Лизоцим

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Трёхмерная структура лизоцима

Лизоци́м (мурамидаза, англ. lysozyme, КФ 3.2.1.17) — антибактериальный агент, фермент класса гидролаз, разрушающий клеточные стенки бактерий путём гидролиза пептидогликана клеточной стенки бактерий муреина. Главным образом, лизоцим получают из белка куриных яиц[1]. Также аналогичные ферменты содержатся в организмах животных, в первую очередь, в местах соприкосновения с окружающей средой — в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта, слёзной жидкости, грудном молоке, слюне, слизи носоглотки и т. д. В больших количествах лизоцимы содержатся в слюне, чем объясняются её антибактериальные свойства. В грудном молоке человека концентрация лизоцима весьма высока (около 400 мг/л). Это намного больше, чем в коровьем. При этом концентрация лизоцима в грудном молоке не снижается со временем, через полгода после рождения ребёнка она начинает возрастать.

История[править | править вики-текст]

В 1909 году Павел Николаевич Лащенков (Томск) открыл в курином белке протеолитический фермент, который селективно повреждал клеточные стенки, содержащие пептидогликаны. Значительно позже, в 1922 годуАлександр Флеминг[2] обнаружил в носовой слизи пациента, страдающего от простуды, вещество, которое может уничтожать некоторые бактерии, такие как Micrococcus lysodeikticus.Он назвал это вещество ''лизоцим".

После первоначальной эйфории в погоне за антибактериальными веществами, оказалось, что лизоцим имеет малое клиническое значение в качестве антибактериального средства, и после открытия пенициллина интерес к лизоциму угас, пока не был выделен и очищен лизоцим из яичного белка курицы (HEWL).

Трёхмерная структура лизоцима впервые была получена Дэвидом Чилтоном Филлипсом (1924—1999) в 1965 году, когда он получил первую модель с помощью рентгеновской кристаллографии[3][4]. Структура была публично представлена на лекции Королевского института в 1965 году[5]. Лизоцим стал второй белковой структурой и первой ферментной структурой, которая была получена с помощью рентгеновской кристаллографии, и первым ферментом, который содержит полную последовательность всех двадцати стандартных аминокислот[6].

HEWL - лизоцим, выделенный из яичного белка курицы[править | править вики-текст]

HEWL является одной полипептидной цепью (14,3 кДа), содержащий 129 аминокислотных остатков с четырьмя внутримолекулярных дисульфидных мостиков и изоэлектрической точкой вблизи ≈ 11.3, который легко растворим в водной среде. [7]

В качестве фермента, HEWL катализирует гидролиз B-1,4 гликозидной связи между N-ацетилмурамовой кислотой и N-ацетилглюкозамином в пептидогликане клеточной стенки бактерий. Исторически сложилось так, что этот белок является одним из наиболее изученных белков в области биохимии. В отличие от большинства белков, лизоцим кристаллизуется легко и эти кристаллы имеют хорошие преломляющие свойства. Полная первичная структура HEWL впервые была освещена в 1963[8] , и чуть позднее в 1965 году была создана трехмерная структура HEWL. Распутывание трехмерной структуры HEWL и HEWL-субстратного комплекса проложили путь для понимания специфики лизоцима и механизма его каталитической активности.

Исследования по агрегации HEWL стало важным, когда выяснилось, что точечные мутации в человеческом лизоциме (с которой HEWL имеет 60% идентичных последовательностей) коррелировали с наследственным системным амилоидозом[9].

Это заболевание было симптоматическим с отложением амилоидных фибрилл человеческого лизоцима (иногда в килограммовых количествах) в почках, желудочно-кишечном тракте, лимфатических узлах, кровеносных сосудах, селезенки и печени. Лизоцим, пожалуй, единственный фермент, который образует амилоид в естественных условиях.

Лизоцим человека[править | править вики-текст]

Человеческий лизоцим является гликозидазой, которая функционирует в качестве антибактериального средства . Человеческий лизоцим (ЕС 3.2.1.17) содержит 130 остатков, принадлежащих к классу С-типа, и широко распространен в различных тканях и жидкостях организма, в том числе печени, суставных хрящах, крови, слюне, слезной жидкости и молоке[10]. Он кодируется геном, расположенным на 12 хромосоме, и состоит из 4 экзонов и 3 интронов.[11]

Лизоцим гидролизует преимущественно B-1,4 гликозидные связи между N-ацетилмурамовой кислоты и N-ацетилглюкозамина, содержащиеся в структуре пептидогликана клеточной стенки некоторых микроорганизмов, особенно грамположительных бактерий, и, следовательно, играет определенную роль в защите хозяина. Фермент заставляет сахар мурамовой кислоты находится в напряженной конформации, и при совместном действии двух ключевых остатков: глутаминовой кислоты в положении 35 и аспарагиновой кислоты в положении 52, гидролизует гликозидные связи.

Лизоцим высоко экспрессируется в кроветворных клетках, где он находится в гранулоцитах, моноцитах и макрофагах, а также в их предшественниках в костном мозге. Обычная концентрация лизоцима в плазме составляет от 4 до 13 мг / л, но только следы можно увидеть в моче здоровых субъектов. В случае нормальных субъектов, по меньшей мере, 500 мг лизоцима производятся в день, но время жизни протеина в плазме является очень коротким; 75% элюируют в течение 1 ч, в основном, через почки[12]. Сильно повышенная концентрация лизоцима в плазме и моче, связано с целым рядом патологических состояний и рассматриваются в течение многих лет, так как являются возможным маркером моноцитарного лейкоза, но в то же время, как в случае больных с миелопролиферативными расстройствами, при нормальной функции почек, производство лизоцима увеличивается до 4 раз.

За последние 30 лет, человеческий лизоцим и HEWL были использованы в качестве системы отсчета для изучения многих аспектов структуры и функции белков, в том числе стабильности белка и механизма его сворачивания. Были установлены шесть природных мутаций в человеческом лизоциме[13] , и аминокислотные замены (все расположены в B-домена области нативной структуры лизоцима)[14]. Это приводит к появлению нескольких вариантных белков (I56T, F57I, W64R, D67H, T70N и F57I / T70N или W112R / T70N). Все эти варианты кроме T70N были связаны с системным амилоидозами с участием почек, печени и селезенки[9], в то время как не амилоидогенный вариант T70N является довольно распространенным явлением в нормальной британской популяции.

Применение[править | править вики-текст]

В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E1105 (консервант).

В медицине в качестве местного антисептического средства[15].

Механизм лизиса[править | править вики-текст]

Фермент атакует пептидогликаны (в частности, муреин), входящие в состав клеточных стенок бактерий (особенно много его в клеточных стенках грам-положительных бактерий — до 50-80 %). Лизоцим гидролизует (1,4β)-гликозидную связь между N-ацетилмурановой кислотой и N-ацетилглюкозамином. Пептидогликан при этом связывается с активным центром фермента (в форме кармана), расположенным между двумя его структурными доменами. Сорбционный центр лизоцима представляет 6 карманов (A, B, C, D, E, F), причём в A, C и E может связываться только N-ацетилглюкозамин, а в B, D и F — как N-ацетилглюкозамин, так и N-ацетилмурамовая кислота. Молекула субстрата в активном центре принимает конформацию, близкую к конформации переходного состояния. В соответствии с механизмом Филлипса, лизоцим связывается с гексасахаридом, затем переводит 4-й остаток в цепи в конформацию твист-кресла. В этом напряженном состоянии гликозидная связь между центрами D и E легко разрушается. Ингибитором лизоцима служит, в частности, трисахарид N-ацетилглюкозамина, связывающийся с каталитически неактивными центрами A, B и C и препятствующий связыванию субстрата.

Остатки глутаминовой кислоты (Glu35) и аспарагиновой кислоты (Asp52) критичны для функционирования фермента, причём Asp52 ионизирован, а Glu35 нет. Некоторые авторы полагают, что Glu35 выступает в качестве донора протона при разрыве гликозидной связи субстрата, разрушая связь, а Asp52 выступает в роли нуклеофила, при образовании интермедиата — гликозил-фермента. Затем гликозил-фермент реагирует с молекулой воды, в результате чего фермент возвращается в исходное состояние и образуется продукт гидролиза[16].

Другие авторы полагают, что реакция протекает через образование карбоксоний-иона, стабилизированного заряженной карбоксильной группой Asp52, в то время как высвобождение спирта катализируется по механизму общего основного катализа незаряженным карбоксилом Glu35.[17].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. G. Alderton, W.H. Ward, H.L. Fevold (1945). «ISOLATION OF LYSOZYME FROM EGG WHITE». Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character (157): 43-58.
  2. Alexander Fleming (1922). «On a Remarkable Bacteriolytic Element Found in Tissues and Secretions». The Journal of Biological Chemistry (93): 306-317.
  3. Blake CC, Koenig DF, Mair GA, North AC, Phillips DC, Sarma VR. (1965). «Structure of hen egg-white lysozyme. A three-dimensional Fourier synthesis at 2 Angstrom resolution». Nature 206 (986): 757–61. DOI:10.1038/206757a0. PMID 5891407.
  4. Johnson LN, Phillips DC. (1965). «Structure of some crystalline lysozyme-inhibitor complexes determined by X-ray analysis at 6 Angstrom resolution». Nature 206 (986): 761–3. DOI:10.1038/206761a0. PMID 5840126.
  5. Johnson, LN (1998). «The early history of lysozme». Nat Struct Mol Biol 5 (11): 942–944. DOI:10.1038/2917. PMID 9808036.
  6. Canfield, RE (1963). «The Amino Acid Sequence of Egg White Lysozyme». J Biol Chem 238 (8): 2698–2707. PMID 14063294.
  7. Wetter, L. R., Deutsch, H. F. Immunological studies on egg white proteins IV. Immunochemical and physical studies of lysozyme. // J. Biol. Chem.. — Т. 192. — С. 237–242.
  8. Canfield, R. E. The amino acid sequence of egg white lysozyme // J. Biol. Chem.. — Т. 238. — С. 2698–2707.
  9. 1 2 Pepys, M. B., Hawkins, P. N., Booth, D. R., Vigushin, D. M., Tennent, G. A., Soutar, A. K., et al. Human lysozyme gene mutations cause hereditary systemic amyloidosis. // Nature. — Т. 362. — С. 553–557.
  10. Reitamo, S., Klockars, M., Adinolfi, M., Osserman, E. F. Human lysozyme (origin and distribution in health and disease) // Ric. Clin. Lab.. — Т. 8. — С. 211–231.
  11. Peters, C. W., Kruse, U., Pollwein, R., Grzeschik, K. H., Sippel, A. E. The human lysozyme gene. Sequence organization and chromosomal localisation. // Eur. J. Biochem.. — № 182. — С. 507–516.
  12. Hansen, N. E., Karle, H., Andersen, V., Olgaard, K. Lysozyme turnover in man. // J. Clin. Invest.. — Т. 51. — С. 1146–1155.
  13. Pepys, M. B., Hawkins, P. N., Booth, D. R., Vigushin, D. M., Tennent, G. A., Soutar, A. K., et al.  // Nature. — Т. 362. — С. 553–557.
  14. Dumoulin, M., Kumita, J. R., Dobson, C. M. Normal and aberrant biological self-assembly: insights from studies of human lysozyme and its amyloidogenic variants. // Acc. Chem. Res.. — Т. 39. — С. 603–610.
  15. Местный антисептический препарат Лизобакт® — Публикации
  16. С.Д. Варфоломеев. Химическая энзимология. — М.: Издательский центр "Академия", 2005. — С. 238-239. — ISBN 5-7695-2062-0.
  17. Э. Фёршт. Структура и механизм действия ферментов. — М.: "Мир", 1980. — С. 395-396. — DOI:577.15/.17[Ошибка: Неверный DOI!]