Papain

Papain ist ein proteolytisches Enzym mit geringer Substratspezifität, das in Carica papaya enthalten ist. Es kommt in Wurzeln, Stängeln, Blättern und Früchten der Carica papaya weit verbreitet vor, wobei der höchste Gehalt im unreifen Latex vorliegt. Papain gehört zu den Sulfhydryl-Proteasen; das aktive Zentrum enthält Cystein. Es zeichnet sich durch hohe Enzymaktivität, gute thermische Stabilität und ein günstiges Sicherheitsprofil aus. Daher findet es breite Anwendung in der Lebensmittel-, Arzneimittel-, Futtermittel-, Chemie-, Kosmetik-, Leder- und Textilindustrie.

Struktur

Papain besteht aus einer einzelnen Peptidkette mit 212 Aminosäureresten. Im aktiven Zentrum sind mindestens drei Aminosäurereste beteiligt, darunter Cys25, His159 und Asp158. Die Enzymaktivität wird gehemmt, wenn Cys25 oxidiert wird oder an ein Metallion bindet; das Reduktionsmittel Cystein (oder Sulfit) bzw. EDTA kann die Enzymaktivität wiederherstellen. Die übrigen sechs Cysteinreste bilden drei Disulfidbrückenpaare, die sich nicht im aktiven Zentrum befinden.

Chemische Eigenschaften

Papain ist eine Protease, die Proteine in saurem, neutralem und alkalischem Milieu hydrolysiert. Es liegt als weißes bis hellgelbes Pulver mit leichter Hygroskopizität vor. Papain ist in Wasser und Glycerol löslich; wässrige Lösungen sind farblos bis blassgelb, gelegentlich milchig-weiß. In Ethanol, Chloroform, Ether und anderen organischen Lösungsmitteln ist es nahezu unlöslich. Papain ist eine sulfhydrylhaltige (-SH) Endopeptidase mit Protease- und Esteraseaktivität. Es weist ein breites Spezifitätsspektrum auf und besitzt eine ausgeprägte Fähigkeit zur Hydrolyse tierischer und pflanzlicher Proteine, Peptide, Ester und Amide, hydrolysiert jedoch Pepton kaum. Der optimale pH-Wert von Papain liegt bei 6–7, der isoelektrische Punkt (pI) bei 8,75. Die optimale Temperatur beträgt 55–65 °C; zudem ist Papain stark hitzeresistent und wird selbst bei 90 °C nicht vollständig inaktiviert. Papain wird durch Oxidationsmittel gehemmt und durch Reduktionsmittel aktiviert.

Katalytische Mechanismen

Papain hydrolysiert bevorzugt die carboxylterminale Seite von Arginin- und Lysinresten in Proteinen oder Polypeptiden und spaltet bevorzugt Peptidbindungen, bei denen am N-Terminus Aminosäuren mit zwei Carboxylgruppen oder aromatische L‑Aminosäuren vorliegen. Der Mechanismus der Peptidbindungsspaltung umfasst die Deprotonierung von Cys-25 unter Mitwirkung von His-159. Anschließend greift Cys-25 nukleophil das Carbonylkohlenstoffatom der Peptidkette an und wird kovalent gebunden, wodurch ein Acyl-Enzym-Intermediat entsteht. Danach interagiert Papain mit einem Wassermolekül zur Deacylierung und setzt das Carbonylterminal des Peptids frei.

Herstellungsverfahren

Direkttrocknung: Das Herstellungsverfahren ist einfach und schnell, jedoch ist das Endprodukt lediglich ein Rohenzym mit Verunreinigungen, ungünstiger Farbe, erhöhter mikrobieller Belastung und niedriger Enzymaktivität. Diese Methode wird überwiegend von einzelnen Betrieben eingesetzt und kann die Anforderungen an Lebensmittelhygiene und -sicherheit nicht erfüllen.

Sprühtrocknung: Die Sprühtrocknung erfolgt nach Entfernung eines Teils der Verunreinigungen durch Zentrifugation. Die Enzymaktivität der Endprodukte ist relativ hoch bei geringeren Verunreinigungen. Allerdings neigen die Produkte beim Sprühen zum Anhaften an der Anlagenwand, was zu erheblichen Aktivitätsverlusten und schlechter Wasserlöslichkeit führt. Zudem ist die Stabilität der Enzymaktivität vergleichsweise gering.

Membrantrennverfahren: Dieses Herstellungsverfahren vermeidet nicht nur die Nachteile der beiden vorgenannten Methoden, sondern bietet zudem Vorteile hinsichtlich Sicherheit, geringer Aktivitätsverluste, guter Stabilität der Enzymaktivität, hoher Reinheit, weißer Farbe und niedriger Keimzahl.

Anwendung

Lebensmittelindustrie: Papain wird hauptsächlich zur Kältestabilisierung von Bier (Hydrolyse von Proteinen im Bier zur Vermeidung von Trübungen nach Kaltlagerung), zur Fleischzartmachung (Hydrolyse von Muskelproteinen und Kollagen), zur Herstellung von vorgekochten Getreideprodukten sowie in weiteren Bereichen der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Die Anwendungen zur Kältestabilisierung von Bier und zur Fleischzartmachung sind deutlich verbreiteter als bei anderen Proteasen.

Wissenschaftliche Forschung: Papain kann in Zellkulturexperimenten eingesetzt werden, insbesondere zur Dissoziation und Separation von Zellen. Eine Behandlung kleiner Gewebeblöcke mit Papain über 10 Minuten kann die extrazelluläre Matrix aufbrechen und Zell-Zell-Verbindungen unterbrechen. Anschließend werden Proteaseinhibitoren eingesetzt, um die Reaktion zu stoppen und eine weitere Lyse der Zellen durch Papain zu verhindern. In der Immunologie kann Papain zur Abtrennung von Fc-Fragmenten von Immunglobulinen aus Fab-Fragmenten verwendet werden.