آنزیم لیزوزیم و نقش آن در بیولوژی مولکولی

آنزیم لیزوزیم (lysozyme) که با عناوین مورامیداز یا N-acetylmuramide glycanhydrolase نیز شناخته می شود، یک پروتئین کاتیونی 14 کیلو دالتونی می باشد و بخشی از سیستم ایمنی ذاتی را تشکیل می دهد. لیزوزیم به طور طبیعی در بافت های گیاهی و حیوانی  دیده می شود. لیزوزیم در ترشحات بدن از جمله اشک ، بزاق ، شیر انسان و مخاط به طور فراوان وجود دارد و در گرانول‌های سیتوپلاسمی ماکروفاژها و نوتروفیل‌های پلی‌مورفونوکلئر (PMNs)  نیز مشاهده می شود. مقادیر زیادی از لیزوزیم را می توان در سفیده تخم مرغ یافت ، که منبع اصلی منابع تجاری برای تولید و عرضه  لیزوزیم می باشد. لیزوزیم های نوع C از نظر توالی و ساختار با آلفا-لاکتالبومین ارتباط نزدیکی دارند. لیزوزیم سفیده تخم مرغ (chick-type  یا  C) اولین آنزیمی است که ساختار کریستالی 2 آنگستروم آن برطرف گردیده و به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.

این تایپ از آنزیم ، از نظر حرارتی پایدار است و نقطه ذوب آن تا 72 درجه سانتیگراد در pH 5.0 می باشد. با این حال ، لیزوزیم موجود در شیر انسان ، به سرعت در این دما فعالیت خود را از دست می دهد. لیزوزیم سفیده تخم مرغ فعالیت خود را در محدوده وسیعی از (pH (6-9 حفظ می کند. از زمانی که lysozyme  توسط فلمینگ در سال 1922 کشف شد، این پروتئین به عنوان مدلی برای تحقیقات در مورد ساختار و عملکرد پروتئین در نظر گرفته شده و مورد مطالعه قرار گرفته است. مطالعات گسترده بر روی تاخوردگی لیزوزیم نشان داده است که ، چگونه نواحی مختلف این پروتئین به صورت پویا با یکدیگر تعامل دارند.

آنزیم  لیزوزیم با هیدرولیز کردن پیوندهای گلیکوزیدی در پپتیدوگلیکان ( بخشی از دیواره سلولی باکتری ) منجر به مرگ سلول باکتری می شود و به عنوان یک عامل ضد میکروبی عمل می کند. فعالیت ضد باکتریایی در برابر باکتری های گرم مثبت با اثر آنزیمی لیزوزیم بر روی پپتیدوگلیکان های موجود در دیواره سلولی صورت می گیرد. پپتیدوگلیکان‌های موجود در غشای داخلی باکتری‌های گرم منفی توسط یک غشای خارجی لیپیدی محافظت می‌شوند، اما لیزوزیم نشان داده است که حتی اگر ضعیف هم باشد، فعال است. برخی از نویسندگان این فعالیت را اینگونه توصیف کرده اند که مکانیسم اثر ضد باکتری مستقل از فعالیت آنزیمی آن است، همچنین این در مورد باکتری های گرم مثبت نیز صدق می کند. نقش لیزوزیم، طبق این فرضیه، حذف دیواره سلولی باکتری هایی است که قبلا توسط پلی پپتیدهای ضد میکروبی کشته شده اند.

هر چند که آنزیم لیزوزیم به اندازه آنزیم کیتیناز موثر نیست اما این آنزیم نیز قادر به شکستن پیوندهای گلیکوزیدی کیتین می باشد. در باکتری های گرم منفی ، لیپوپلی ساکارید با اتصال بسیار مطلوب با آنزیم لیزوزیم ، به عنوان یک مهارکننده غیر رقابتی عمل می کند.

لیزوزیم به عنوان عضوی از سیستم ایمنی با باکتری ها و قارچ ها مبارزه می کند. ثابت شده که فقدان لیزوزیم به طور قابل توجهی امکان عفونت  دستگاه تنفسی ، به ویژه عفونت مربوط به کلونیزاسیون گرم (+) را افزایش می دهد.شواهد قوی نشان داد که لیزوزیم در ایمنی ذاتی شرکت می کند و در واقع . شواهد تحقیقاتی نشان می دهد که لیزوزیم نه تنها در مکانیسم دفاعی بلکه در تنظیم پاسخ ایمنی با تقویت پاسخ ایمنی التهابی و محدود کردن پاسخ التهابی نقش مهمی ایفا می کند.

لیزوزیم بخشی از سیستم ایمنی ذاتی می باشد. کاهش سطح لیزوزیم با دیسپلازی برونکوپولمونری در نوزادان مرتبط است. خوکچه هایی که با شیرحاوی  لیزوزیم انسانی تغذیه می شوند می توانند سریعتر از بیماری اسهالی ناشی از باکتری E. coli بهبود یابند. غلظت لیزوزیم در شیر انسان 1600 تا 3000 برابر بیشتر از غلظت آن در شیر ​​دام است.  لیزوزیم یک شکل طبیعی محافظت در برابر پاتوژن های گرم مثبت مانند باسیلوس و استرپتوکوک می باشد ، هم چنین این آنزیم نقش مهمی در ایمونولوژی نوزادانی که از شیر مادر تغدیه می کنند ، دارد. پوست به دلیل خشکی و اسیدی بودن آن یک سد محافظتی به حساب می آید ، این در حالیست که غشاء ملتحمه چشم (غشای پوشاننده چشم ) دراثر ترشح آنزیم های لیزوزیم و دیفنسین ، محافظت می شود. از بین رفتن این موانع محافظتی باعث ایجاد ورم ملتحمه چشم می گردد.

در برخی از سرطان ها (به ویژه لوسمی میلومونوسیتی) تولید بیش از حد لیزوزیم توسط سلول های سرطانی می تواند منجر به سطوح سمی لیزوزیم در خون شود. سطوح بالای لیزوزیم خون می تواند منجر به نارسایی کلیه و کاهش پتاسیم خون گردد ، شرایطی که ممکن است با درمان بدخیمی اولیه بهبود یابند. از آن جایی که لیزوزیم سرم حساسیت بیشتری نسبت به آنزیم مبدل آنژیوتانسین سرم دارد ، به عنوان نشانگر فعالیت بیماری سارکوئیدوز استفاده می شود و برای پایش بیماری سارکوئیدوز در موارد اثبات شده در نظر گرفته می شود. بیش از یک دهه پیش، مشخص شد که جهش در ژن لیزوزیم انسانی می تواند منجر به تجمع مقادیر زیادی آمیلوئید در کبد ، کلیه و سایر مناطق دستگاه گوارش گردد.

لیزوزیم (lysozyme ) از طریق فعالیت های دوگانه خود به عنوان یک آنزیم لیتیک و یک پروتئین کاتیونی کوچک ، با لیز کردن پپتیدوگلیکان دیواره سلولی باکتری ها ، با ایجاد اختلال درغشای باکتری و با فعال کردن آنزیم های اتولیتیک در دیواره سلولی باکتری ، به باکتری ها آسیب می رساند یا آن ها را از بین می برد.

در مقاله‌ای که در سال 2004 منتشر شد نقش زنجیره‌های پپتیدی کاتیونی (دپلاریزاسیون و نفوذپذیری غشاها ) همراه با فرضیه عملکرد غیرمستقیم باکتری‌کشی لیزوزیم مورد بحث قرار گرفت: پپتید کاتیونی می‌تواند به واسطه فعال کردن اتولیتیک دیواره مورامیداز باکتری که منجر به باکتریولیز می شود، به‌عنوان ضد باکتری عمل کند.مکانیسم عمل لیزوزیم نیز در داخل بدن مورد مطالعه قرار گرفت تا بررسی شود که آیا فعالیت آن به عملکرد مورامیداز بستگی دارد یا خیر. از نتایج مشاهده‌شده در موش‌های تراریخته با کمبود لیزوزیم یا بیان ژن ترانس ژن لیزوزیم با کمبود مورامیداز، نویسندگان به این نتیجه رسیدند که لیزوزیم مستقل از فعالیت مورامیداز خود، باکتری‌ها را می‌کشد.

آنزیم لیزوزیم یک هیدرولاز گلیکوزید می باشد که هیدرولیز پیوندهای  1,4 – بتا بین N- استیل مورامیک اسید و باقی مانده N- استیل- D- گلوکزامین در پپتیدوگلیکان را کاتالیز می کند. این هیدرولیز به نوبه خود یکپارچگی دیواره سلولی باکتری را به خطر می اندازد و باعث لیز باکتری می شود. لیزوزیم سفیده تخم مرغ برای لیز باکتری های گرم مثبت موثرتر از باکتری های گرم منفی می باشد ؛ اگرچه این آنزیم ، لیز باکتری های گرم منفی مانند سالمونلا و شیگلا را نیز تسهیل می کند. لیز باکتری  E. coli به ویژه با افزودن هر دو آنزیم  لیزوزیم و نوکلئازهایی مانند DNase I بهبود می یابد.

تعداد زیادی منابع از انواع مختلف لیزوزیم ها وجود دارد که در پزشکی، آرایشی، صنایع غذایی و کشاورزی دارای کاربردهای فراوانی می باشد. طیف گسترده ای از کاربردهای این آنزیم تنها فعالیت ضد باکتریایی آن نیست، بلکه غیرفعال کردن برخی ویروس ها و قارچ ها نیز می باشد.

ماهیت کاتیونی زنجیره لیزوزیم به عنوان علت فعالیت ضد قارچی آن در نظر گرفته می شود. فعل و انفعالات یونی بین پپتید کاتیونی و ساختارهای آنیونی در دیواره سلولی میکروبی می تواند منجر به آسیب به دیواره سلولی شود که در اثر یک رویداد بعدی مانند قرار گرفتن در معرض نمک و مواد شوینده در اثر فشار اسمزی مختل می شود.

با در نظر گرفتن فعالیت های شناخته شده ضد باکتری، ضد ویروسی، ضد قارچی، ضد التهابی، ضد سرطانی و تعدیل کننده ایمنی ، لیزوزیم ، عمدتاً در کاربردهای بالینی، غذایی ، برای درمان پاتوژن های با طبیعت متفاوت و موارد بسیار دیگر زیادی پتانسیل بالایی دارد .

لیزوزیم یک پروتئین عالی برای مطالعه فعالیت آنزیم است. فعالیت های آنتی باکتریال لیزوزیم در پزشکی، دارویی وصنایع غذایی   بسیارمورد توجه قرار گرفته است. این پروتئین بسیار در دسترس و پایدار است که باعث می شود یک منبع عالی برای یادگیری در مورد عملکرد آنزیمی باشد. اکثر پروتئین ها انباشته شده و دناتوره می شوند مگر اینکه در دما، pH یا اسمولالیته خاصی نگهداری شوند.لیزوزیم در دمای اتاق  پایدار است، به راحتی بدست می آید و یک روش غیر سمی ساده برای اندازه گیری فعالیت آن وجود دارد.

کاربرد این آنزیم در بیولوژی مولکولی ، شکستن دیواره سلولی باکتری به منظور بهبود کارایی استخراج پروتئین یا اسید نوکلئیک  می باشد. از این رو ، شرکت یکتا تجهیز آزما ، آنزیم لیزوزیم (lysozyme) را به صورت پودر لیوفیلیزه به بازار عرضه می دارد. جهت تهیه محلول استوک ،  مقدار 10mg از پودر لیوفیلیزه لیزوزیم  را در  1ml از Tris-HCl (10 mM) PH=8 حل می نماییم.

سوالات متداول

منبع اصلی لیزوزیم تجاری چیست؟

مقادیر زیادی از لیزوزیم را می توان در سفیده تخم مرغ یافت ، که منبع اصلی منابع تجاری برای تولید و عرضه  لیزوزیم می باشد.

لیزوزیم به طور طبیعی در چه جاهایی یافت می شود؟

لیزوزیم به طور طبیعی در بافت های گیاهی و حیوانی  دیده می شود. لیزوزیم در ترشحات بدن از جمله اشک ، بزاق ، شیر انسان و مخاط به طور فراوان وجود دارد و در گرانول‌های سیتوپلاسمی ماکروفاژها و نوتروفیل‌های پلی‌مورفونوکلئر (PMNs)  نیز مشاهده می شود

کاربرد آنزیم لیزوزیم در بیولوژی مولکولی چیست؟

کاربرد این آنزیم در بیولوژی مولکولی ، شکستن دیواره سلولی باکتری به منظور بهبود کارایی استخراج پروتئین یا اسید نوکلئیک  می باشد

اثر لیزوزیم بر روی باکتری چیست؟

آنزیم لیزوزیم با هیدرولیز کردن پیوندهای گلیکوزیدی در پپتیدوگلیکان ( بخشی از دیواره سلولی باکتری ) منجر به مرگ سلول باکتری می شود و به عنوان یک عامل ضد میکروبی عمل می کند.

کارایی و کاربرد لیزوزیم در چه زمینه هایی است؟

تعداد زیادی منابع از انواع مختلف لیزوزیم ها وجود دارد که در پزشکی، آرایشی، صنایع غذایی و کشاورزی دارای کاربردهای فراوانی می باشد.

آیا برای استخراج از باکتری به لیزوزیم نیاز دارید؟

بله، به دلیل وجود دیواره سلولی باکتری (در باکتری های گرم مثبت) به آنزیم لیزوزیم نیاز است.