Lysotsyymi: synnynnäisen immuniteetin antibakteerinen entsyymi

Lysotsyymit ovat osa synnynnäistä immuunijärjestelmää. Ne ovat entsyymejä, joita on limaneritteissä, kuten syljessä. Ne suojaavat tartunnoilta pilkkomalla eläimiin tarttuvia bakteereja, viruksia ja sieniä. Lysotsyymit ovat nopeavaikutteisia ja toimivat erityisesti pintavirtauksissa, kuten kyynelissä ja syljessä, missä ne muodostavat ensimmäisen puolustuksen ulkoisia mikrobiuhkia vastaan.

Nimityksen "lysotsyymi" keksi vuonna 1922 Alexander Fleming (1881-1955), penisilliinin keksijä. Fleming havaitsi ensimmäisen kerran lysotsyymin antibakteerisen vaikutuksen, kun hän käsitteli bakteeriviljelmiä flunssapotilaan nenän limalla. Tätä havaintoa seurannut tutkimus johti lyhyessä ajassa laajaan ymmärrykseen entsyymin merkityksestä ja toiminnasta.

Lysotsyymiä on useissa eritteissä, kuten kyynelissä, syljessä, maidossa ja limassa. Sitä on myös makrofagien ja granulosyytti-neutrofiilien sytoplasmagranuloissa. Kananmunan valkuainen (munanvalkuainen) on erityisen runsas luonnollinen lähde, minkä vuoksi kananmunan lysotsyymiä on paljon tutkittu ja käytetty teollisuudessa.

Mekanismi ja vaikuttaminen bakteereihin

Entsyymi toimii hyökkäämällä bakteerien, erityisesti grampositiivisten bakteerien, kuten Bacillus- ja Streptococcus-bakteerien, soluseinien polymeereihin. Tarkemmin sanottuna lysotsyymi hydrolysoi peptidoglykaanin (mureiinin) β-1,4-sidosta N-asetyylimuramiinihapon ja N-asetyylglukosamiinin välillä, mikä heikentää soluseinän mekaanista eheyttä ja voi johtaa bakteerisolun lyyttiin.

Useimmat lysozyymit käyttävät katalyyttisinä aminohappoina tunnistettuja käänteisiä protolyysiresiduita (esimerkiksi kananmunan valkuaisen lysozyymiä kuvaillaan usein katalyyttisinä residuina Glu35 ja Asp52). Entsyymi sitoutuu peptidoglykaanin osiin ja stabiloi siirtymävaiheen, mikä alentaa reaktion aktivoitumisenergiaa ja nopeuttaa hydrolyysiä.

Lokalisaatio, pitoisuudet ja kohdeherkkyys

Lysotsyymiä esiintyy elimistössä paikallisesti korkeissa pitoisuuksissa — esimerkiksi kyynelissä ja kananmunan valkuaisessa pitoisuudet ovat merkittäviä — ja keskiverenkierron tasolla pitoisuudet ovat yleensä alhaisempia. Koska grampositiivisten bakteerien paksu peptidoglykaanikimppu on suoraan altis, lysotsyymi on yleensä tehokkaampi niitä vastaan kuin gramnegatiivisia bakteereja vastaan, joilla on ulkoinen lipopolysakkaridikalvo, joka suodattaa ja suojaa peptidoglykaania. Gramnegatiivisten bakteerien kohdalla lysotsyymin tehoa voi lisätä esimerkiksi muiden immuunikomponenttien tai kemiallisten aineiden (kuten EDTA) avulla, jotka häiritsevät ulomman kalvon rakennetta.

Rakenteellinen ja tutkimuksellinen merkitys

Lysotsyymi oli toinen proteiinirakenne ja ensimmäinen entsyymirakenne, joka ratkaistiin röntgendiffraktiomenetelmillä. Se oli ensimmäinen täysin sekvensoitu entsyymi, joka sisältää kaikki kaksikymmentä yleistä aminohappoa. Se oli myös ensimmäinen entsyymi, jonka toiminnalle ehdotettiin yksityiskohtaista, spesifistä mekanismia. Tämä työ johti selitykseen siitä, miten entsyymit nopeuttavat kemiallista reaktiota fysikaalisen rakenteensa avulla.

Käytännössä lysozyymi on toiminut malliproteiinina proteiinifolding‑tutkimuksissa, mutaatioanalyysissä ja entsyymidynamiikan tutkimuksessa. Sen pieni koko (esim. kananmunan lysozyymi noin 129 aminohappoja) ja stabiilisuus tekevät siitä helpon kohteen biokemiallisille ja rakenteellisille tutkimuksille.

Sovellukset, kliininen merkitys ja vastustus

Lysotsyymillä on useita käytännön sovelluksia:

• Elintarvikeala: käytetään säilöntäaineena tai homeiden ja tiettyjen bakteerien kasvun rajoittajana (esim. juuston valmistuksessa).
• Farmasia ja lääketiede: paikallisesti käytettävät antibakteeriset valmisteet, haavojen hoito ja tutkimusantibioottisena adjuvanttina.
• Diagnostiikka: seerumin lysotsyymipitoisuutta mitataan joskus tulehdussairauksissa ja granuloomatautien (esim. sarkoidoosi) seurannassa, sillä arvo voi nousta makrofagien aktivoituessa.
• Biotekniikka ja tutkimus: mallientsyyminä proteiinirakenteen ja -toiminnan tutkimuksissa.

Bakteerit voivat kehittää vastustuskeinoja lysotsyymiä vastaan. Yleisiä mekanismeja ovat peptidoglykaanin kemiallinen muokkaus (esim. O-asetylaatio), peptidoglykaania suojaavat proteiinit tai lysotsyymiä sitovat inhibiittoriproteiinit (joita jotkin bakteerit tuottavat). Tällaiset mekanismit auttavat patogeenejä selviytymään immuunivasteen varhaisvaiheissa.

Lysotsyymin käyttöön liittyy myös huomioitavia seikkoja: luonnollinen lysozyymi kanamunista voi aiheuttaa allergisia reaktioita ihmisille, joilla on kananmunanvalkuaisallergia, ja sen käyttö elintarvikkeissa tai lääkkeissä on säädeltävää.

Historia ja evoluutio

Flemingin löytö osoitti, että elimistöllä on luonnollisia kemiallisia puolustusmekanismeja, ja myöhemmät tutkimukset ovat paljastaneet lysozyymien laajan esiintymisen useissa eläinluokissa ja myös joissain kasveissa ja bakteereissa. Lysozyymejä on useita tyyppejä (esim. C‑type, G‑type), jotka eroavat rakenteeltaan ja esiintymisalueeltaan, mutta kaikki jakavat peruskyvyn hydrolysoida peptidoglykaania tai rakenteeltaan vastaavia polysakkarideja.

Yhteenvetona: lysotsyymi on tärkeä, laajalle levinnyt ja monikäyttöinen osa synnynnäistä immuunijärjestelmää, jonka tutkimus on vaikuttanut ratkaisevasti sekä mikrobiologian ja immunologian että rakennebiologian kehittymiseen.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on lysotsyymi?

K: Kuka keksi termin "lysotsyymi"?

K: Mistä lysotsyymiä löytyy?

K: Miten lysotsyymi toimii?

K: Mikä oli ensimmäinen röntgendiffraktiomenetelmin ratkaistu proteiinirakenne?

K: Oliko se myös ensimmäinen entsyymi, jonka sekvenssi määritettiin?

K: Mihin tämä työ johti?

Hae kirjaimella