Кіріспе

Жануарлар өндіретін микробқа қарсы фермент – лизозим (мурамидаза, N-ацетилмурамид гликогидролазы; жүйелі атауы – пептидогликан N-ацетилмурамоилгидролазы) – жануарлар өндіретін және туа біткен иммундық жүйенің бір бөлігін құрайтын микробқа қарсы фермент. Бұл гликозид гидролазы келесі процесті катализдейді: пептидогликандағы N-ацетилмурамик қышқылы мен N-ацетил-D-глюкозамин қалдықтарының және китодекстриндегі N-ацетил-D-глюкозамин қалдықтарының (1→4) β-байланыстарының гидролизі. Бұл гидролиз бактериялардың жасуша қабырғаларының тұтастығын бұзады, бактериялардың лизисіне әкеледі. Лизозим секрецияларда, оның ішінде көз жасында, сілекейде, ана сүтінде және шырышта көп мөлшерде кездеседі. Сондай-ақ, ол макрофагтардың цитоплазмалық гранулаларында және полиморфонуклеарлық нейтрофилдерде (ПМН) де болады. Лизозимнің көп мөлшері жұмыртқаның ақ бөлігінде табылады. С типті лизозимдер α-лактальбуминмен тізбегі мен құрылымы бойынша жақын байланысты, сондықтан олар бір гликозид гидролазалар отбасының 22-ші тобына жатады. Адамда С типті лизозим ферменті LYZ генімен кодталады. Тауық жұмыртқасының ақ бөлігіндегі лизозим термиялық тұрақты, оның балқу температурасы pH 5,0-де 72 °C-қа жетеді. Дегенмен, ана сүтіндегі лизозим осы температурада өте тез белсенділігін жоғалтады. Тауық жұмыртқасының ақ бөлігіндегі лизозим pH-тың кең диапазонында (6–9) белсенділігін сақтайды. Оның изоэлектрлік нүктесі 11,35-ке тең. Адам сүтіндегі лизозимнің изоэлектрлік нүктесі 10,5–11 құрайды.

Функциясы мен механизмі

Фермент пептидогликандардағы гликозидтік байланыстарды гидролиздеу арқылы әрекет етеді. Фермент хитиндегі гликозидтік байланыстарды да бұза алады, бірақ нағыз хитиназалар сияқты тиімді емес. Лизозимнің активті орыны оның екі домені арасындағы айқын ойыста пептидогликан молекуласын байланыстырады. Ол пептидогликандарға (бактериялардың жасуша қабырғаларында кездеседі, әсіресе грам-оң бактерияларда), өзінің табиғи субстратына, N-ацетилмурамик қышқылының (NAM) және N-ацетилглюкозаминнің (NAG) төртінші көміртек атомына шабуыл жасайды. Тетрасахарид сияқты қысқа сахаридтер де қолданылатын субстраттар болып табылады, бірақ ұзын тізбекті аралық арқылы. Хитиннің лизозим үшін қолданылатын субстрат екені де көрсетілген. Лизозимде жасанды субстраттар да жасалған және қолданылған.

Филипс

Филипс механизмі ферменттің каталитикалық күші байланған субстраттағы стерикалық кернеуден және оксокарбен аралықтың электростатикалық тұрақтандырылуынан туындайтынын ұсынды. Рентген кристаллографиялық деректеріне сүйене отырып, Филлипс ферменттің белсенді орнын, яғни гексахаридтің байланысатын жерін сипаттады. Лизозим гексасахаридтегі төртінші қантты (D немесе 1 субсайтында) жартылай кресло тәрізді конформацияға өзгертті. Бұл кернеулі жағдайда гликозидтік байланыс оңай үзіледі. Гликозидтік байланыстың үзілуі нәтижесінде оксокарбені қамтитын иондық аралық пайда болады. Осылайша, субстрат молекуласының ауысу күйіне ұқсас тартылған конформацияны қабылдауына себеп болатын бұрмалау, реакцияның энергия кедергісін төмендетеді. 1978 жылы Арий Варшель ұсынған оксокарбоний аралық құралы, белсенді орындағы аспартат және глутамат қалдықтары арқылы электростатикалық тұрақтандырылады деп болжанды. Электростатикалық тұрақтандыру туралы аргумент, көп мөлшердегі сумен салыстыруға негізделген, себебі су дипольдерінің қайта бағдарлануы зарядтардың өзара әрекеттесуінен туындайтын тұрақтандыру энергиясын жоя алады. Варшельдің моделінде фермент, иондық жұптардың бағытын бекітетін және иондық жұптарды өте жақсы тұрақтандыратын (супер тұрақтандыру) супер еріткіш ретінде әрекет етеді, әсіресе екі ион бір-біріне жақын болғанда энергияны төмендетеді. Бұл механизмдегі жылдамдық шектеуші қадам (RDS) оксокарбен аралық құралының пайда болуымен байланысты. Дәл RDS-ті анықтау үшін кейбір қайшы нәтижелер болды. Өнімнің (p-нитрофенол) пайда болуын қадағалау арқылы, RDS әртүрлі температурада өзгеруі мүмкін екені анықталды, бұл қайшы нәтижелерге себеп болды. Жоғары температурада RDS гликозиль фермент аралық құралының пайда болуы болса, төмен температурада – осы аралық құралдың ыдырауы.

Ковалентті механизм

1969 жылы өткен алғашқы пікірталаста Дальквист лизозимнің ковалентті механизмін кинетикалық изотоп эффектісіне негіздеп ұсынды. Аминқышқылының бүйір тізбектері – глютамин қышқылы 35 (Glu35) және аспартат 52 (Asp52) осы ферменттің активтілігі үшін маңызды екені анықталды. Glu35 гликозидтік байланысқа протон доноры ретінде әрекет етеді, субстраттағы C-O байланысын үзеді, ал Asp52 гликозилденген фермент аралық қосылысын қалыптастыру үшін нуклеофил ретінде әрекет етеді. Glu35 сумен реакцияласып, судан күшті нуклеофил – гидроксид ионын түзетіп, ол гликозилденген фермент аралық қосылысына шабуыл жасайды, нәтижесінде гидролиз өнімі пайда болады, ал фермент өзгермей қалады. Фермент катализіндегі осы ковалентті механизмді алғаш рет Кошланд ұсынған. Соңғы кезде кванттық механика/молекулалық механика (QM/MM) молекулалық динамикалық модельдеу HEWL кристалдарын пайдаланып, ковалентті аралық қосылыстың бар екенін болжады. ESI MS және рентгендік құрылымдар ковалентті аралық қосылыстың бар екенін көрсетеді, бірақ көбінесе активтігі төмен мутанттарды немесе табиғи емес субстраттарды қолдануға негізделген. Осылайша, QM/MM молекулалық динамикасы табиғи HEWL және табиғи субстраттың механизмін тікелей зерттеуге мүмкіндік береді. Есептеулер көрсеткендей, ковалентті механизмнен пайда болған ковалентті аралық қосылыс, Филлипс механизмінен пайда болған иондық аралық қосылыстан шамамен 30 ккал/моль тұрақтырақ. Грам-теріс бактерияларда липополисахарид лизозиммен жоғары сәйкестікпен байланысу арқылы бәсекеге қабілетсіз тежегіш ретінде әрекет етеді.

Фермент емес әсері

Лизозимнің мурамидаза белсенділігі оның антибактериалды қасиеттерінің басты рөл атқарады деп есептелгенімен, ферменттік емес әрекеттерінің дәлелдері де келтірілген. Мысалы, активті орындағы (52 Asp > 52 Ser) маңызды аминқышқылының мутациясы арқылы лизозимнің катализдік белсенділігін тоқтату оның антимикробтық активтілігін жоймайды. Лизозимнің литикалық белсенділігі жоқ бактериялық көмірсутек антигенін тануға қабілетті, лектин сияқты қасиеті Klebsiella pneumoniae липополисахаридіне байланысты тетрасахарид үшін хабарланған. Сондай-ақ, лизозим антиденелермен және Т-жасуша рецепторларымен өзара әрекеттеседі.

Фермент конформациясының өзгеруі

Лизозим екі конформацияны көрсетеді: ашық белсенді күй және жабық белсенді емес күй. Каталитикалық маңыздылығы бір қабырғалы көміртек нанотұбыршалары (SWCN) өрістік эффектті транзисторларымен (FET) зерттелді, онда бір лизозим молекуласы SWCN FET-ке байланысты. Лизозимді электронды түрде бақылау екі конформацияны көрсетті: ашық белсенді орын және жабық белсенді емес орын. Белсенді күйінде лизозим өзінің субстратын процессивті түрде гидролиздей алады, орташа есеппен секундына 15 рет 100 байланысты үзеді. Жаңа субстратты байланыстыру және жабық белсенді емес күйден ашық белсенді күйге өту үшін конформациялық өзгерістің екі қадамы қажет, ал белсенділікті жою үшін бір қадам жеткілікті.

Үлкен отбасы

Кәдімгі С типті лизозим лизозимдер суперотбасы деп аталатын құрылымдық және механизмдік тұрғыдан байланысты ферменттердің үлкен тобының бір бөлігі болып табылады. Бұл отбасы GH22 C ("тауық") типіндегі лизозимдерді, өсімдік хитиназасы GH19, G ("қаз") типіндегі лизозим GH23, V ("вирустық") типіндегі лизозим GH24 және хитозаназа GH46 отбасыларын біріктіреді. Лизозим типінің номенклатурасы тек оның бастапқыда қандай көзден оқшауланғанын көрсетеді және таксономиялық таралуын толыққанды бейнелемейді. Мысалы, адамдар мен көптеген басқа сүтқоректілерде екі G типіндегі лизозим гені бар: LYG1 және LYG2.

Ауру мен терапиядағы рөлі

Лизозим – тұқым қуалайтын иммундық жүйенің бір бөлігі. Лизозим деңгейінің төмендеуі жаңа туған нәрестелерде бронхопульмонарлық дисплазиямен байланысты. Адам лизозимімен қоректендірілген шошқалар E. coli бактериясынан туындаған диареядан жылдамырақ қалпына келеді. Адам сүтіндегі лизозимнің концентрациясы мал сүтіндегіден 1600-3000 есе артық. Адам лизозимі тауық жұмыртқасының ағындағы лизозиміне қарағанда белсендірек. Балаларды диареядан қорғау үшін, егер ана сүтімен тамақтану мүмкін болмаса, адам лизозимін өндіретіндей етіп трансгендік ешкілер (негізін қалаушысы "Артемида" деп аталды) шығарылды. Лизозим – Bacillus және Streptococcus сияқты грам-оң патогендерден қорғаудың табиғи түрі болғандықтан, ана сүтімен тамақтандырылатын нәрестелердің иммунологиясында маңызды рөл атқарады. Тері құрғақтығы мен қышқылдығының арқасында қорғаныш кедергісі болса, конъюнктива (көзді жабатын қабықша) секрецияланатын ферменттермен, негізінен лизозим мен дефензинмен қорғалады. Бірақ бұл қорғаныш кедергілері бұзылғанда конъюнктивит пайда болады. Кейбір қатерлі ісіктерде (әсіресе миеломоноциттік лейкемияда) қатерлі жасушалардың лизозимді артық өндіруі қанда лизозимнің токсикалық деңгейіне алып келуі мүмкін. Лизозимнің қандағы жоғары деңгейі бүйрек жетіспеушілігіне және қандағы калийдің төмендеуіне әкелуі мүмкін, бұл жағдайлар бастапқы қатерлі ісікті емдеу арқылы жақсаруы немесе толығымен жойылуы мүмкін. Саркоидозды диагностикалау үшін сарысудағы лизозим сарысудағы ангиотензин түрлендіретін ферменттен гөрі аз ерекшеленеді; алайда, ол сезімталдығы жоғары болғандықтан, саркоидоз ауруының белсенділігін бағалау үшін қолданылады және расталған жағдайларда ауруды бақылауға жарамды.

Химиялық синтез

Лизозим протеинінің алғашқы химиялық синтезін жасауға профессор Джордж В. Кеннер және Англиядағы Ливерпуль университетіндегі оның тобы тырысты. Бұл 2007 жылы Чикаго университетінің Стив Кент зертханасында Томас Дюрек жасаған синтетикалық функционалдық лизозим молекуласы арқылы іске асырылды.

Басқа қолданбалар

Лизозим кристалдары катализ және биомедициналық қолданыстар үшін басқа да функционалды материалдарды өсіруге қолданылған. Лизозим – грам-оң бактерияларды лиздеу үшін кеңінен қолданылатын фермент. Лизозимнің ерекше функциясы жасуша қабырғасын ыдырату және осмостық шок тудыру болып табылады (жасушаның айналасындағы ерітінділердің концентрациясын күрт өзгерту арқылы осмостық қысымды өзгертеді және жасушаны жарып жібереді), сондықтан лизозим зертхана жағдайында бактерия периплазмасынан ақуыздарды босату үшін жиі қолданылады, ал ішкі мембрана сферопласттар деп аталатын везикулалар түрінде сақталады. Мысалы, E. coli лизозимді пайдаланып периплазмалық кеңістіктің ішкі мазмұнын босату арқылы лиздеуге болады. Бұл, әсіресе, периплазма мазмұнын зертханада жинауға тырысқанда өте пайдалы. Лизозимді протеин кристалдануы үшін рекомбинантты ақуыздарды бөліп алуда қолданудың салдары ретінде кристалл лизозимнің бірліктерімен ластануы мүмкін, бұл физиологиялық маңызы жоқ комбинацияға әкеледі. Шындығында, кейбір ақуыздар мұндай ластануларсыз кристалдана алмайды. Сонымен қатар, лизозим токсикалық рекомбинантты ақуыздардың экспрессиясында көмекші құрал ретінде қызмет етеді. BL21(DE3) штаммдарындағы рекомбинантты ақуыздардың экспрессиясы әдетте T7 РНК полимеразасы арқылы жүзеге асырылады. IPTG индукциясы арқылы UV 5 репрессоры тежеледі, бұл T7 РНК полимеразаның және, демек, зерттелетін ақуыздың транскрипциясына әкеледі. Дегенмен, T7 РНК полимеразаның базалық деңгейі индукциясыз да байқалады. T7 лизозимі T7 РНК полимеразаның ингибиторы болып табылады. Жаңадан құрастырылған штаммдар, құрамында көмекші плазмида (pLysS) бар, T7 лизозимін төмен деңгейде ко-экспрессиялайды, бұл токсикалық рекомбинантты ақуыздың жоғары қатаңдығымен және тұрақты экспрессиясын қамтамасыз етеді.

Тарих

Құрамында лизозим бар тауық жұмыртқасының бактерияға қарсы қасиеттерін алғаш рет 1909 жылы Лащщенко байқаған. 1922 жылы пенициллинді ашқан Александр Флеминг мұрын шырышының бактерияларды өлтіретін қабілетін көрсетті. Ол былай деген: «Бұл зат ферменттерге ұқсас қасиеттерге ие болғандықтан, мен оны «лизозим» деп атадым». Флеминг ферменттік заттың әртүрлі секрецияларда кездесетінін және әртүрлі бактерияларды, әсіресе ол зерттеген сары түсті «кокк» бактериясын жылдам лиздей алатынын (яғни, еріте алатынын) көрсетті. Лизозимді алғаш рет 1937 жылы Эдвард Абрахам кристалдастырды, бұл 1965 жылы Дэвид Чилтон Филлипске тауық жұмыртқасының лизозимінің үш өлшемді құрылымын сипаттауға мүмкіндік берді. Ол рентгендік кристаллография арқылы алғашқы 2 åнгстромдық (200 пм) ажыратымды модельді алды. Құрылым 1965 жылы Корольдік институттағы лекцияда көпшілікке таныстырылды. Лизозим – рентгендік дифракция әдісімен шешілген екінші ақуыздық құрылым және алғашқы ферменттік құрылым, сондай-ақ барлық жиырма кең таралған аминқышқылын қамтитын толық тізбектелген алғашқы фермент. Филлипстің лизозим құрылымын анықтауының нәтижесінде, бұл оның катализдік әрекетінің егжей-тегжейлі, нақты механизмын ұсынған алғашқы фермент болды. Бұл жұмыс Филлипске ферменттердің физикалық құрылымы тұрғысынан химиялық реакцияны қалай жылдамдататынын түсіндіруге мүмкіндік берді. Филлипс ұсынған бастапқы механизм кейінірек қайта қарастырылды.