היכרות עם הליזוזים
הליזוזים הוא אנזים הפוגע בחיידקים על ידי פירוק דפנות התאים שלהם. הליזוזים נפוץ בהפרשות של אורגניזמים, כגון: דמעות, ריר, רוק וחלב אדם. כמו כן הוא נמצא ברקמות ובתאים שונים, כמו: תאי דם לבנים המהווים חלק ממנגנון ההגנה של אורגניזמים שונים. הליזוזים קיים גם בחלבון הביצה. שמו של הליזוזים (lysozyme) נגזר מהמילה היוונית - lysisשמשמעותה המסה. ובהקשר הביולוגי פירוק של מעטפת התא. בבני אדם הליזוזים מקודד על ידי הגן LYZ.
היסטוריה
הליזוזים התגלה על ידי אלכסנדר פלמינג, בשנת 1921. פלמינג שם טיפה של ריר האף (נזלת) על גבי צלוחית פטרי שהכילה חיידקים, וכאשר בחן את הצלוחית לאחר מכן מספר ימים, שם לב לכך שבעוד שברוב שטחה של הצלוחית גדלו מושבות של חיידקים, מסביב למקום בו הניח את טיפת הריר לא הופיעו חיידקים. לאחר שחקר את התופעה, הסיק פלמינג כי חומר ממס חיידקים המצוי בריר האף הפריע לגידולם של החיידקים. תגליתו המפורסמת האחרת של פלמינג הייתה - הפניצילין, התרופה האנטיביוטית הראשונה והיעילה מכולן, שגילה ב־1928. הליזוזים היה האנזים הראשון שמבנהו התלת ממדי פוענח בעזרת טכניקות קריסטלוגרפיה וזאת על ידי המדען דייוויד פיליפס וחבריו במכון המלכותי בלונדון בשנת 1965. בתחילה הופק הליזוזים מדמעות, אך כיום הוא מופק מחלבון ביצת התרנגולת, בו הוא נמצא בריכוז גבוה.
פעילות האנזים על דופן החיידק
הליזוזים פועל על דופן התא של החיידקים על ידי פירוק השרשרות הסוכריות(=פוליסכרידים) שהן המרכיב העיקרי שלו, באמצעות הידרוליזה. ההידרוליזה גורמת לניתוק של הקשרים המחברים בין היחידות הבסיסיות המרכיבות את השרשרות הסוכריות בעזרת מולקולת מים. כך נהרס דופן התא של החיידק. בשל פעילותו הליזוזים שייך למשפחת הגליקוזידאזות, אנזימים המפרקים קשרים בין סוכרים בעזרת מים. האנזים מסוגל לפרק גם קשר גליקוזידי הקיים בכיטין שבונה את דופן הפטריות, אך ביעילות פחותה.
דופן התא חיוניות להישרדותו של החיידק. רוב תאי החיידקיים מוקפים בדופן תא שמקיפה את הקרום. הדופן מהווה מבנה קשיח התורם לתמיכה בחיידק ולהגנה שלו. הדופן מאפשרת לחיידק להתקיים בסביבה היפוטנית. בסביבה זו ריכוז המומסים קטן יותר מאשר בתוך החיידק לכן מים עוברים באוסמוזה מן הסביבה החיצונית לתוך התא על פי מפל ריכוזים ועלולים לגרום לפגיעה בתא. תפקידה של הדופן, אם כן, לעצור את כניסת המים ולמנוע התרחבות והתפוצצות של קרום התא.
הדופן של תא החיידק מורכבת מחומר הנקרא פפטידוגליקן (שנקרא גם מוראין). הפפטידוגליקן מורכב משרשרות של שני אמינו־סוכרים המופיעים לחלופין: אצטיל גלוקוזאמין-NAG ואצטיל חומצה מוראמית-NAM. כל אצטיל חומצה מוראמית קשור לשרשרת קצרה של 4-5 חומצות אמינו. הפפטידוגליקן הוא למעשה, פולימר המורכב מיחידות מונומר שחוזרות על עצמן. כל מונומר מורכב: NAG - NAM הקשורים זה לזה. (ראה איור 1)
איור 1 - מונומר פפטידוגליקן
פולימר הפפטידוגליקן מתאפיין בכוח מכני גבוה. יחידות הסוכר החוזרות, קשורות זו בזו באופן רציף בצורת רשת של שרשראות ארוכות הקשורות ביניהם באמצעות שרשרות רוחבית קצרות של החומצות האמיניות.(ראה איור 2)
איור 2 - פולימר פפטידוגליקן
אנזים הליזוזים מפרק את דופן החיידקים על ידי פירוק הקשרים הגליקוזידים בין שתי היחידות NAG ו- NAM הקיימות בדופן החיידקים. שתי היחידות מתחברות לאתר הפעיל של הליזוזים, ובו מתבצעת פעולת ההידרוליזה לצורך פירוק הקשר שביניהן (כפי שמופיע באיורים 3-4). פירוק קשרים אלו גורם להרס של דופן החיידק ולאחר כניסת המים מהסביבה החיצונית, קרום החיידק נמתח ומתפוצץ.
איור 3- הידרוליזה של מונומר הפפטידוגליקן
איור 4- מיקום ההידרוליזה בפולימר הפפטידוגליקן
מבנה הליזוזים ותפקידו
אנזים הליזוזים ממקור ביצי העופות נקרא ליזוזים C והוא אנזים קטן יחסית, שמורכב משרשרת אחת , אשר מונה 129 חומצות אמינו. הליזוזים, כמו כל חלבון, בנוי מקצות טרמינליים. ניתן להבחין בקצוות אלו בעזרת השינויים בצבעים לאורך החלבון. מצבע אדום בקצה C טרמינלי ,דרך צבעי הקשת ועד צבע כחול בקצה ה-N טרמינלי. המבנה של הליזוזים מורכב מחמישה אזורים של (בוורוד) וחמישה אזורים של (בכחול). שאר השרשרת כוללת פניות וסלילים אקראיים הנראים באפור. המבנים השניוניים האלו תורמים למבנה המרחבי של האנזים כולו. מבנה מרחבי זה מאפשר את הקישור לסובסטרט.
אופיים של שיירי החומצות האמינו בחלבון קובע את רמת ההידרופוביות או ההידרופיליות של אזורים שונים בליזוזים. קיפולו של החלבון מושפע ממיקומם של אזורים אלו וקובע את המבנה השלישוני. האזורים ההידרופוביים מופיעים באפור ואילו האזורים ההידרופילים בסגול. ניתן להבחין בכך שאזורים עם שיירים הידרופוביים נוטים להיות ממוקמים בתוך ליבת המולקולה ואילו אזורים עם שיירים הידרופיליים פונים בעיקר לצד החיצוני של המולקולה, השוהה בסביבה מימית הידרופילית.
הינם קשרים חיוניים לייצובו של כל חלבון. במודל המוצג ניתן להבחין בקשרים אלו, המודגשים בצבע כתום, ותורמים לייצוב המבנה המרחבי (התלת ממדי) של אנזים הליזוזים. קשרים נוספים שניתן לזהות בחלבון הליזוזים הם קשרים דיסולפידים (קשרי גופרית) בין כל שתי חומצות אמיניות ציסטאין. בליזוזים קיימים ארבעה המודגשים בצבע חום. גם אלו נועדו לייצוב במבנה המרחבי של המולקולה וממוקמים בין: Cys 6 ל- Cys 127, בין Cys 30 ל- Cys 115, בין Cys 64 ל- Cys 80 ובין Cys 76 ל-Cys 94. חשיבותם של קשרים אלו למבנה המרחבי ולתפקוד המולקולה באה לידי ביטוי בשימור הקשרים בכל מולקולות הליזוזים בקבוצות אורגניזמים שונות.
היכרות -
הליזוזים הוא אנזים הפוגע בחיידקים על ידי פירוק דפנות התאים שלהם. הליזוזים נפוץ בהפרשות של אורגניזמים, כגון: דמעות, ריר, רוק וחלב אדם. כמו כן הוא נמצא ברקמות ובתאים שונים, כמו: תאי דם לבנים המהווים חלק ממנגנון ההגנה של אורגניזמים שונים. הליזוזים קיים גם בחלבון הביצה. שמו של הליזוזים (lysozyme) נגזר מהמילה היוונית - lysisשמשמעותה המסה. ובהקשר הביולוגי פירוק של מעטפת התא. בבני אדם הליזוזים מקודד על ידי הגן LYZ.
היסטוריה -
הליזוזים התגלה על ידי אלכסנדר פלמינג, בשנת.1921 פלמינג שם טיפה של ריר האף (נזלת) על גבי צלוחית פטרי [1] שהכילה חיידקים, וכאשר בחן את הצלוחית לאחר מכן מספר ימים, שם לב לכך שבעוד שברוב שטחה של הצלוחית גדלו מושבות של חיידקים, מסביב למקום בו הניח את טיפת הריר לא הופיעו חיידקים. לאחר שחקר את התופעה, הסיק פלמינג כי חומר ממס חיידקים המצוי בריר האף הפריע לגידולם של החיידקים. תגליתו המפורסמת האחרת של פלמינג הייתה - הפניצילין, התרופה האנטיביוטית הראשונה והיעילה מכולן, שגילה ב־1928. הליזוזים היה האנזים הראשון שמבנהו התלת ממדי פוענח בעזרת טכניקות קריסטלוגרפיה וזאת על ידי המדען דייוויד פיליפס וחבריו במכון המלכותי בלונדון בשנת .1965 בתחילה הופק הליזוזים מדמעות, אך כיום הוא מופק מחלבון ביצת התרנגולת, בו הוא נמצא בריכוז גבוה.
פעילות האנזים על דופן החיידק-
הליזוזים פועל על דופן התא של החיידקים על ידי פירוק השרשרות הסוכריות=פוליסכרידים) שהן המרכיב העיקרי שלו), באמצעות הידרוליזה. ההידרוליזה גורמת לניתוק של הקשרים המחברים בין היחידות הבסיסיות המרכיבות את השרשרות הסוכריות בעזרת מולקולת מים. כך נהרס דופן התא של החיידק. בשל פעילותו הליזוזים שייך למשפחת הגליקוזידאזות, אנזימים המפרקים קשרים בין סוכרים בעזרת מים. האנזים מסוגל לפרק גם קשר גליקוזידי הקיים בכיטין שבונה את דופן הפטריות, אך ביעילות פחותה. [ביבליוגרפיה]
דופן התא חיוניות להישרדותו של החיידק. רוב תאי החיידקיים מוקפים בדופן תא שמקיפה את הקרום. הדופן מהווה מבנה קשיח התורם לתמיכה בחיידק ולהגנה שלו. הדופן מאפשרת לחיידק להתקיים בסביבה היפוטנית. בסביבה זו ריכוז המומסים קטן יותר מאשר בתוך החיידק לכן מים עוברים באוסמוזה מן הסביבה החיצונית לתוך התא על פי מפל ריכוזים ועלולים לגרום לפגיעה בתא. תפקידה של הדופן, אם כן, לעצור את כניסת המים ולמנוע התרחבות והתפוצצות של קרום התא.
הדופן של תא החיידק מורכבת מחומר הנקרא פפטידוגליקן (שנקרא גם מוראין). הפפטידוגליקן מורכב משרשרות של שני אמינו־סוכרים המופיעים לחלופין: אצטיל גלוקוזאמין NAG- ואצטיל חומצה מוראמית .NAM- כל אצטיל חומצה מוראמית קשור לשרשרת קצרה של 4-5 חומצות אמינו. הפפטידוגליקן הוא למעשה, פולימר המורכב מיחידות מונומר שחוזרות על עצמן. כל מונומר מורכב: - NAG NAM הקשורים זה לזה. (ראה איור 1)
פולימר הפפטידוגליקן מתאפיין בכוח מכני גבוה. יחידות הסוכר החוזרות, קשורות זו בזו באופן רציף בצורת רשת של שרשראות ארוכות הקשורות ביניהם באמצעות שרשרות רוחבית קצרות של החומצות האמיניות.(ראה איור 2)
אנזים הליזוזים מפרק את דופן החיידקים על ידי פירוק הקשרים הגליקוזידים בין שתי היחידות NAG ו- NAM הקיימות בדופן החיידקים. שתי היחידות מתחברות לאתר הפעיל של הליזוזים, ובו מתבצעת פעולת ההידרוליזה לצורך פירוק הקשר שביניהן (כפי שמופיע באיורים 3-4). פירוק קשרים אלו גורם להרס של דופן החיידק ולאחר כניסת המים מהסביבה החיצונית, קרום החיידק נמתח ומתפוצץ.
מבנה הליזוזים ותפקודו -
אנזים הליזוזים ממקור ביצי העופות נקרא ליזוזים C והוא אנזים קטן יחסית, שמורכב משרשרת אחת , אשר מונה 129 חומצות אמינו. הליזוזים, כמו כל חלבון, בנוי מקצות C ו-N טרמינליים. ניתן להבחין בקצוות אלו בעזרת השינויים בצבעים לאורך החלבון. מצבע אדום בקצהC טרמינלי ,דרך צבעי הקשת ועד צבע כחול בקצה ה-N טרמינלי. המבנה השניוני של הליזוזים מורכב מחמישה אזורים של סלילי אלפא וחמישה אזורים של מישורי בטא. שאר השרשרת כוללת פניות וסלילים אקראיים הנראים באפור. המבנים השניוניים האלו תורמים למבנה המרחבי של האנזים כולו. מבנה מרחבי זה מאפשר את הקישור לסובסטרט.
אופיים של שיירי החומצות האמינו בחלבון קובע את רמת ההידרופוביות או ההידרופיליות של אזורים שונים בליזוזים. קיפולו של החלבון מושפע ממיקומם של אזורים אלו וקובע את המבנה השלישוני. בתצוגת הליזוזים הבאה האזורים ההידרופוביים מופיעים בכחול ואילו האזורים ההידרופילים באדום. ניתן להבחין בכך שאזורים עם שיירים הידרופוביים נוטים להיות ממוקמים בתוך ליבת המולקולה ואילו אזורים עם שיירים הידרופיליים פונים בעיקר לצד החיצוני של המולקולה, השוהה בסביבה מימית הידרופילית.
קשרי המימן הינם קשרים חיוניים לייצובו של כל חלבון. במודל המוצג ניתן להבחין בקשרים אלו, המודגשים בצבע סגול, ותורמים לייצוב המבנה המרחבי (התלת ממדי) של אנזים הליזוזים. קשרים נוספים שניתן לזהות בחלבון הליזוזים הם קשרים דיסולפידים בין כל שתי חומצות אמיניות ציסטאין. בליזוזים קיימים ארבעה קשרים דיסולפידים המודגשים בצבע צהוב. גם קשרים אלו נועדו לייצוב במבנה המרחבי של המולקולה וממוקמים בין: Cys 6 ל- Cys 127, בין Cys 30 ל- Cys 115, בין Cys 64 ל- Cys 80 ובין Cys 76 ל-Cys 94. חשיבותם של קשרים אלו למבנה המרחבי ולתפקוד המולקולה באה לידי ביטוי בשימור הקשרים בכל מולקולות הליזוזים בקבוצות אורגניזמים שונות.
האתר הפעיל ומכניזם הפעולה של הליזוזים
הידרוליזה של הקשר בין NAM ל-NAG מתרחשת באתר הפעיל של הליזוזים, שכולל את החומצה הגלוטמית בעמדה 35 (Glu 35) ואת החומצה האספרטית בעמדה 52 (Asp 52). מיקומים אלו שמורים מאוד בליזוזים של אורגניזמים שונים. Glu 35 תורמת פרוטון לקשר הגליקוזידי, כך נחתך הקשר C-O בסובסטרט ואילו Asp 52 משתתפת בהתקפה הנוקלאופילית, בעזרת מולקולת מים, לצורך ניתוק האנזים וקבלת הסובסטרט. (המנגנון מודגם באיור 5)
האתר הפעיל של הליזוזים נראה כסדק בולט בין Glu 35 (מודגשת בצבע אדום) ל- Asp 52 (מודגשת בצבע ירוק). בחלל שנוצר מתמקם הסובסטרט - השרשרת הפוליסכרידית. למעשה, מולקולת הסובסטרט מונה 6 פחמניים. כלומר, מולקולת פוליסכריד בעל 6 טבעות סוכריות שמסודרות בצורת NAM-NAG. החיתוך נעשה בין הסוכר הרביעי לחמישי. בסצנה הבאה נראה ליזוזים מחלבון ביצת תרנגול, ביחד עם הסובסטרט שלו – שרשרת 6 פחמנית. סוכרי השרשרת מסומנים באותיות A-F ומיוצגים על ידי מקלות וכדורים. (ראוי לציין שמודל השרשת ה-6 פחמנית כולל רק יחידות NAG ונבנה באופן מלאכותי על בסיס גיבוש של הליזוזים עם המעכב שלו –שרשרת תלת פחמנית של NAG.)
העיכוב של פעולת הליזוזים יכול להיעשות על ידי מולקולת ליגנד שבנויה משרשרת סוכרית קטנה יותר בעלת 3 סוכרי NAG. מולקולת הליגנד מסוגלת להיקשר לאתר הפעיל וליצור קומפלקס של ליגנד-אנזים. הליגנד, שמיוצג במודל של מקלות וכדורים, בולט מתוך האתר הפעיל של הליזוזים ומהווה מעכב תחרותי לסובסטרט. ניתן לראות כי הליגנד במקרה זה הוא שרשרת פוליסכרידית של שלושה NAG. הליגנד, קטן יותר ומתחרה עם הסובסטרט על האתר הפעיל. למרות שהליגנדט נקשר לאתר הפעיל, לא מתאפשר הזירוז של פירוקו. הסיבה נעוצה בכך שהמעכב נקשר לאתרים A-C, אך לא מגיע לאתרים E ו-D שבהם נעשה החיתוך ההידרוליטי על ידי Glu 35 ו- Asp 52. ניתן לעבור בין מודל הליזוזים עם הסובסטרט למודל הליזוזים עם מעכב לצורך הבנת מיקומם של הסובסטרט והמעכב באתר הפעיל של הליזוזים.
דף עבודה לתלמיד
