Лизоцим: фермент антибактериальной защиты¶

Лизоцим (мурамидаза, N-ацетилмурамидгликаногидролаза) — фермент класса гидролаз (КФ 3.2.1.17), катализирующий расщепление β-1,4-гликозидной связи между N-ацетилмурамовой кислотой и N-ацетилглюкозамином в молекулах пептидогликана — основного компонента клеточной стенки бактерий. Разрушение этого полимера приводит к лизису (растворению) бактериальной клетки, поэтому лизоцим рассматривается как один из ключевых факторов неспецифического иммунитета. Фермент присутствует у животных, растений, бактерий и вирусов; у человека он обнаружен практически во всех биологических жидкостях и тканях.

¶История открытия

В 1922 году английский бактериолог Александр Флеминг, изучая слизистое отделяемое из носа пациента при простуде, обнаружил, что оно способно быстро лизировать колонии бактерий. Вещество, ответственное за этот эффект, он назвал лизоцимом (от греч. lysis — «растворение» и enzyme — «фермент»). Флеминг описал фермент, но не смог выделить его в чистом виде и установить химическую природу. В 1945 году американский химик Карл Мейер и его коллеги получили кристаллический лизоцим из яичного белка и показали, что это белок с ферментативной активностью. В 1965 году Дэвид Филлипс методом рентгеноструктурного анализа впервые определил трёхмерную структуру лизоцима куриного яйца — это был первый фермент, для которого установили полную пространственную конфигурацию. За работы по структуре и механизму действия лизоцима ряд исследователей был удостоен Нобелевской премии по химии 1972 года.

¶Химическая природа и строение

Молекула лизоцима — небольшая по меркам белков: у куриного яйца она состоит из 129 аминокислотных остатков, у человека — из 130. Молекулярная масса составляет около 14–15 кДа. Полипептидная цепь свёрнута в компактную глобулу, стабилизированную четырьмя дисульфидными связями. В активном центре фермента находятся остатки глутаминовой кислоты и аспарагиновой кислоты, которые обеспечивают кислотно-основной катализ: одна аминокислота выступает донором протона, другая — акцептором, что приводит к разрыву гликозидной связи. Такая схема получила название «механизм Филлипса».

Лизоцим относится к семейству гликозилгидролаз; в зависимости от источника различают несколько типов фермента:

• c-тип (chicken-type) — наиболее распространённый, встречается у животных, включая человека;
• g-тип (goose-type) — обнаружен у птиц, некоторых беспозвоночных и бактериофагов;
• i-тип (invertebrate-type) — характерен для беспозвоночных;
• растительный и бактериальный лизоцимы, отличающиеся по структуре и субстратной специфичности.

¶Распространение в организме

У человека лизоцим синтезируется преимущественно в клетках миелоидного ряда — моноцитах, макрофагах и нейтрофилах. Наибольшая концентрация фермента обнаружена в:

• слезах и слюне;
• слизистой оболочке носа и носоглотки;
• грудном молоке (особенно в молозиве);
• сыворотке крови (норма — около 4–13 мг/л);
• спинномозговой жидкости;
• ткани печени, почек, селезёнки.

В яичном белке лизоцим составляет около 3,5 % всех белков — это один из самых доступных источников фермента для промышленного получения. У растений лизоцим найден в латексе, соке и семенах; у бактерий он участвует в конкурентной борьбе за питательные среды.

¶Биологическая роль

Основная функция лизоцима — защита организма от бактериальных инфекций. Фермент атакует грамположительные бактерии, клеточная стенка которых содержит открытый пептидогликан, доступный для действия фермента. Грамотрицательные бактерии более устойчивы, поскольку их пептидогликан прикрыт наружной мембраной, однако лизоцим может действовать совместно с другими антибактериальными факторами (например, с комплементом или антителами), разрушающими мембрану.

Помимо прямого бактерицидного действия, лизоцим участвует в регуляции воспалительных реакций, стимулирует фагоцитоз и влияет на активность иммунокомпетентных клеток. В грудном молоке он обеспечивает защиту новорождённого, у которого собственная иммунная система ещё не сформирована.

¶Применение

Благодаря антибактериальным свойствам лизоцим используется в нескольких отраслях:

• Медицина — входит в состав антисептических препаратов для лечения заболеваний полости рта, горла, глаз; применяется при гнойных процессах, ожогах, в хирургии.
• Пищевая промышленность — как консервант (пищевая добавка E1105), продлевающий срок хранения сыров, вин, консервов; в Японии и ряде стран Европы разрешён к применению.
• Ветеринария — для профилактики и лечения инфекций у животных.
• Биотехнология — как инструмент для разрушения клеточных стенок бактерий при выделении внутриклеточных белков и нуклеиновых кислот.
• Лабораторная диагностика — определение активности лизоцима в крови и других жидкостях используется для оценки состояния иммунной системы, в частности при лейкозах и других гематологических заболеваниях.

¶Клиническое значение

Изменение концентрации лизоцима в биологических жидкостях служит диагностическим признаком. Повышенный уровень фермента в сыворотке крови наблюдается при острых бактериальных инфекциях, туберкулёзе, саркоидозе, лейкемии. Пониженный — при хронических воспалительных процессах, иммунодефицитах, некоторых формах рака. В клинической практике определение лизоцимной активности применяется как дополнительный тест при дифференциальной диагностике.

Лизоцим остаётся одним из наиболее изученных ферментов: его структура, механизм действия и биологическая роль детально охарактеризованы, а практическое применение охватывает медицину, пищевую промышленность и научные исследования.