中性プロテアーゼ

中性プロテアーゼは、中性、弱酸性、または弱アルカリ性の環境で触媒作用を行うことができるプロテアーゼの一種を指します。その最適pHは6.0から7.5の間であり、タンパク質のペプチド結合の加水分解を触媒し、アミノ酸やペプチドを放出します。中性プロテアーゼは、反応速度が速く、工業的汚染がなく、反応条件の適応性が広いという利点があります。

分類

中性プロテアーゼは、触媒メカニズムと活性部位の官能基に応じて、セリンプロテアーゼ、アスパラギン酸プロテアーゼ、システインプロテアーゼ、メタロプロテアーゼの4つの主要なカテゴリに分けることができます。

セリンプロテアーゼ：セリンプロテアーゼは、通常、基質タンパク質の加水分解を2段階で触媒します。加水分解過程では、共有結合した酵素-ペプチド複合体の中間二量体が形成され、その後アミノ酸が失われ、ペプチド鎖が切断されます。アシル基が除去され、その後、水による中間体の求核攻撃によってペプチド結合が加水分解されます。ほとんどのセリンプロテアーゼは、典型的なセリン-ヒスチジン-アスパラギン酸の三重構造を形成し、少量のセリンが触媒基盤として機能します。

アスパラギン酸プロテアーゼ：アスパラギン酸プロテアーゼの活性部位は、アスパラギン酸残基に依存しています。ほとんどのペプシンファミリーの活性部位におけるアスパラギン酸残基は、Asp-Thr-Gly-Xaaモチーフに位置しており、これは二葉状のアミノ末端とカルボキシル末端にあります。Xaaはセリンまたはスレオニンに置き換えることができ、側鎖は水素結合によってアスパラギン酸に結合しています。

システインプロテアーゼ：システインプロテアーゼの触媒メカニズムは、セリンプロテアーゼのそれに似ています。異なる進化的起源からのいくつかのシステインプロテアーゼの触媒メカニズムの研究は、非常に明確な類似点を示しています。パパインは、システインプロテアーゼの触媒メカニズムの原型と見なされています。触媒メカニズムの違いは、主に活性部位の異なる立体構造によるもので、セリンプロテアーゼはセリン-ヒスチジン-アスパラギン酸の触媒三重体を含むのに対し、システインプロテアーゼの加水分解中には酸性基とアシルメルカプタン中間体が形成されます。

メタロプロテアーゼ：メタロプロテアーゼは、上記のプロテアーゼとは異なる触媒メカニズムを持っています。このクラスの酵素は、二価金属カチオンの存在に依存し、透析や金属キレートによって不活性化されることがあります。X線結晶構造解析の研究は、ほとんどのメタロプロテアーゼが結晶形成中に酵素構造内に金属結合のための部位を形成することを示しています。金属カチオンは通常Zn²⁺であり、Mg²⁺やCu²⁺などの他の金属カチオンであることもあります。酵素の活性部位にある金属イオンは、EDTAやOPなどのキレート剤によってキレートされることができ、その結果、酵素は部分的または完全な活性を失います。このプロセスは通常可逆的であり、金属イオンを再添加することで酵素活性が回復することができます。

出所

中性プロテアーゼは、代謝における特別な役割のため、動物、植物、微生物に広く存在します。他のソースと比較して、微生物由来のプロテアーゼは、その培養条件、生産コストの管理、準備スケールにおいて比類のない利点を持っています。中性プロテアーゼは、その出所に応じて、細菌性中性プロテアーゼ、真菌性中性プロテアーゼ、ウイルス性中性プロテアーゼに分けることができます。

細菌性中性プロテアーゼ：市場で最も一般的に使用される中性プロテアーゼは、特にBacillusによって生成される細菌性中性プロテアーゼであり、Bacillus subtilisやBacillus licheniformisなどがあります。細菌性中性プロテアーゼの酵素活性は、主にMg²⁺、Zn²⁺、およびCa²⁺などの二価カチオンに依存しています。細菌性プロテアーゼは強い加水分解能力を持ち、反応速度が速く、加水分解生成物は苦味が少ないため、食品産業で広く使用されています。

真菌性中性プロテアーゼ：多くの真菌は、Aspergillus oryzae、Rhizopus、およびMucorなどの中性プロテアーゼを生成することができます。さらに、真菌性プロテアーゼの触媒pHは広範囲（通常4から11）です。Aspergillus oryzaeは、酸性プロテアーゼ、中性プロテアーゼ、およびアルカリ性プロテアーゼを生成することができます。真菌性プロテアーゼの生産は主に固体状態発酵を通じて行われます。彼らのプロテアーゼの活性は主に二価カチオンに依存しており、金属キレートによって影響を受けることがあります。一般的に、真菌性プロテアーゼの反応速度と安定性は、細菌性プロテアーゼよりも相対的に低いです。

ウイルス性中性プロテアーゼ：ウイルスプロテアーゼの研究は、主に医療分野に焦点を当てています。アスパラギン酸プロテアーゼ、セリンプロテアーゼ、およびシステインプロテアーゼは、ウイルスプロテアーゼに含まれています。すべてのウイルス由来のプロテアーゼはエンドヌクレアーゼであり、その活性には金属イオンの参加は必要ありません。医学における特別な役割のため、ウイルスプロテアーゼの三次元構造、翻訳、発現メカニズム、および機能メカニズムに関する研究がますます行われています。

応用

食品産業における応用：中性プロテアーゼは、食品の品質、安定性、および溶解性を向上させるために食品産業で広く使用されています。Aspergillus oryzaeによって生成された中性プロテアーゼは、小麦粉中のグルテンの特性を加水分解によって変化させ、細菌由来の中性プロテアーゼは生地の伸展性と弾力性を高めるために使用されます。中性プロテアーゼは、飲料の澄明化にも適用できます。紅茶の浸出液は中性プロテアーゼで消化されるため、高い可溶性タンパク質含量により超濾過フラックスが大きく変化します。中性プロテアーゼは、主にミオフィブリルとエラスチンを溶解することができるため、肉の柔らかさを向上させるためにも使用されます。中性プロテアーゼは、豆製品の加工においても重要な役割を果たします。例えば、豆ペーストの場合、発酵中に真菌によって生成された中性プロテアーゼが大豆材料中のタンパク質を完全に加水分解します。微生物に必要な成長因子を提供しながら、多くの有益なアミノ酸の生成を促進し、製品の栄養素を効果的に増加させます。

皮革産業における応用：プロテアーゼは、主に皮革中の非ペクチン成分を選択的に加水分解し、アルブミンやグロブリンなどの非フィブリンを除去するために使用されます。皮革産業におけるプロテアーゼの使用は、浸漬時間を短縮することができます。中性プロテアーゼの調製の選択は、マトリックスタンパク質の特異性に依存し、酵素の量は処理された皮革の柔らかさと硬さに依存します。皮革製品の加工における中性プロテアーゼの適用は、環境汚染を減少させるだけでなく、エネルギーを節約するのにも役立ちます。

化粧品における応用：中性プロテアーゼは、化粧品の製造と開発に広く使用されています。化粧品に使用される中性プロテアーゼは、主に微生物や植物由来のものです。中性プロテアーゼを歯磨き粉に加えることで、特にBacillus subtilis中性プロテアーゼが、歯石を除去するのに役立ちます。中性プロテアーゼはクリームに加えられ、フケを溶解し、肌を柔らかくし、肌の代謝を促進し、薬物の皮膚吸収を増加させ、角質層における病原菌の抵抗を減少させます。同時に、中性プロテアーゼの微生物源はより耐熱性があり、老化した角化細胞を除去し、除去効果を高め、ニキビの形成を防ぐことができます。

製薬産業における応用：製薬産業では、プロテアーゼは、創傷のデブリードマン軟膏、火傷の瘢痕軟化軟膏、抗炎症腫脹および痰薬などの医薬品を製造するために使用されます。中性プロテアーゼは多様性と基質特異性が広く、高効率の治療薬の開発において明らかな利点を持っています。