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植物中C1半胱氨酸蛋白酶的研究进展

蛋白酶几乎参与到所有的生物现象，它不仅仅是将蛋白质水解成

氨基酸以便机体循环，还可以激活蛋白质或使蛋白质失活。不仅如此，

蛋白酶已经成为现代食品和饲料工业生产中不可或缺的部分，为人类

和动物的消费创造出庞大而多元化的产品。

从植物中提取的酶制剂已用于工业生产中很长一段时间，尽管关

于酶的性质和特性还不清楚。很多商业用酶都来源与微生物，但是植

物来源的酶因其在工业、生物工程和制药领域的应用而变得越来越重

要。已有研究在菊科、木瓜科、桑科、萝藦科、夹竹桃科的乳液中分

离出蛋白酶，这些蛋白酶大多属于C1半胱氨酸蛋白酶，因其在很宽

的温度和pH范围内都有活性而得到了人们广泛关注，比如木瓜蛋白

酶、菠萝蛋白酶和无花果蛋白酶等被广泛应用于不同领域的工业和制

药领域。

1半胱氨酸蛋白酶的定义

半胱氨酸蛋白酶，也被称为硫醇蛋白酶，是生物体中蛋白水解酶

的一大类。目前，国际上通用的蛋白酶分类方法是根据酶的活性中心

组成来分类，半胱氨酸蛋白酶在其活性中心含有亲核Cys残基，同其

他两个关键氨基酸组成了Cys-His-Asn/Glu的催化三联体催化相应的

蛋白水解。

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2植物中半胱氨酸蛋白酶的分类

植物中的半胱氨酸蛋白酶主要分为木瓜蛋白酶(C1)家族或者豆类

天冬氨酸蛋白内切酶(C13)家族两大类。其中木瓜蛋白酶家族是最大的

家族，因为较广的底物选择性和热稳定性而被应用于很多领域，成为

人们研究的热点。此外，也有研究发现还包括天冬氨酸特异性的半胱

氨酸蛋白酶亚家族(C14)、钙依赖半胱氨酸蛋白酶亚家族(C2)等。

3植物中C1半胱氨酸蛋白酶的纯化和性质表征

19世纪40年代以来，已有多种半胱氨酸蛋白酶从灌藦、牛角瓜

属、阿鲁藤属、猕猴桃属等植物中被分离鉴定。其中C1家族半胱氨

酸蛋白酶的相关研究最多，比如木瓜蛋白酶、猕猴桃素、蛋白酶

Omega;、木瓜凝乳蛋白酶和菠萝蛋白酶，对这些蛋白酶进行酶学性质

表征研究，对其在饮料、食品和制药领域具有十分重要的意义。

从番木瓜乳液中分离得到的木瓜蛋白酶是最先发现的C1半胱氨

酸蛋白酶，该酶的分子量为23.4kDa，最适pH5.5～7.0，在中性pH

和高温下稳定。其他几种木瓜蛋白酶类半胱氨酸蛋白酶也逐渐被发现，

Actinidin是从猕猴桃果实中提取的一种类似木瓜蛋白酶的水解酶，

Carne和Moore曾经在中华猕猴桃果实中将其分离并且获得了该酶的

氨基酸序列。张敏等在凉薯的种子中分离得到了蛋白酶SPE31，从木

瓜属的多种植物中分离得到了木瓜蛋白酶，但是却表现出了不同的蛋

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白水解活性，凤梨属植物中也分离得到了多种该家族蛋白酶，在医学

上被广泛用于驱虫药，并且具有良好的热稳定性，在65℃条件有最

适活性。在狗牙花属植物的乳液中发现了3种半胱氨酸蛋白酶，分别

命名为ErvataminsA，B和C，这三种酶在结构和功能上都有很大的不

同。研究发现Ervatamin-C最为稳定，在pH2～12，温度70℃，高

浓度化学变性剂存在的条件下仍能维持二级和三级结构保持活性。

4植物中C1半胱氨酸蛋白酶的催化机理研究

木瓜蛋白酶家族中的很多蛋白的3D结构都已经被解析，包括木

瓜蛋白酶、猕猴桃素、木瓜蛋白酶IV、组织蛋白酶B等。通过底物类

似物抑制剂和酶晶体结构研究可证实该酶的底物特异性。尽管该家族

酶的一级结构和三级结构具有很高的同源性，但是在稳定性、活性和

底物特异性上有很大差别。

C1家族蛋白酶通常以酶原的形式存在，大多数为内切酶，少数为

外切酶。含有10～26个氨基酸残基组成的前导肽，前导肽结合到内

质网后，通过分子内或分子间蛋白水解而激活酶的活性区域。

木瓜蛋白酶是典型的C1半胱氨酸蛋白酶。木瓜蛋白酶是一条多

肽链，其在空间折叠形成两个结构域，而在结构域间会形成一个内含

有酶的活性位点的缝隙，催化三联体由Cys25-His159-Asn175组成。木

瓜蛋白酶的催化机制其实就是酰基化和去酰基化的组合。即在His159