ケラチナーゼ

ケラチナーゼは、ケラチンを特異的に分解できるプロテアーゼです。ケラチナーゼは誘導酵素であり、環境に誘導因子（ケラチン）が現れたときのみ合成されます。ケラチナーゼは多くの種類の微生物によって生成され、飼料、皮革、医療、食品などの産業分野や環境管理において広範な応用の見込みがあります。

出典

19世紀初頭には、いくつかの生物がケラチンを分解できることが発見され、そのような株の分離はそれ以来続けられています。現在、ケラチンを分解できる微生物は30種類以上あり、細菌、放線菌、真菌が含まれます。真菌にはDermatophyteやCandida albicans、放線菌にはStreptomyces、細菌にはBacillus licheniformisやBacillus subtilisなどがあります。異なる微生物によって生成されるケラチナーゼには一定の違いがあり、主に酵素の存在、構造、組成、安定性、最適反応温度、pH値に関して異なります。例えば、いくつかの形態のケラチナーゼは主に細胞内に存在し、他のいくつかは主に外部に分泌されます。真菌のケラチナーゼは細胞内外の両方で見られます。

特性

分離・精製されたケラチナーゼの分子量はかなり異なり、数十kDaから数百kDaまでの範囲です。小さなケラチナーゼは分子量18kDaの単量体酵素であり、大きなものは複合酵素で、熱帯嫌気性細菌によって生成されるケラチナーゼは分子量が200kDa以上に達します。ほとんどのケラチナーゼの分子量は30kDaから70kDaの間に集中しています。ケラチナーゼはケラチンの他にも、可溶性および不溶性のさまざまなタンパク質基質を加水分解することができます。ケラチナーゼはカゼイン、ゼラチン、牛血清アルブミンなどの可溶性タンパク質を分解します。また、羽毛、ウール、ケラチン、人間の髪、爪などの不溶性タンパク質も分解します。ケラチナーゼの最適反応pHは主に中性からアルカリ性で、通常は7から10の間です。一部のケラチナーゼの最適pHは約12に達することがあります。酸性ケラチナーゼは比較的少なく、ほとんどが真菌由来です。ケラチナーゼの最適反応温度は一般的に40°Cから60°Cです。

触媒メカニズム

微生物がケラチンを分解するメカニズムは異なるため、分解中の生成物も同じではありません。一部の真菌は、菌糸の表面で分泌される亜硫酸塩と酸性環境を通じて二硫化結合を減少させ、Streptomycesは細胞内還元酵素の生成を通じて行います。しかし、水に不溶なケラチンは粒子の形でのみ細胞外に存在できます。したがって、二硫化結合の還元は、強い代謝能力を持つ全細胞の外部でのみ発生する可能性が高く、細胞表面の細胞結合型酸化還元系で行われる必要があります。純粋な白色高温actinomycetesの観察では、二硫化結合の還元は細胞結合型酸化還元系によって行われることが明らかになりました。S. freundiiおよびB. licheniformisのケラトリシス中にチオール基は検出されませんでした。これは、シスチン二硫化結合の還元によって生成されたシステイン（-SH）が他の生成物に迅速に変換されたためかもしれません。

ケラチナーゼは実際には二硫化還元酵素およびポリペプチド加水分解酵素の活性を持っています。現在、ケラチナーゼの分解プロセスは、変性、加水分解、トランスアミネーションの3つのステップに分けられると一般的に考えられています。まず、二硫化還元酵素がケラチンの二硫化結合に作用し、シスチン（-S-S-）をシステイン（-SH）に還元し、ケラチンの高次構造が崩壊して変性ケラチンタンパク質が形成されます。変性ケラチンタンパク質は、ポリペプチド加水分解酵素の作用によって徐々にポリペプチド、オリゴペプチド、遊離アミノ酸に加水分解されます。最後に、トランスアミネーションによってアンモニアと硫化物が生成され、ケラチンが完全に加水分解されます。

応用

農業において、微生物によって生成されるケラチナーゼはケラチンをポリペプチドやアミノ酸に分解し、有機肥料を作るために使用できます。有機肥料はエネルギー不足の問題を解決するだけでなく、汚染源を分解し、環境を大幅に改善します。

飼料業界では、羽毛の主成分はケラチンであり、粗タンパク質含量は80％以上です。動物は必須アミノ酸を完全に備えており、魚粉を代替または部分的に代替できる良好な飼料タンパク質源です。したがって、廃棄羽毛の開発と利用には重要な応用の見込みがあります。一方で、現在の飼料業界におけるタンパク質資源の不足の問題を解決し、環境汚染の問題も解決できます。

ケラチナーゼは化粧品や医療業界でも使用できます。ケラチナーゼは皮膚真菌の重要な侵襲因子です。したがって、ケラチナーゼ阻害剤やケラチナーゼモノクローナル抗体がケラチナーゼの作用を抑制し、皮膚真菌の侵襲性を弱め、皮膚真菌感染の治療を目的とすることは、ケラチナーゼと皮膚真菌感染の重要な研究方向です。ケラチナーゼは非常に効率的なケラチン加水分解活性を持っています。ケラチナーゼを使用してケラチン内の薬剤の透過性を改善することで、皮膚外用薬の効果を向上させることができます。