Лизоцим: фермент антибактериального действия¶

Лизоцим — фермент класса гидролаз (мурамидаза), катализирующий расщепление β-1,4-гликозидных связей между N-ацетилмурамовой кислотой и N-ацетилглюкозамином в составе пептидогликана клеточных стенок бактерий. Впервые обнаружен Александром Флемингом в 1922 году в носовой слизи и слезах человека; тогда же получил своё название (от греч. lysis — «растворение» и лат. -zymus — «фермент»). Лизоцим присутствует в тканях и секретах практически всех живых организмов — от бактериофагов и растений до человека — и является одним из ключевых факторов врождённого иммунитета.

¶Химическая природа и механизм действия

Лизоцим — небольшой белок (у человека — 129 аминокислотных остатков, молекулярная масса около 14,4 кДа). Молекула имеет глобулярную структуру с глубокой щелью — активным центром, в котором расположены остатки глутаминовой и аспарагиновой кислот. Именно лизоцим куриного белка стал первым ферментом, для которого методом рентгеноструктурного анализа была полностью установлена трёхмерная структура (Дэвид Филлипс, 1965).

Механизм катализа основан на кислотно-основном взаимодействии: остаток глутаминовой кислоты (Glu35) выступает донором протона, а аспарагиновой (Asp52) стабилизирует промежуточный оксокарбениевый ион. Фермент разрывает связь между углеводными звеньями пептидогликана — основного компонента клеточной стенки грамположительных бактерий. В результате клеточная стенка теряет прочность, и бактерия разрушается под действием осмотического давления (бактериолиз).

¶Распространение в природе

Лизоцим широко представлен в живых системах:

• У человека и животных — в слезах, слюне, носовой слизи, грудном молоке, сыворотке крови, лейкоцитах (нейтрофилах и макрофагах), а также в яичном белке птиц.
• У растений — в латексе, соке и семенах; растительные лизоцимы отличаются по структуре от животных.
• У микроорганизмов — у бактериофагов (например, Т4-фага), которые используют фермент для проникновения через клеточную стенку хозяина.
• У беспозвоночных — в гемолимфе и пищеварительных соках.

Наибольшей активностью среди изученных ферментов обладает лизоцим белка куриного яйца, что делает его удобной моделью для биохимических исследований.

¶Биологическая роль

Основная функция лизоцима — защита организма от бактериальных инфекций. Фермент действует преимущественно на грамположительные бактерии, у которых пептидогликан доступен для атаки. Грамотрицательные микроорганизмы защищены наружной мембраной, поэтому более устойчивы, хотя при повреждении мембраны (например, комплементом) также становятся уязвимыми.

Помимо прямого бактерицидного действия, лизоцим участвует в регуляции воспалительных реакций, стимулирует фагоцитоз и взаимодействует с другими компонентами иммунной системы. В грудном молоке он обеспечивает защиту новорождённого, у которого собственная иммунная система ещё не сформирована.

¶Классификация

Различают несколько типов лизоцимов:

¶Применение

Благодаря антибактериальным свойствам лизоцим нашёл применение в нескольких областях:

• Медицина — входит в состав антисептических и противовоспалительных препаратов для лечения заболеваний полости рта, горла, глаз; используется при обработке ран.
• Пищевая промышленность — как консервант (пищевая добавка E1105) для продления сроков хранения сыров, вин, мясных продуктов; подавляет рост нежелательной микрофлоры.
• Ветеринария и животноводство — как альтернатива антибиотикам в кормах.
• Лабораторная диагностика — для лизиса бактериальных клеток при выделении нуклеиновых кислот и белков.
• Биотехнология — в генной инженерии для разрушения клеточных стенок при получении рекомбинантных продуктов.

¶Методы определения и изучения

Активность лизоцима определяют несколькими способами. Наиболее распространён турбидиметрический метод: измеряют скорость просветления суспензии клеток Micrococcus lysodeikticus под действием фермента. Также применяют нефелометрию, чашечный метод (по зонам лизиса на агаре) и иммуноферментный анализ для количественного определения концентрации белка. В клинической практике уровень лизоцима в сыворотке крови и слюне используют как показатель активности иммунной системы.

¶Значение в науке

Изучение лизоцима сыграло важную роль в становлении молекулярной биологии. На его примере были впервые описаны механизмы ферментативного катализа, связь структуры белка с функцией, а также явление конформационной подвижности активного центра. Работы Флеминга по лизоциму предшествовали открытию пенициллина и заложили основы учения об антибиотиках. Лизоцим остаётся классическим объектом в учебных курсах биохимии и одним из наиболее изученных ферментов в истории науки.