Лизоцим

Лизоцим — это фермент класса гидролаз, разрушающий клеточные стенки бактерий путём гидролиза пептидогликана (муреина). Обладает антибактериальными свойствами, является важным компонентом врождённого иммунитета человека и многих животных. Относится к группе мурамидаз (КФ 3.2.1.17). Впервые открыт и описан английским бактериологом Александром Флемингом в 1922 году.

История открытия

В 1922 году Александр Флеминг, работая в больнице Святой Марии в Лондоне, изучал свойства носовой слизи. Он заметил, что при добавлении капли слизи в чашку Петри с бактериями (Micrococcus lysodeikticus) колонии бактерий быстро лизируются (разрушаются). Флеминг назвал обнаруженное вещество «лизоцимом» (от греч. λύσις — «разрушение» и лат. cyto — «клетка»). В 1923 году он опубликовал результаты своих исследований, однако в то время практическое применение лизоцима было ограничено из-за его нестабильности и сложности выделения в чистом виде.

Промышленное производство лизоцима стало возможным только в середине XX века, после разработки методов хроматографической очистки. В 1965 году британский биохимик Дэвид Чилтон Филлипс впервые определил трёхмерную структуру лизоцима куриного яйца методом рентгеноструктурного анализа, за что позже получил Нобелевскую премию. Это открытие стало одним из первых успешных примеров изучения механизма действия фермента на атомарном уровне.

Химическая природа и структура

Лизоцим представляет собой полипептидную цепь, состоящую из 129 аминокислотных остатков (в случае лизоцима куриного яйца). Молекулярная масса — около 14,3 кДа. Фермент содержит четыре дисульфидные связи, которые стабилизируют его пространственную структуру. Активный центр лизоцима представляет собой глубокую бороздку, в которой располагаются каталитические аминокислотные остатки (глутаминовая кислота в позиции 35 и аспарагиновая кислота в позиции 52 у лизоцима куриного яйца).

Механизм действия основан на гидролизе β-1,4-гликозидной связи между N-ацетилмурамовой кислотой и N-ацетилглюкозамином в пептидогликане бактериальной клеточной стенки. В результате этого процесса клеточная стенка теряет прочность, и бактерия погибает от осмотического лизиса.

Классификация

По происхождению лизоцим подразделяют на несколько типов:

• Животный лизоцим (тип C) — наиболее распространённый тип, обнаруженный у млекопитающих, птиц и некоторых рыб. Присутствует в секретах (слюна, слёзы, носовая слизь, грудное молоко), а также в лейкоцитах и макрофагах.
• Растительный лизоцим — обнаружен в некоторых растениях (например, в редьке, хрене, папайе). Отличается по аминокислотной последовательности и термостабильности.
• Бактериальный лизоцим — продуцируется некоторыми бактериями (например, Bacillus subtilis, Streptomyces coelicolor). Используется бактериями для защиты от конкурентов или для разрушения клеточных стенок при спорообразовании.
• Фаговый лизоцим — вирусы бактерий (бактериофаги) кодируют лизоцим для разрушения клеточной стенки хозяина при выходе потомства из клетки.

Источники и получение

Основным промышленным источником лизоцима является белок куриного яйца (яичный белок). Содержание лизоцима в яичном белке курицы составляет около 3,5% от общего количества белка. Для промышленного получения яичный белок подвергают экстракции, осаждению или ионообменной хроматографии. В России и странах СНГ лизоцим традиционно получают из яичного белка кур.

Также существуют методы получения рекомбинантного лизоцима с использованием микроорганизмов (например, Escherichia coli или Pichia pastoris), однако промышленное значение они имеют в основном для получения модифицированных форм фермента.

Физико-химические свойства

• Оптимум pH: для большинства лизоцимов — 6,0–7,0 (для лизоцима куриного яйца — 6,24).
• Термостабильность: лизоцим куриного яйца сохраняет активность при нагревании до 70–80 °C в кислой среде (pH 3–4), но быстро инактивируется при нейтральном pH и температуре выше 60 °C.
• Растворимость: хорошо растворим в воде и слабых солевых растворах.
• Изоэлектрическая точка: около 10,5–11,0 (для лизоцима куриного яйца), что указывает на его щелочную природу.

Биологическая роль

В организме человека и животных лизоцим выполняет функцию неспецифического антибактериального барьера. Он синтезируется клетками слизистых оболочек (бокаловидными клетками, клетками слюнных и слёзных желёз), а также нейтрофилами и макрофагами. Наибольшие концентрации лизоцима наблюдаются в:

• Слезах (концентрация до 1–2 мг/мл).
• Слюне (около 0,1–0,5 мг/мл).
• Носовой слизи (до 1–2 мг/мл).
• Грудном молоке (особенно в молозиве — до 0,5 мг/мл).
• Сыворотке крови (около 0,01–0,02 мг/мл).

Лизоцим активен преимущественно в отношении грамположительных бактерий (например, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Micrococcus luteus), так как их пептидогликан находится на внешней поверхности клеточной стенки. Грамотрицательные бактерии (например, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa) менее чувствительны к лизоциму, поскольку их пептидогликан защищён внешней мембраной.

Применение

Медицина

Лизоцим используется в качестве антибактериального и противовоспалительного средства в составе некоторых лекарственных препаратов. В России и странах бывшего СССР лизоцим выпускается в виде:

• Таблеток для рассасывания (например, «Лизобакт» — комбинация лизоцима и пиридоксина) — для лечения инфекций ротоглотки (стоматит, гингивит, фарингит).
• Растворов для местного применения — для обработки ран, ожогов, трофических язв.
• Глазных капель — для лечения бактериальных конъюнктивитов.

В зарубежной практике лизоцим реже используется как самостоятельное лекарственное средство, чаще — как компонент жевательных резинок и зубных паст для профилактики кариеса.

Пищевая промышленность

Лизоцим применяется в качестве консерванта (пищевая добавка E1105). Он добавляется в сыры (особенно твёрдые и полутвёрдые) для предотвращения развития маслянокислых бактерий, вызывающих позднее вспучивание сыров. Также используется в мясной и рыбной промышленности для продления сроков хранения продукции.

Косметология

В некоторых косметических средствах (кремы, лосьоны, гели для душа) лизоцим добавляют как антибактериальный компонент, особенно в продуктах для проблемной кожи.

Биотехнология

Лизоцим используется в лабораторной практике для лизиса бактериальных клеток при выделении ДНК, плазмид или белков. Также применяется в производстве вакцин и для очистки клеточных культур.

Интересные факты

• Лизоцим является одним из самых изученных ферментов. Его структура и механизм действия подробно описаны в сотнях научных публикаций.
• В 1965 году Дэвид Филлипс с коллегами впервые определили трёхмерную структуру лизоцима куриного яйца с разрешением 2,0 Å. Это стало одним из первых случаев полного определения структуры фермента.
• Лизоцим содержится в яичном белке всех птиц, но наибольшая концентрация — у кур.
• В грудном молоке человека концентрация лизоцима в 100–300 раз выше, чем в коровьем молоке, что является важным фактором защиты новорождённого от инфекций.

Источники

1. Fleming, A. (1922). On a remarkable bacteriolytic element found in tissues and secretions. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, 93(653), 306–317.
2. Phillips, D. C. (1966). The three-dimensional structure of an enzyme molecule. Scientific American, 215(5), 78–90.
3. Blake, C. C. F., et al. (1965). Structure of hen egg-white lysozyme: a three-dimensional Fourier synthesis at 2 Å resolution. Nature, 206(4986), 757–761.
4. Государственная фармакопея Российской Федерации. XIV издание. Лизоцим.
5. Баранов, А. А., & Козлов, И. Г. (2010). Лизоцим: биологическая роль и клиническое применение. Вопросы современной педиатрии, 9(5), 102–108.