Папаин — растительный протеолитический фермент¶

Папаин — протеолитический фермент (протеаза) растительного происхождения, относящийся к классу гидролаз и группе цистеиновых протеаз. Содержится в млечном соке (латексе) плодов и листьев папайи (Carica papaya), а также в некоторых других растениях семейства папайевых. Катализирует гидролиз пептидных связей в белках и пептидах, то есть расщепляет белки на более короткие фрагменты и аминокислоты. Широко применяется в пищевой промышленности, медицине, косметологии и лабораторной практике.

¶История и происхождение

Папаин известен с давних времён: коренные народы Центральной Америки и Карибского бассейна использовали листья и плоды папайи для размягчения мяса задолго до выделения активного вещества. Научное изучение фермента началось в XIX веке. В 1873 году голландский химик Герардус Йоханнес Мюлдер впервые описал протеолитическую активность латекса папайи, а в 1879 году немецкий химик Вильгельм Виттштейн предложил для него название «папаин».

В 1926 году американский биохимик Джон Ховард Нортроп получил папаин в кристаллическом виде и доказал, что он является белком. За работы по кристаллизации ферментов, включая папаин, Нортроп был удостоен Нобелевской премии по химии в 1946 году (совместно с Джеймсом Самнером и Уэнделлом Стэнли).

¶Химическая природа и механизм действия

Папаин — это белок с молекулярной массой около 23 кДа, состоящий примерно из 212 аминокислотных остатков. Его активный центр содержит остаток цистеина (Cys-25) и гистидина (His-159), которые образуют так называемую каталитическую диаду. Именно наличие цистеина в активном центре определяет принадлежность папаина к цистеиновым протеазам.

Механизм катализа включает нуклеофильную атаку тиолят-аниона цистеина на карбонильный углерод расщепляемой пептидной связи. В результате образуется промежуточный ацилферментный комплекс, который затем гидролизуется с высвобождением продукта. Активность фермента зависит от pH: оптимум действия находится в диапазоне pH 6–7, при этом папаин сохраняет активность в широком интервале — от слабокислой до слабощелочной среды. Фермент активируется восстановителями (например, цистеином или дитиотреитолом) и ингибируется окислителями и ионами тяжёлых металлов.

Субстратная специфичность папаина относительно широка: он гидролизует пептидные связи, образованные различными аминокислотами, с некоторым предпочтением к связям после аргинина и лизина. Эта невысокая избирательность отличает его от многих высокоспецифичных протеаз.

¶Свойства

Ключевые характеристики папаина:

• Оптимум pH — около 6–7 (в присутствии активаторов диапазон расширяется).
• Оптимум температуры — примерно 60–70 °C; при более высоких температурах фермент денатурирует.
• Молекулярная масса — около 23 000 Да.
• Изоэлектрическая точка — около pH 9,6.
• Класс — гидролазы, цистеиновые протеазы (семейство папаина, клан CA).
• Растворимость — хорошо растворим в воде и водных буферах.

Папаин относится к семейству, названному в его честь (папаиноподобные протеазы), которое включает также фицин (из инжира), бромелаин (из ананаса), актинидин (из киви) и ряд ферментов животных и микроорганизмов.

¶Применение

¶Пищевая промышленность

Папаин используется как тендеризатор мяса: он расщепляет соединительнотканные белки, делая мясо более мягким. Применяется при производстве белковых гидролизатов, в пивоварении для предотвращения белкового помутнения пива, а также при обработке желатина и в хлебопечении.

¶Медицина и фармакология

В медицине папаин применяется наружно для очищения ран от некротических тканей и как противовоспалительное средство. Он входит в состав некоторых препаратов для лечения грыжи межпозвоночных дисков (в комбинации с другими ферментами), используется в офтальмологии и стоматологии. Фермент способствует расщеплению фибрина и разжижению вязких секретов.

¶Косметология

Папаин входит в состав ферментных пилингов и средств для удаления ороговевших клеток кожи. Благодаря способности расщеплять кератин он обеспечивает мягкое отшелушивание. Также применяется в средствах для депиляции и ухода за кожей.

¶Лабораторная практика

В биохимии и молекулярной биологии папаин используют для обработки антител (получение Fab-фрагментов), диссоциации клеточных культур и тканей, а также в гистохимии для демаскировки антигенов.

¶Другие области

Фермент применяется в текстильной промышленности для обработки шёлка и шерсти, в кожевенном производстве, а также при производстве моющих средств и в биотехнологии.

¶Безопасность и регулирование

Папаин может вызывать аллергические реакции, раздражение кожи и слизистых оболочек, особенно при вдыхании пыли ферментного порошка. У чувствительных лиц возможны астматические проявления. При работе с концентрированным папаином рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты. В пищевых продуктах фермент считается безопасным при соблюдении установленных норм; в ряде стран его применение регулируется как пищевая добавка (например, в составе ферментных препаратов).

¶Получение

Промышленно папаин получают из латекса незрелых плодов папайи. Латекс собирают путём надрезов на кожуре плодов, затем высушивают, очищают и осаждают фермент. Основные производители сырья — страны тропического и субтропического пояса: Индия, Шри-Ланка, страны Юго-Восточной Азии, а также государства Латинской Америки. Из одной тонны латекса получают несколько килограммов очищенного фермента. Существуют также методы рекомбинантного получения папаина в микроорганизмах, однако промышленное значение по-прежнему сохраняет натуральное сырьё.