Lysozym

Lysozym (EC 3.2.1.17) gehört zur Klasse der Glykosidhydrolasen und ist ein alkalisches Enzym, das Mucopolysaccharide in pathogenen Bakterien hydrolysiert. Die systematische Bezeichnung dieser Enzymklasse lautet Peptidoglycan-N-acetylmuramoylhydrolase. Weitere gebräuchliche Bezeichnungen sind u. a. Muramidase, Globulin G, N‑Acetylmuramid-Glykanhydrolase usw. Lysozym wurde erstmals 1922 identifiziert: Alexander Fleming entdeckte in menschlichen Tränen und Speichel ein Enzym, das die Zellwand von Bakterien auflösen kann. Aufgrund dieser lysozymatischen Wirkung nannte er es Lysozym. Seitdem wurde Lysozym in verschiedenen Geweben und Sekreten von Menschen und Tieren sowie in bestimmten Pflanzen und Mikroorganismen nachgewiesen. Lysozym lässt sich auch aus Pflanzen wie Feige, Gerste und Kohl isolieren.

Klassifizierung

Lysozym wird entsprechend den Mikroorganismen, auf die es wirkt, in zwei Hauptkategorien eingeteilt: bakterielles Zellwand-Lysozym und pilzliches Zellwand-Lysozym. Zu den pilzlichen Zellwand-Lysozymen zählen Hefe-Zellwand-Lysozym und Schimmelpilz-Zellwand-Lysozym. Nach ihrer Herkunft lassen sie sich in Lysozym tierischen Ursprungs, Lysozym pflanzlichen Ursprungs und Lysozym mikrobiellen Ursprungs unterteilen.

Struktur

Lysozym ist eines der am besten untersuchten Enzyme. Als erste dreidimensionale Struktur wurde 1965 die Struktur des Hühnereiweiß-Lysozyms beschrieben. Es handelt sich um ein Protein aus einer einzelnen Peptidkette, bestehend aus 129 Aminosäureresten; vier Cysteinpaare bilden im Molekül vier Disulfidbrücken (S‑S‑Bindungen). Das Lysozymmolekül ist ellipsoid und hat eine Größe von 4,5 nm × 3,0 nm × 3,0 nm. Das Molekül enthält etwa 25 % α-Helix sowie Anteile an β-Faltblattstrukturen. Studien zeigen, dass die Oberfläche des Lysozymmoleküls eine Spalte aufweist, die das Polysaccharid-Substrat aufnimmt und das aktive Zentrum des Lysozyms darstellt. Das Innere des Lysozyms ist nahezu unpolar; hydrophobe Wechselwirkungen spielen eine wesentliche Rolle für die gefaltete Konformation des Lysozyms.

Abbildung 1. Struktur des Hühnereiweiß-Lysozyms. (Held J. 2014)

Physikochemische Eigenschaften

Lysozym ist ein basisches Protein mit einem isoelektrischen Punkt von 10,7–11,0. Seine chemischen Eigenschaften sind stabil, und die thermische Stabilität ist hoch. Die optimale Temperatur für die Aktivität liegt bei 45–50 °C. Bei einem pH-Wert zwischen 1,2 und 11,3 bleibt die Struktur nahezu unverändert. In saurer Umgebung weist Lysozym eine hohe thermische Stabilität auf. Bei pH 4–7 kann die ursprüngliche Enzymaktivität bei 100 °C für 1 Minute erhalten bleiben; bei pH 3 kann es 45 Minuten bei 100 °C behandelt werden. Hühnereiweiß-Lysozym hat ein Molekulargewicht von 14.000. Der isoelektrische Punkt beträgt 11,1, und die optimale bakteriostatische Temperatur liegt bei 50 °C. Der optimale pH-Wert dieses Enzyms ist 7. Die ursprüngliche Enzymaktivität bleibt erhalten, jedoch ist das Enzym in alkalischer Umgebung thermisch weniger stabil. Unter trockenen Bedingungen kann Lysozym über lange Zeit bei Raumtemperatur gelagert werden. Das Reinsubstanzprodukt ist ein weißes bis gelbliches bzw. gelbes kristallines oder amorphes Pulver, geruchlos, süßlich, in Wasser löslich, durch Alkali leicht zerstörbar, in Aceton und Ether unlöslich, etc..

Katalytischer Mechanismus

Das Substrat des Lysozyms ist die Peptidoglycan-Zellwand grampositiver Bakterien. Es zerstört die Zellwand durch Spaltung der β(1→4)-glykosidischen Bindung zwischen alternierenden Einheiten von N‑Acetylmuraminsäure und N‑Acetylglucosamin. Die aktiven Zentren des Hühnereiweiß-Lysozyms sind Asp52 und Glu35. Das terminale Proton von Glu35 wird auf das Sauerstoffatom der glykosidischen Bindung zwischen zwei benachbarten Zuckerresten übertragen, wodurch die glykosidische Bindung gespalten und ein Carbenium-Ion gebildet wird. Die positive Ladung des Carbenium-Ions wird durch die negative Ladung von Asp52 stabilisiert, bis ein Hydroxidion an das positiv geladene Kohlenstoffatom bindet; anschließend wird Glu35 erneut protoniert.

Anwendung

Lysozym wird heute широко in der Lebensmittel- und Arzneimittelanwendung eingesetzt. Als ungiftiges Protein ohne Nebenwirkungen kann Lysozym als natürlicher Lebensmittelkonservierungsstoff verwendet werden. Es findet breite Anwendung bei der Haltbarmachung von Fisch- und Meeresprodukten, Fleischwaren, Backwaren, Sake, Kochwein und Getränken. Es kann auch Milchpulver zugesetzt werden, um Kuhmilch zu emulgieren und das Überleben verderbniserregender Mikroorganismen im Darm zu hemmen. Als unspezifischer Immunfaktor, der in normalen menschlichen Körperflüssigkeiten und Geweben vorkommt, besitzt es antibakterielle, antivirale und antitumorale Wirkungen und kann als natürliches antiinfektives Material eingesetzt werden. Darüber hinaus hat Lysozym die Funktion, die Struktur der bakteriellen Zellwand zu zerstören, und wird zur Behandlung von G+-Bakterien sowie zur Gewinnung von Protoplasten verwendet. Daher ist Lysozym ein essenzielles Enzym für die Zellfusion in der Gentechnik und im Cell Engineering.

Literatur