Ezekiel Amri and Florence MamboyaDepartment of Science and Laboratory Technology,Dares Salaam Institute of Technology (DIT), P. O. Box 2958, Dar es Salaam, TanzaniaReceived 2012-05-13; Revised 2012-05-20; Accepted 2012-06-02
摘要
木瓜蛋白酶是一种植物蛋白水解酶，属于半胱氨酸蛋白酶家族的半胱氨酸蛋白酶，我们对于其功能的研究已经取得了重大进展。木瓜蛋白酶天然存在于木瓜（番木瓜番木瓜属），由木瓜果实的胶乳中提取。能够分解为氨基酸，多肽等有机分子，在生理，病理，药物设计，工业用途，如肉嫩化和药物制剂等不同的生物学过程扮演重要角。木瓜蛋白酶的独特的结构有助于阐明蛋白水解酶的工作原理，实现一系列生物学价值。现在研究认为，其生物学重要性，特性和结构特点对于对其生物功能的理解十分重要。同时我们对其潜在的生产和市场价值进行了讨论。 1. 引言
木瓜蛋白酶（EC3.4.22.2）是一种内源性植物半胱氨酸，它是从番木瓜中分离出的蛋白酶（番木瓜番木瓜属）胶乳。木瓜蛋白酶是通过切割未成熟木瓜表皮，收集并干燥从切口中流出的胶乳得到的。在不成熟的水果中木瓜蛋白酶的活性更高。木瓜酶属于木瓜蛋白酶超家族，作为蛋白水解酶，木瓜蛋白酶在所有活的生物体是许多重要的生物过程中至关重要的物质（黄杨等人，1999）。木瓜蛋白酶示在蛋白，短链肽，氨基酸酯和酰胺链接中表现出广泛的蛋白水解活性，并在食品和医学领域被广泛应用（尤利格，1998年）。它优先切割的肽键包括碱性氨基酸，特别是精氨酸，赖氨酸和苯丙氨酸残留物（梅纳尔等人，1990年）。木瓜蛋白酶的独特的结构有助于理解蛋白水解酶如何工作的并且达到多种生物学目的。本文综述酶的结构特点以及木瓜蛋白酶的生物重要性和它参与反应的进程以及其潜在的产品市场价值。
高中历史教学案例
1.1 木瓜蛋白酶的性能,结构和特征
球状蛋白木瓜蛋白酶PDB 1CVZ是分子量为23406 DA的单链蛋白质,包含有四个二硫键和Gln19，Cys25，His158和His159重要的催化残留位置的212个氨基酸(Mitchel et al., 1970; Robert et al., 1974;Tsuge et al., 1999)。木瓜蛋白酶的氨基酸组成如图1所示。木瓜蛋白酶 尺度函数
是半胱氨酸水解酶，它在很多条件下表现出高稳定性，高活性。它甚至能在升高的温度表现出非常稳定的性质。（Cohen等人，1986）
木瓜蛋白酶能够抵抗高浓度的变性剂，例如，8M尿素或有机溶剂如70％乙醇。木瓜蛋白酶活性的最适pH为3.0-9.0，随底物的不同而不同。(Edwin and Jagannadham, 2000; Ghosh, 2005).
木瓜酶如木瓜蛋白酶家族的半胱氨酸蛋白酶通常是由两个明确定义域，以提供了一个优秀的系统来更好地
理解蛋白质的折叠-展开行为。(Edwin et al., 2002)
该蛋白质是通过三个二硫键来保持稳定的。分子被沿这些桥折叠，使得侧链之间存在强烈的相互作用，这有助于该酶保持稳定性。(EdwinandJagannadham, 2000; Tsugeet al., 1999)它的三维结构包括两个不同的
结构域，两结构域之间存在一个间隙。在这个间隙包含活性位点，其中含有催化二单元组也叫做糜蛋白酶的催化三联。催化二单元组是由氨基酸半胱氨酸-25（由它的起源分类）和
农行核心价值观组氨酸-159组成。人们认为天门冬氨酸-158发挥了类似于天冬氨酸在丝氨酸蛋白酶催化三联体上发挥的作用，但随之被推翻（1990梅纳尔等人）。木瓜蛋白酶分子中有一个全---α结构域和一个反平行β-折叠结构域。(Kamphuiset al., 1984;Madejet al., 2012)木瓜蛋白酶在含有SDS的水溶液中存在构象行为并显示高α螺旋，其中木瓜蛋白酶呈现折叠结构是由于强烈的静电斥力(Huetet al.,2006). In the molten globule state (pH 2.0),木瓜蛋白酶含有大量的二级结构，如β-折叠和与6 M胍Hydroc8hloride（GnHCl）比相对较少的变性，木瓜蛋白酶在较低浓度的GnHCl或高盐中还表现出高度聚集倾向。(Edwin and Jagannadham, 2000).木瓜蛋白酶除了是研究最多的植物半胱氨酸蛋白酶，在对其特异性，结构进一步的研究中发现抑制剂，低pH值，金属离子和氟化醇对其有十分重要的影响。(Huetet al., 2006; Naeemet al., 2006).
如图2所示，为木瓜蛋白酶结构的分子建模数据库（MMDB），该结构显示出其全-α域和反平行β-折叠域。
检查氨基酸蛋白质序列的相对疏水性或亲水性值是十分有用的。由于疏水残基更趋于被埋
在分子的内部，亲水残基更倾向于暴露在溶剂中，这些值可以指示绘出总体折叠图案。蛋白质构象主要受疏水作用影响，
氨基酸侧链的表现疏水性的有丙氨酸，缬氨酸，亮氨酸，甲硫氨酸和异亮氨酸，他们的疏水程度不同。木瓜蛋白酶氨基酸中的疏水-亲水相互作用链被猜测是驱动蛋白质折叠的主要的热力学力。通过诱导正烷基硫酸盐如辛基硫酸钠，SOS;癸钠硫酸盐，SDeS;和十二烷基硫酸钠来研究中间状态的木瓜蛋白酶的形成，不同浓度的SDS表明疏水相互作用在通过两种不同途径诱导两个不同的中间体时发挥重要的作用。(Chamaniet al.,2009).木瓜蛋白酶催化活性包括水解具有特异性肽键的蛋白质，但氨基酸会在P2的位置优先结合一个疏水侧链，而不会结合p1位置的val。(Kamphuiset al., 1985).通常，酶在疏水溶剂中和较低水含量的溶剂中更稳定，并且可以催化底物特异性在各种有机溶剂和水介质中变化不大的反应。(Stevenson and Storer, 1991).一般情况下，天然蛋白质表面具有一个疏水芯和一个带电或者/和极性基团。在极性表面与外部水质进行交流时，疏水芯通过疏水相互作用来稳定蛋白质的三级结构。(Wang et al., 2006)如图3所示，为木瓜蛋白酶的疏水性氨基酸空间填充模型。
木瓜蛋白酶疏水性由沿木瓜蛋白酶的序列信息的碳分布信息示于图4。该图表明，碳含量保持在31.45％的碳都在这一序列。
1.3 机制，生物学重要性和功能
1.4 作用机理
木瓜蛋白酶发挥功能的机制可能是通过半胱氨酸25部的三元组中的活性位点攻击羰基碳肽链，释放氨基
终端部分。蛋白质的肽链发生这一反应时，所述蛋白质会崩解。破坏肽链美国总统辩论的机制涉及通过His-159除去Cys-25 质子的过程。天冬酰胺 - 175有助于定位His-159的咪唑环，以使得脱质子过程发生。虽然在链内相隔甚远，这三个氨基酸因为折叠结构仍紧密相接。这三种氨基酸在活动站点共同工作，提供酶独特的功能。然后CYS-25执行上对羰基碳的肽主链的亲核攻击。(Menard et al., 1990;Tsugeet al., 1999).在木瓜蛋白酶活
性位点，Cys -25和 His -159作为硫醇盐咪唑离子对具有催化活性。木瓜蛋白酶可有效地被肽或非肽的N- nitrosoanilines抑制。当活性位点形成稳定的S-NO键时失活。(Snitroso-Cys
25) of papain (Xian et al七七事变论文., 2000).
1.5木瓜蛋白酶的医疗用途
木瓜蛋白酶充当碎片除去剂，由于酶的特异性，它对于健康组织没有有害影响，只作用于缺乏α1-antitripsine血浆抗蛋白酶的组织，抑制健康组织的蛋白水解。生化去除龋的机制涉及切割多肽链和/或胶原的交联的水解。这些相互联系保持稳定的胶原原纤维变得脆弱，当暴露于木瓜蛋白酶凝胶时容易被除去。木瓜蛋白酶基凝胶有作为牙质材料的生物化学潜在价值。木瓜蛋白酶具有优势被用于化学机械的龋齿去除，因为它作为牙质材料不干预粘结强度的恢复。
木瓜酶在很长的时间中，被用于运动损伤，其他原因引起的创伤和过敏。幸运的是，木瓜蛋白酶临床成绩卓著，对于运动伤害病例效果显著。据先前报道，使用木瓜蛋白酶比用安慰剂轻伤愈合更快。此外，运动员用木瓜蛋白酶补充剂恢复时间从8.4天缩短到3.9天。木瓜蛋白酶还一直用于与肠漏症，胃酸，肠道排他性疾病相关的过敏，十分成功。据先前报道，木瓜蛋白酶对急性过敏性鼻窦炎的一些症状具有显著镇痛和抗炎活性的症状，如头痛，无副作用牙痛。(Mansfield et al., 1985).
1.6木瓜蛋白酶在药物设计方面的作用
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