Лизоцим ( EC 3.2.1.17, мурамидаза, N -ацетилмурамидгликангидролаза ; систематическое название пептидогликан N -ацетилмурамоилгидролаза ) - это антимикробный фермент, вырабатываемый животными, который является частью врожденной иммунной системы . Это гликозидгидролаза , которая катализирует следующий процесс:
Пептидогликан является основным компонентом клеточной стенки грамположительных бактерий . [1] Этот гидролиз, в свою очередь, нарушает целостность клеточной стенки бактерий, вызывая лизис бактерий.
Лизоцим в изобилии содержится в секрециях, включая слезы, слюну, человеческое молоко и слизь. Он также присутствует в цитоплазматических гранулах макрофагов и полиморфноядерных нейтрофилах ( ПМН ) . Большое количество лизоцима можно найти в яичном белке . Лизоцимы C-типа тесно связаны с α-лактальбумином по последовательности и структуре, что делает их частью того же семейства гликозидгидролаз 22 . [2] У людей фермент лизоцим C-типа кодируется геном LYZ . [3] [4]
Лизоцим куриного белка термически стабилен, его температура плавления достигает 72 °C при pH 5,0. [5] Однако лизоцим в человеческом молоке очень быстро теряет активность при этой температуре. [6] Лизоцим куриного белка сохраняет свою активность в широком диапазоне pH (6–9). [7] Его изоэлектрическая точка составляет 11,35. [8] Изоэлектрическая точка лизоцима человеческого молока составляет 10,5–11. [9]
Фермент функционирует путем гидролиза гликозидных связей в пептидогликанах . Фермент также может разрушать гликозидные связи в хитине , хотя и не так эффективно, как истинные хитиназы . [10 ]
Активный сайт лизоцима связывает молекулу пептидогликана в заметной щели между двумя его доменами. Он атакует пептидогликаны (обнаруженные в клеточных стенках бактерий, особенно грамположительных бактерий ), свой естественный субстрат , между N -ацетилмурамовой кислотой (NAM) и четвертым атомом углерода N-ацетилглюкозамина (NAG). [ необходима цитата ]
Более короткие сахариды , такие как тетрасахарид, также показали себя жизнеспособными субстратами, но через промежуточное звено с более длинной цепью. [11] Хитин также показал себя жизнеспособным субстратом лизоцима. Искусственные субстраты также были разработаны и использованы в лизоциме. [12]
Механизм Филлипса предполагает, что каталитическая сила фермента исходит как из стерического напряжения на связанном субстрате, так и из электростатической стабилизации оксо -карбениевого интермедиата. На основании данных рентгеновской кристаллографии Филлипс предположил, что активный центр фермента, где связывается гексасахарид, находится в полукресле. Лизоцим искажает четвертый сахар (в подсайте D или -1) в гексасахариде в конформацию полукресла. В этом напряженном состоянии гликозидная связь легче разрывается. [13] Ионный интермедиат, содержащий оксо-карбениевый, создается в результате разрыва гликозидной связи. [14] Таким образом, искажение, заставляющее молекулу субстрата принимать напряженную конформацию, подобную конформации переходного состояния, снизит энергетический барьер реакции. [15]
Предложенный оксокарбониевый интермедиат был предположен как электростатически стабилизированный остатками аспартата и глутамата в активном центре Арье Уоршелем в 1978 году. Аргумент электростатической стабилизации был основан на сравнении с объемной водой, переориентация диполей воды может отменить стабилизирующую энергию взаимодействия зарядов. В модели Уоршеля фермент действует как суперрастворитель, который фиксирует ориентацию ионных пар и обеспечивает суперсольватацию ( очень хорошую стабилизацию ионных пар), и особенно понижает энергию, когда два иона находятся близко друг к другу. [16]
Скорость -определяющий этап (RDS) в этом механизме связан с образованием оксо-карбениевого промежуточного продукта. Были получены некоторые противоречивые результаты, указывающие на точный RDS. Прослеживая образование продукта ( п-нитрофенол ), было обнаружено, что RDS может меняться при различных температурах, что и стало причиной этих противоречивых результатов. При более высокой температуре RDS представляет собой образование промежуточного продукта гликозильного фермента, а при более низкой температуре — распад этого промежуточного продукта. [17]
В ранних дебатах в 1969 году Далквист предложил ковалентный механизм для лизоцима, основанный на кинетическом изотопном эффекте , [14] , но долгое время ионный механизм был более приемлемым. В 2001 году Вокадло предложил пересмотренный механизм через ковалентный, но не ионный промежуточный продукт. Данные анализа ESI - MS указали на ковалентный промежуточный продукт. Для снижения скорости реакции и накопления промежуточного продукта для характеристики использовался 2-фторзамещенный субстрат. [19] Было обнаружено, что боковые цепи аминокислот глутаминовой кислоты 35 (Glu35) и аспартата 52 (Asp52) имеют решающее значение для активности этого фермента. Glu35 действует как донор протонов для гликозидной связи, расщепляя связь CO в субстрате, тогда как Asp52 действует как нуклеофил для образования промежуточного продукта гликозильного фермента. Glu35 реагирует с водой, образуя гидроксильный ион, более сильный нуклеофил , чем вода, который затем атакует промежуточный продукт фермента гликозила, давая продукт гидролиза и оставляя фермент неизменным. [20] Этот тип ковалентного механизма для ферментативного катализа был впервые предложен Кошландом . [21]
Совсем недавно квантово-механические/молекулярные механические (QM/MM) молекулярные динамические симуляции использовали кристалл HEWL и предсказывали существование ковалентного промежуточного соединения. [22] Доказательства для ESI-MS и рентгеновских структур указывают на существование ковалентного промежуточного соединения, но в первую очередь полагаются на использование менее активного мутанта или неродного субстрата. Таким образом, молекулярная динамика QM/MM обеспечивает уникальную возможность непосредственно исследовать механизм дикого типа HEWL и родного субстрата. Расчеты показали, что ковалентный промежуточный продукт из ковалентного механизма на ~30 ккал/моль более стабилен, чем ионный промежуточный продукт из механизма Филлипса. [22] Эти расчеты показывают, что ионный промежуточный продукт крайне энергетически невыгоден, а ковалентные промежуточные продукты, наблюдаемые в экспериментах с использованием менее активного мутанта или неродных субстратов, дают полезную информацию о механизме дикого типа HEWL. [ требуется цитата ]
Производные имидазола могут образовывать комплекс с переносом заряда с некоторыми остатками (внутри или снаружи активного центра) для достижения конкурентного ингибирования лизоцима. [23] У грамотрицательных бактерий липополисахарид действует как неконкурентный ингибитор за счет высокопредпочтительного связывания с лизоцимом. [24]
Несмотря на то, что мурамидазная активность лизоцима, как предполагалось, играет ключевую роль в его антибактериальных свойствах, также сообщалось о доказательствах его неферментативного действия. Например, блокирование каталитической активности лизоцима мутацией критической аминокислоты в активном центре (52- Asp -> 52- Ser ) не устраняет его антимикробную активность. [25] Лектин-подобная способность лизоцима распознавать бактериальный углеводный антиген без литической активности была сообщена для тетрасахарида, связанного с липополисахаридом Klebsiella pneumoniae . [26] Кроме того, лизоцим взаимодействует с антителами и рецепторами Т-клеток . [27]
Лизоцим демонстрирует две конформации: открытое активное состояние и закрытое неактивное состояние. Каталитическая значимость была исследована с помощью полевых транзисторов (FET) с однослойными углеродными нанотрубками (SWCN), где один лизоцим был связан с SWCN FET. [28] Электронный мониторинг лизоцима показал две конформации: открытый активный центр и закрытый неактивный центр. В своем активном состоянии лизоцим способен процессивно гидролизовать свой субстрат, разрывая в среднем 100 связей со скоростью 15 в секунду. Для того, чтобы связать новый субстрат и перейти из закрытого неактивного состояния в открытое активное состояние, требуются два шага изменения конформации, в то время как для инактивации требуется один шаг. [ необходима цитата ]
Обычный лизоцим C-типа является частью более крупной группы структурно и механистически родственных ферментов, называемых суперсемейством лизоцимов . Это семейство объединяет лизоцимы C-типа GH22 («куриные») с семействами хитиназы растений GH19 , лизоцима G-типа («гусиного») GH23, лизоцима V-типа («вирусного») GH24 и хитозаназы GH46 . Номенклатура типов лизоцимов отражает только источник, из которого тип изначально выделен, и не полностью отражает таксономическое распределение. [29] Например, у людей и многих других млекопитающих есть два гена лизоцима G-типа, LYG1 и LYG2. [30]
Лизоцим является частью врожденной иммунной системы. Сниженный уровень лизоцима был связан с бронхолегочной дисплазией у новорожденных. [35] Поросята, которых кормили молоком с человеческим лизоцимом, могли быстрее выздоравливать от диарейного заболевания, вызванного E. coli . Концентрация лизоцима в человеческом молоке в 1600–3000 раз выше, чем в молоке скота. Человеческий лизоцим более активен, чем лизоцим белка куриного яйца. Была выведена трансгенная линия коз (с основателем по имени «Артемис») для производства молока с человеческим лизоцимом, чтобы защитить детей от диареи, если они не могут получить преимущества грудного вскармливания. [36] [37]
Поскольку лизоцим является естественной формой защиты от грамположительных патогенов, таких как Bacillus и Streptococcus , [38] он играет важную роль в иммунологии младенцев, вскармливаемых грудным молоком. [39] В то время как кожа является защитным барьером из-за своей сухости и кислотности, конъюнктива (мембрана, покрывающая глаз), вместо этого, защищена секретируемыми ферментами, в основном лизоцимом и дефензином . Однако, когда эти защитные барьеры не срабатывают, возникает конъюнктивит . [ необходима цитата ]
При некоторых видах рака (особенно при миеломоноцитарном лейкозе) избыточное производство лизоцима раковыми клетками может привести к токсическим уровням лизоцима в крови. Высокий уровень лизоцима в крови может привести к почечной недостаточности и низкому содержанию калия в крови, состояниям, которые могут улучшиться или разрешиться при лечении первичной злокачественной опухоли. [ необходима цитата ]
Сывороточный лизоцим гораздо менее специфичен для диагностики саркоидоза, чем сывороточный ангиотензинпревращающий фермент; однако, поскольку он более чувствителен, его используют в качестве маркера активности заболевания саркоидозом и он подходит для мониторинга заболевания в подтвержденных случаях. [40]
Первая попытка химического синтеза белка лизоцима была предпринята профессором Джорджем В. Кеннером и его группой в Ливерпульском университете в Англии. [41] Это было окончательно достигнуто в 2007 году Томасом Дуреком в лаборатории Стива Кента в Чикагском университете, который создал синтетическую функциональную молекулу лизоцима. [42]
Кристаллы лизоцима использовались для выращивания других функциональных материалов для катализа и биомедицинских применений. [43] [44] [45] Лизоцим является широко используемым ферментом для лизиса грамположительных бактерий. [46] Благодаря уникальной функции лизоцима, при которой он может переваривать клеточную стенку и вызывать осмотический шок (разрыв клетки путем внезапного изменения концентрации растворенного вещества вокруг клетки и, таким образом, осмотического давления ), лизоцим обычно используется в лабораторных условиях для высвобождения белков из периплазмы бактерий , в то время как внутренняя мембрана остается запечатанной в виде пузырьков, называемых сферопластами . [47] [48]
Например, E. coli можно лизировать с помощью лизоцима, чтобы освободить содержимое периплазматического пространства . Это особенно полезно в лабораторных условиях для попытки собрать содержимое периплазмы. [1] Обработка лизоцимом оптимальна при определенных температурах, диапазонах pH и концентрациях соли. Активность лизоцима увеличивается с повышением температуры, до 60 градусов по Цельсию, с диапазоном pH 6,0-7,0. Присутствующие соли также влияют на обработку лизоцимом, где некоторые утверждают об ингибирующем эффекте, а другие способствуют лизису посредством обработки лизоцимом. Хлорид натрия вызывает лизис, но при высоких концентрациях он является активным ингибитором лизиса. Аналогичные наблюдения были замечены при использовании солей калия. Небольшие вариации присутствуют из-за различий в бактериальных штаммах. [49] Следствием использования лизоцима при извлечении рекомбинантных белков для кристаллизации белков является то, что кристалл может быть загрязнен единицами лизоцима, что приводит к физиологически нерелевантной комбинации. Фактически, некоторые белки просто не могут кристаллизоваться без такого загрязнения. [50] [51]
Кроме того, лизоцим может служить инструментом в экспрессии токсичных рекомбинантных белков. Экспрессия рекомбинантных белков в штаммах BL21(DE3) обычно осуществляется T7-РНК-полимеразой. С помощью индукции IPTG репрессор UV-5 ингибируется, что приводит к транскрипции T7-РНК-полимеразы и, следовательно, интересующего белка. Тем не менее, базальный уровень T7-РНК-полимеразы наблюдается даже без индукции. Лизоцим T7 действует как ингибитор T7-РНК-полимеразы. Недавно изобретенные штаммы, содержащие вспомогательную плазмиду (pLysS), конститутивно коэкспрессируют низкие уровни лизоцима T7, обеспечивая высокую строгость и постоянную экспрессию токсичного рекомбинантного белка. [52]
Антибактериальное свойство белка куриного яйца, благодаря содержащемуся в нем лизоциму, впервые было обнаружено Лащенко в 1909 году. [53] Бактерицидная активность носовой слизи была продемонстрирована в 1922 году Александром Флемингом , первооткрывателем пенициллина , который ввел термин «лизоцим». [54] Сообщается, что он сказал: «Поскольку это вещество имеет свойства, сходные со свойствами ферментов, я назвал его «лизоцимом». [55] Флеминг продолжил, показав, что ферментное вещество присутствует в самых разных секретах и способно быстро лизировать (т. е. растворять) различные бактерии, в частности, желтый «кокк», который он изучал». [56]
Лизоцим был впервые кристаллизован Эдвардом Абрахамом в 1937 году, что позволило Дэвиду Чилтону Филлипсу описать трехмерную структуру лизоцима куриного белка в 1965 году, когда он получил первую модель с разрешением 2 ангстрема (200 пм ) с помощью рентгеновской кристаллографии . [57] [58] Структура была публично представлена на лекции в Королевском институте в 1965 году. [59] Лизоцим был второй структурой белка и первой структурой фермента, которая была решена с помощью методов рентгеновской дифракции, и первым ферментом, который был полностью секвенирован и содержал все двадцать распространенных аминокислот. [60] В результате выяснения Филлипсом структуры лизоцима, он также стал первым ферментом, для которого был предложен подробный, конкретный механизм его метода каталитического действия. [61] [62] [63] Эта работа привела Филлипса к объяснению того, как ферменты ускоряют химическую реакцию с точки зрения ее физических структур. Первоначальный механизм, предложенный Филлипсом, был недавно пересмотрен. [19]
{{cite book}}
: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)