蛋白酶；根据亚基组成，可分为单体酶和复合酶；根据温度和酸碱性质，可分为酸性、中性和碱性角蛋白酶；根据分泌情况可分为胞内酶和胞外酶。角蛋白酶的最适反应温度一般在35℃-75℃，大多数集中在45℃-55℃。来源于细菌、真菌、放线菌的角蛋白酶的最适pH范围一般在中性到碱性之间。影响角蛋白酶活性的因素有很多，如Ca2+、Mg2+，在通常情况下对角蛋白酶酶活均有促进作用，因此在发酵培养基中适量添加，可能会有助于角蛋白酶的产生；磷酸盐，巯基乙醇，维生素C等也可增强大多数菌源的角蛋白酶活性，可能是由于巯基乙醇有助于打破双硫键从而提高角蛋白酶的酶解能力。

角蛋白酶是由微生物产生的一类具有角蛋白水 解活性的酶,迄今已分离到的30余种能分泌角蛋白 酶的微生物,分别属于细菌,放线菌和真菌属。真菌 种类较多,包括皮肤类真菌,如须癣毛癣菌,新霉素 链霉菌,黄霉菌,微孢长囊头孢霉Trichophyton Simii HN50;丝状真菌,如拟青霉F1和A1 ,Chry2 so sprium geor giae等。
产角蛋白酶的放线菌主要是链霉菌类,如费氏链霉菌,链霉菌DSM40530,嗜热链霉菌和放线菌ss-1等。具有角蛋白酶活性的细菌主要为芽孢杆菌,如地衣芽孢杆菌,表皮葡萄球 菌,海岛闪光杆菌,栖息微球菌等。已报道的角蛋白酶主要是丝氨酸蛋白酶和金属蛋白酶,均被认为是诱导酶。微生物在底物诱导状态下表达角蛋白酶，而在非底物诱导状态下不表达角蛋白酶。
不同微生物产生的角蛋白酶具有一-定的差异,主要表现 在酶的存在方式以及酶的结构组成稳定性最适 反应温度pH值等方面。

角蛋白酶的应用研究涉及饲料生产、医疗卫生、制革等很多行业。使用角蛋白酶可将富含角蛋白的材料转化成氨基酸、多肽和可溶性蛋白，对于提高角质废弃物的营养价值具有重大的经济和社会效益。在制革行业中角蛋白酶不仅能溶解胶原，而且能温和的促进弹性组织解离而使其被广泛的应用在脱毛过程中。饲用高粱的饲用价值大概相当于玉米的95%-96%，但是相对于玉米，饲用高粱含有较高含量的高粱醇溶蛋白，影响蛋白质的消化和利用率。由于高粱醇溶蛋白中胱氨酸的含量较高并且有大量的二硫键交联，推测如果一种蛋白酶对角蛋白质具有降解作用，应该也会降解醇溶蛋白。
目前对角蛋白酶的认识还不够深入，尤其是在角蛋白酶的酶活标定等方面还不统一，导致对不同菌种来源的角蛋白酶产量及活力比较起来存在一定困难。目前虽然已经发现了很多的菌株都能够产角蛋白酶，但相对来说活性都不是很高，因此筛选产角蛋白酶活性较高的菌株也是今后的一个重要发展方向。枯草芽孢杆菌的非致病性，无有毒副产品产生，以及安全性，使其成为商业生产胞外酶的首选。因此，构建一个角蛋白酶的高效表达系统-枯草芽孢杆菌表达系统也是今后研究的重要方面。