لیزوزیم: آنزیمی که باکتریها را تخریب میکند
لیزوزیم چیست و کجاها پیدا میشود؟
لیزوزیم یک پروتئین کوچک اما بسیار قدرتمند است که مانند یک قیچی مولکولی عمل میکند. تصور کنید یک قلعهٔ محکم (باکتری) وجود دارد که دیوارهای ضخیمی دارد. لیزوزیم مانند یک مهندم خرابکار است که آجرهای اصلی آن دیوار را میبرد و باعث فروریختن کل قلعه میشود. این آنزیم اولین بار توسط الکساندر فلمینگ3 (کاشف پنیسیلین) در سال ۱۹۲۲ در مخاط بینی و اشک انسان کشف شد.
این آنزیم دفاعی بهطور طبیعی در بسیاری از مایعات و ترشحات بدن موجودات زنده وجود دارد. جدول زیر محلهای مهم وجود لیزوزیم را نشان میدهد:
| منبع | نقش اصلی | مثال ملموس |
|---|---|---|
| اشک چشم | ضدعفونیکننده و محافظت از چشم در برابر باکتریهای هوا | وقتی گرد و غبار وارد چشم میشود، اشک با لیزوزیم خود باکتریها را خنثی میکند. |
| بزاق دهان | پاککنندهٔ دهان و محافظت از دندانها و لثه | بزاق کمک میکند زخمهای کوچک دهان به سرعت عفونت نکند. |
| سفیدهٔ تخممرغ | محافظت از جنین در حال رشد در برابر آلودگیهای باکتریایی | دلیل ماندگاری نسبی سفیدهٔ خام خارج از یخچال، وجود لیزوزیم است. |
| شیر انسان | تقویت سیستم ایمنی نوزاد و محافظت از دستگاه گوارش | یکی از دلایل اهمیت شیر مادر، وجود مقادیر زیاد لیزوزیم است. |
| سلولهای ایمنی خون (نوتروفیل4) | تخریب باکتریهای بلعیده شده توسط گلبول سفید | وقتی بدن عفونت دارد، این سلولها با ترشح لیزوزیم با باکتریها میجنگند. |
دیوارهٔ باکتری: قلعهای که لیزوزیم آن را فتح میکند
برای درک نحوهٔ کار لیزوزیم، اول باید دشمن آن یعنی باکتری را بشناسیم. بسیاری از باکتریها (مانند استافیلوکوکوس اورئوس5) یک دیوارهٔ محکم بیرونی دارند. این دیواره مثل یک زره، از باکتری محافظت میکند و به آن شکل میدهد. جنس اصلی این زره از مولکولی به نام پپتیدوگلیکان6 است. پپتیدوگلیکان از زنجیرههای قندی بلندی ساخته شده که توسط پلهای پروتئینی کوچک به هم متصل شدهاند، شبیه یک داربست محکم.
فرمول شیمیایی کلی برای بخش قندی تکرارشونده در پپتیدوگلیکان را میتوان اینگونه نمایش داد. لیزوزیم پیوند بین $NAM$ و $NAG$ را میشکند.
مکانیسم حمله: لیزوزیم چگونه کار میکند؟
عملکرد لیزوزیم یک فرآیند گامبهگام و دقیق است. این فرآیند را میتوان به چهار مرحلهٔ اصلی تقسیم کرد:
گام ۱ – اتصال: مولکول لیزوزیم به سطح دیوارهٔ باکتری نزدیک میشود و دقیقاً در محل پیوند بین قندها ($ \beta(1\rightarrow4) $) قرار میگیرد. شکل مولکول لیزوزیم کاملاً با شکل این پیوند هماهنگ است، مثل یک کلید که فقط در قفل خودش باز میشود.
گام ۲ – تخریب: یک آمینواسید خاص در مرکز فعال7 لیزوزیم (معمولاً گلوتامات$ 35 $) به پیوند قندی حمله میکند. در حضور آب، این پیوند شکسته میشود. این واکنش شکستن پیوند را هیدرولیز8 مینامند.
گام ۳ – از همپاشیدگی: با شکسته شدن یک پیوند، استحکام کل شبکهٔ پپتیدوگلیکان در آن ناحیه از بین میرود. فشار داخلی باکتری که ناشی از مواد داخل سلول است، باعث میشود دیواره در آن نقطه پاره شود.
گام ۴ – مرگ باکتری: با ایجاد سوراخ در دیواره، محتویات داخلی باکتری (مانند سیتوپلاسم) به بیرون نشت میکند و باکتری مثل یک بادکنکی که سوراخ شده، از بین میرود. به این فرآیند لایزیز9 یا تخریب سلولی میگویند.
لیزوزیم در صنعت غذا و دارو: از نگهدارنده تا دارو
انسانها از خاصیت ضدباکتریایی لیزوزیم در صنایع مختلف استفاده هوشمندانهای میکنند. یکی از واضحترین مثالها، استفاده از لیزوزیم استخراج شده از سفیدهٔ تخممرغ است. به دلیل توانایی این آنزیم در مهار باکتریهای مضر، از آن به عنوان یک نگهدارندهٔ طبیعی در مواد غذایی استفاده میشود.
مثال عملی در پنیرسازی: در تولید برخی پنیرهای aged (مانند پنیرهای سفت ایتالیایی)، ممکن است از باکتریهای نامطلوبی که باعث تورم زودرس پنیر میشوند، جلوگیری شود. افزودن مقدار کمی لیزوزیم به شیر، این باکتریهای مزاحم را کنترل میکند، در حالی که به باکتریهای مفید لازم برای تولید پنیر آسیبی نمیزند. این یک نمونه عالی از استفادهٔ هدفمند از دانش بیولوژی در صنعت است.
در پزشکی نیز از لیزوزیم استفاده میشود. بهعنوان مثال، در برخی از قطرههای چشمی، دهانشویهها یا حتی آدامسها از لیزوزیم برای کمک به بهداشت موضعی و پیشگیری از عفونتهای خفیف استفاده میکنند. همچنین بهعنوان یک مکمل دارویی برای تقویت عملکرد سیستم ایمنی برخی بیماران مورد مطالعه قرار گرفته است.
تفاوت لیزوزیم با آنتیبیوتیک و محدودیتهای آن
ممکن است این سوال پیش بیاید که آیا لیزوزیم یک آنتیبیوتیک است؟ پاسخ منفی است. آنتیبیوتیکها معمولاً توسط قارچها یا باکتریهای دیگر ساخته میشوند یا بهصورت مصنوعی تولید میگردند و مکانیسمهای متنوعی دارند (مانند مهار ساخت پروتئین در باکتری). اما لیزوزیم یک پروتئین طبیعی است که توسط بدن خود ما و بسیاری از جانوران ساخته میشود و فقط بر روی دیوارهٔ پپتیدوگلیکانی تأثیر میگذارد.
یک محدودیت مهم لیزوزیم این است که بر روی همهٔ باکتریها مؤثر نیست. باکتریها را میتوان از نظر ساختار دیواره به دو دستهٔ بزرگ تقسیم کرد: گرم مثبت و گرم منفی.
| نوع باکتری | ساختار دیواره | حساسیت به لیزوزیم | نمونه بیماری |
|---|---|---|---|
| باکتری گرم مثبت | لایهٔ ضخیمی از پپتیدوگلیکان در خارج | بسیار حساس | عفونت استافیلوکوکی، گلودرد چرکی |
| باکتری گرم منفی | لایهٔ نازک پپتیدوگلیکان + غشای بیرونی محافظ | کمحساس یا مقاوم | حصبه، اسهال باکتریایی |
همانطور که در جدول دیده میشود، لیزوزیم به تنهایی نمیتواند بر همهٔ عفونتها غلبه کند. باکتریهای گرم منفی به دلیل داشتن یک غشای اضافی، لایهٔ پپتیدوگلیکان خود را از دسترس مستقیم لیزوزیم پنهان میکنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: لیزوزیم یک خط دفاعی اولیه و عمومی است، نه یک سیستم ایمنی تخصصی کامل. وقتی تعداد باکتریهای مهاجم بسیار زیاد باشد یا سیستم ایمنی بدن به هر دلیلی ضعیف شده باشد، این سد طبیعی ممکن است شکسته شود. همچنین، برخی از باکتریهای مقاوم میتوانند مکانیسمهایی برای فرار از اثر لیزوزیم داشته باشند.
پاسخ: بله، حرارت بالا باعث میشود ساختار سهبعدی پروتئین لیزوزیم تغییر کند (دناتوره10 شود). در این حالت، آنزیم دیگر نمیتواند به درستی به دیوارهٔ باکتری متصل شود و فعالیت کاتالیتیکی خود را از دست میدهد. به همین دلیل، خاصیت ضدباکتریایی لیزوزیم در سفیدهٔ تخممرغ پخته شده بسیار کمتر از حالت خام آن است.
پاسخ: خیر، اگرچه هدف اصلی آن باکتریهای دارای پپتیدوگلیکان است، اما گزارشهایی وجود دارد که لیزوزیم میتواند بر روی دیوارهٔ سلولی برخی قارچها نیز تأثیر بگذارد. همچنین، برخی مطالعات فعالیت ضدویروسی خفیف برای آن قائل شدهاند، اما مکانیسم آن متفاوت و چندان قوی نیست.
پاورقی
1 لیزوزیم (Lysozyme): آنزیمی که موجب لایزیز (تخریب) دیوارهٔ سلولی باکتریها میشود.
2 آنزیم (Enzyme): پروتئینی که سرعت یک واکنش شیمیایی خاص را در موجودات زنده افزایش میدهد.
3 الکساندر فلمینگ (Alexander Fleming): پزشک و میکروبیولوژیست اسکاتلندی، کاشف پنیسیلین و لیزوزیم.
4 نوتروفیل (Neutrophil): نوعی گلبول سفید که در خط مقدم دفاع بدن علیه عفونتهای باکتریایی قرار دارد.
5 استافیلوکوکوس اورئوس (Staphylococcus aureus): یک باکتری گرم مثبت شایع که میتواند باعث عفونتهای پوستی و دیگر بیماریها شود.
6 پپتیدوگلیکان (Peptidoglycan): پلیمری متشکل از قند و پپتید که جز اصلی دیوارهٔ سلولی بسیاری از باکتریهاست.
7 مرکز فعال (Active Site): ناحیهای خاص روی آنزیم که سوبسترا به آن متصل شده و واکنش کاتالیز میشود.
8 هیدرولیز (Hydrolysis): واکنش شکستن یک پیوند شیمیایی با افزودن یک مولکول آب.
9 لایزیز (Lysis): فرآیند تخریب یا متلاشی شدن یک سلول، معمولاً به دلیل از بین رفتن یکپارچگی غشا یا دیوارهٔ آن.
10 دناتوره (Denature): تغییر ساختار سهبعدی پروتئینها (یا اسیدهای نوکلئیک) در اثر عوامل فیزیکی یا شیمیایی، که منجر به از دست رفتن عملکرد طبیعی آنها میشود.
