Лизозим — ензим на вродения имунитет: функция, откритие и механизъм

Лизозим — ключов ензим на вродения имунитет: откритие, функция, структура и механизъм. Научете как разгражда бактерии и защитава организма.

Лизозимите са важна част от вродената имунна система. Това са ензими, които се намират в повърхностните секрети на организма — най-често в слузта, например в слюнката, в сълзите, в цитоплазмените гранули на макрофагите и на гранулоцитните неутрофили, а също и в кърмата на бозайниците. Те предпазват от инфекции, като разграждат структурни полимери в клетъчната стена на микробите (особено на бактерии) и по този начин унищожават или отслабват патогените.

Откритие и историческо значение

Наименованието "лизозим" е въведено през 1922 г. от Александър Флеминг (1881–1955), откривателя на пеницилина. Флеминг първоначално забелязва антибактериалното действие на веществото, когато обработва бактериални култури с носна слуз от пациент, страдащ от обикновена настинка. По-късно лизозимът става модел за изследване на белтъчната структура и ензимната катализа.

Лизозимът е втората белтъчна структура, решена с методите на рентгеновата дифракция (след миоглобина), което дава огромен тласък в разбирането на връзката между триизмерната структура на белтъка и неговата функция. Заедно с това това е един от първите ензими, чиято последователност е напълно известна и който служи като прототип за предлагане и доказване на специфични механизми на катализа. Проучванията върху лизозима помогнаха да се обясни как ензимите ускоряват химичните реакции чрез своята пространствена организация и каталитични остатъци.

Структура и каталитичен механизъм

Класическият, най-добре изучен представител е кокошия (chicken) лизозим (c-type). Той е сравнително малък белтък — около 129 аминокиселини и молекулно тегло ~14 kDa — стабилизиран от няколко дисулфидни връзки. В активния му център има дълбока канавка, която може да побере последователност от захарни единици от пептидогликана (клетъчната стена на бактериите).

Субстратът на лизозима е пептидогликанът (murein) — полимер, съставен от редуващи се единици на N‑ацетилглюкозамин (NAG) и N‑ацетилмурамин (NAM), свързани с β(1→4) гликозидни връзки. Ензимът разгражда точно тези β(1→4) връзки между NAM и NAG, което води до разпад на клетъчната стена и лизис на бактериалната клетка.

Механизмът е добре описан: активният участък съдържа ключови остатъци (в класическия модел това са Glu35 и Asp52), които участват в каталитичния процес — единият действа като общ киселинен катализатор, протонирайки напускащата група, а другият стабилизира положителния, "оксокарбониев" преходен стадий. Субстратният захар се деформира (частично изкривяване на пръстена) така, че преходният стадий да бъде стабилизиран, а последователни подединици се разполагат в серия от свързващи подсайтове в жлеба на ензима.

Защо лизозимът е по-ефективен срещу грам-положителни бактерии

Лизозимът атакува полимерите в клетъчните стени на бактерии, особено на грам-положителните родове като Bacillus и Streptococcus, защото при тях пептидогликановият слой е външен и лесно достъпен за ензима. При грам-отрицателните бактерии външната мембрана често защитава пептидогликана, затруднявайки действието на лизозима, освен ако мембраната не е увредена или проникването не бъде улеснено.

Разнообразие, биологична роля и приложения

• В природата има няколко типа лизозими — най-често описваните са c-type (кокоши-подобни), g-type (гъска-подобни) и i-type (безгръбначни). Съществуват и бактериални и бактериофагни лизозими (ендолизини), които служат за разграждане на клетъчната стена при освобождаване на вирусни частици.
• В човешкия организъм лизозимът е част от първата линия на защита: в сълзите, в слюнката, в дихателните секрети и в кърмата — кърмата съдържа значителни количества лизозим и допринася за защита на новороденото срещу инфекции.
• Практически приложения: използване като натурален консерван в хранителната промишленост (например при зреене на сирена), като компонент в фармацевтични и козметични формули, в антибактериални покрития и в лабораторната техника за лизиране на бактериални клетки при извличане на ДНК/протеини.
• Лизозимът е важен модел в фундаменталната наука: проучванията върху неговата структура, динамика и термостабилност дават ключова информация за разбирането на белтъчното сгъване и каталитичните принципи.

Клинично значение и адаптации на микроорганизмите

Някои патогени развиват механизми за устойчивост срещу лизозима — например O‑ацетилиране на N‑ацетилмураминовите остатъци или други модификации на пептидогликана, които намаляват чувствителността към ензима. В клиничната практика нивата на лизозим в телесни течности могат да се променят при възпаление или инфекция, затова понякога се изучават като маркери.

Трябва да се има предвид, че лизозимът от яйчен белтък (често използван в промишлени приложения) може да бъде алерген за хора с непоносимост към яйчен протеин.

Кратко резюме

Лизозимът е еволюционно древен и широко разпространен ензим на вродения имунитет, който действа чрез разграждане на β(1→4) гликозидни връзки в пептидогликана на бактериалната клетъчна стена. Откриването му от Александър Флеминг и последвалите структурни и механистични изследвания направиха лизозима един от най-важните модели за изучаване на ензимната катализа и белтъчната структура. Освен биологичната си роля, той има разнообразни приложения в наука и промишлеността.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява лизозимът?

Въпрос: Кой въвежда термина "лизозим"?

В: Къде може да се намери лизозим?

В: Как действа лизозимът?

В: Коя е първата протеинова структура, решена с методите на рентгеновата дифракция?

В: Това ли е и първият ензим, чиято последователност е определена?

В: До какво доведе тази работа?

Търсене по буква