Keratinase

Keratinase ist eine Protease, die spezifisch Keratin abbauen kann. Keratinase ist ein induzierbares Enzym, das nur dann synthetisiert wird, wenn ein Induktor (Keratin) in der Umgebung erscheint. Keratinase kann von vielen Arten von Mikroorganismen produziert werden und hat breite Anwendungsperspektiven in den Bereichen Futter, Leder, Medizin, Lebensmittel und anderen Industrien sowie in der Umweltverwaltung.

Quellen

Schon zu Beginn des 19. Jahrhunderts entdeckten die Menschen, dass einige Organismen Keratin abbauen konnten, und die Trennung solcher Stämme ist seitdem im Gange. Derzeit gibt es mehr als 30 Arten von Mikroorganismen, die Keratin abbauen können, darunter Bakterien, Actinobakterien und Pilze, wie Dermatophyte und Candida albicans bei Pilzen, Streptomyces bei Actinobakterien, Bacillus licheniformis und Bacillus subtilis bei Bakterien usw. Die von verschiedenen Mikroorganismen produzierte Keratinase weist gewisse Unterschiede auf, hauptsächlich hinsichtlich des Vorhandenseins des Enzyms sowie der Struktur, Zusammensetzung, Stabilität, optimalen Reaktionstemperatur und pH-Wert des Enzyms. Zum Beispiel existieren einige Formen von Keratinase hauptsächlich in der Zelle, während andere hauptsächlich nach außen sekretiert werden. Die Keratinase des Pilzes findet sich sowohl intrazellulär als auch extrazellulär.

Eigenschaften

Das Molekulargewicht der isolierten und gereinigten Keratinase variiert erheblich und reicht von Dutzenden von kDa bis zu mehreren Hundert kDa. Die kleinere Keratinase ist ein monomeres Enzym mit einem Molekulargewicht von 18 kDa; die größere ist ein komplexes Enzym, wie die von thermophilen anaeroben Bakterien produzierte Keratinase, deren Molekulargewicht bis zu 200 kDa oder mehr beträgt. Das Molekulargewicht der meisten Keratinasen konzentriert sich zwischen 30 und 70 kDa. Neben Keratin kann Keratinase auch eine Vielzahl von Protein-Substraten hydrolysieren, einschließlich löslicher und unlöslicher Proteine. Keratinase kann lösliche Proteine wie Kasein, Gelatine und Rinderserumalbumin abbauen. Sie baut auch unlösliche Proteine wie Federn, Wolle, Keratin, menschliches Haar und Nägel ab. Der optimale Reaktions-pH von Keratinase ist meist neutral bis alkalisch, normalerweise zwischen 7 und 10. Der optimale pH-Wert einiger Keratinasen kann etwa 12 erreichen. Saure Keratinasen sind relativ seltener, die meisten stammen von Pilzen. Die optimale Reaktionstemperatur von Keratinase liegt allgemein zwischen 40 °C und 60 °C.

Katalytischer Mechanismus

Der Mechanismus, durch den Mikroorganismen Keratin abbauen, variiert, sodass das Produkt während des Abbaus nicht dasselbe ist. Einige Pilze reduzieren die Disulfidbindungen durch die Sulfite, die an der Oberfläche des Myzels und in der sauren Umgebung sekretieren, während Streptomyces dies durch die Produktion von intrazellulärer Reduktase tut. Wasserunlösliches Keratin kann jedoch nur extrazellulär in Form von Partikeln existieren. Daher kann die Reduktion von Disulfidbindungen nur außerhalb der gesamten Zelle mit starker Stoffwechselaktivität stattfinden, höchstwahrscheinlich im zellgebundenen Redoxsystem an der Zelloberfläche, da es erfordert, dass unlösliches Keratin in engem Kontakt mit Zellen steht. Beobachtungen von rein weißen Hochtemperatur-Actinobakterien zeigten, dass die Reduktion der Disulfidbindung durch ein zellgebundenes Redoxsystem durchgeführt wurde. Während der Keratolyse von S. freundii und B. licheniformis wurden keine Sulfhydrylgruppen nachgewiesen. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die durch die Reduktion der Cystin-Disulfidbindung produzierte Cystein (-SH) schnell in andere Produkte umgewandelt wurde.

Keratinase hat tatsächlich die Aktivität von Disulfid-Reduktase und Polypeptid-Hydrolase. Derzeit wird allgemein angenommen, dass der Abbauprozess von Keratinase in drei Schritte unterteilt ist, nämlich Denaturierung, Hydrolyse und Transaminierung. Zuerst wirkt die Disulfid-Reduktase auf die Keratin-Disulfidbindung, um Cystin (-S-S-) in Cystein (-SH) zu reduzieren, sodass die hochgradige Struktur von Keratin zerfällt und degeneratives Keratinprotein bildet. Das degenerative Keratinprotein wird allmählich durch die Wirkung der Polypeptid-Hydrolase in Polypeptide, Oligopeptide und freie Aminosäuren hydrolysiert. Schließlich werden Ammoniak und Sulfid durch Transaminierung produziert, um Keratin vollständig zu hydrolysieren.

Anwendungen

In der Landwirtschaft kann die von Mikroorganismen produzierte Keratinase Keratin in Polypeptide und Aminosäuren abbauen, die zur Herstellung von organischen Düngemitteln verwendet werden können. Der organische Dünger löst nicht nur das Problem des Energiemangels, sondern baut auch die Quellen der Verschmutzung ab und verbessert erheblich die Umwelt.

In der Futtermittelindustrie ist der Hauptbestandteil von Federn Keratin, das einen Rohproteingehalt von über 80 % hat. Das Tier hat eine vollständige Palette von essentiellen Aminosäuren, die eine gute Quelle für Futterprotein darstellen, das Fischmehl ersetzen oder teilweise ersetzen kann. Daher haben die Entwicklung und Nutzung von Abfallfedern wichtige Anwendungsperspektiven. Einerseits löst es das Problem der unzureichenden Proteinressourcen in der aktuellen Futtermittelindustrie und kann auch das Problem der Umweltverschmutzung lösen.

Keratinase kann auch in der Kosmetik- und Medizinindustrie verwendet werden. Keratinase ist ein wichtiger invasiver Faktor von Dermatophyten. Daher ist es eine wichtige Forschungsrichtung von Keratinase und Dermatophyteninfektionen, ob Keratinase-Inhibitoren oder monoklonale Antikörper gegen Keratinase die Wirkung von Keratinase hemmen, die Invasivität von Dermatophyten schwächen und das Ziel der Behandlung von Hautpilzinfektionen erreichen können. Keratinase hat eine hocheffiziente keratinabbauende Aktivität. Der Einsatz von Keratinase zur Verbesserung der Permeabilität von Arzneimitteln in Keratin kann die Wirksamkeit von äußerlichen Hautmedikamenten verbessern.