Lysozym (auch Muramidase) ist ein Enzym, das β-1,4-Glycosidische Bindungen zwischen N-Acetylmuraminsäure- (NAM) und N-Acetylglucosaminresten (NAG) in Peptidoglycanen, aus Zuckerderivaten und Peptiden aufgebauten Makromolekülen, hydrolysiert. Lysozyme kommen als Teil des angeborenen Immunsystems bei Tieren vor und können außerdem in Pflanzen, Pilzen, Bakterien und bei Bakteriophagen gefunden werden. Beim Menschen können Mutationen im LYZ-Gen zu einer seltenen erblichen Form der Amyloidose führen.
Geschichte Zu Lysozymen gibt es mehrere tausend wissenschaftliche Publikationen. Hier wird auf einige der ersten Veröffentlichungen und auf solche, die über den Forschungsbereich Lysozyme hinaus von Bedeutung sind, kurz eingegangen.
mini|Proteinkristall eines Lysozyms. Die antibakterielle Eigenschaft von Hühnereiklar, die auf Lysozym zurückzuführen ist, wurde erstmals 1909 von Laschtschenko beschrieben. Der Begriff „Lysozym“ wurde allerdings erst 1922 durch Alexander Fleming (1881–1955) eingeführt, der damit dem Enzym den Namen gab. Er beobachtete die antibakterielle Wirkung von Lysozym im Nasenschleim auf das Bakterium Micrococcus lysodeikticus und konnte diese Wirkung auch bei weiteren humanen Sekreten und Geweben feststellen. Das Lysozym aus Hühnereiklar war das erste vollständig sequenzierte Enzym, das alle kanonischen Aminosäurereste enthielt. Die mit Röntgenstrukturanalyse bestimmte dreidimensionale Struktur von Lysozym aus Hühnereiklar (HEWL) wurde 1965 von David Chilton Phillips (1924–1999) erstmals beschrieben. Es war die zweite Struktur eines Proteins sowie die erste eines Enzyms, die durch Röntgenstreuung bestimmt werden konnte. Lysozym war auch das erste Enzym, anhand dessen Struktur ein für das Enzym spezifischer und detaillierter Katalysemechanismus vorgeschlagen wurde. Diese Arbeit lieferte eine Erklärung, wie Enzyme durch ihre Struktur die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion absenken. Der von Phillips vorgeschlagene Mechanismus wurde lange Zeit durch experimentelle Befunde gestützt und wurde erst 2001 auf Grund neuer Erkenntnisse überarbeitet.
Klassifizierung Die Zuordnung der Lysozyme zu den verschiedenen Typen erfolgt anhand ihrer Aminosäuresequenz sowie aufgrund ihrer biochemischen und enzymatischen Eigenschaften. In der Klassifikation nach Henrissat gehören Lysozyme zu den der Glycosidase Familien 22 bis 25 und lytische Transglycosidasen zu den Glycosidase-Familien 23, 102, 103 und 104.
Neben Lysozymen und lytischen Transglycosidasen gibt es weitere Peptidoglycan abbauende Enzyme, wie N-Acetyl-β-D-glucosaminidasen, N-Acetylmuramyl-L-alaninamidasen und verschiedene Endopeptidasen.
Bei Tieren wurden drei sich voneinander unterscheidende Haupttypen von Lysozymen identifiziert, die gewöhnlich als c-Typ (chicken- oder conventional-type), g-Typ (goose-type) und als i-Typ (invertebrate-type) bezeichnet werden. Daneben gibt es noch Lysozyme, die sich keinem der zuvor genannten Typen zuordnen lassen, wie beispielsweise die von Dictyostelium discoideum () oder des Schwamms Suberites domuncula (). Virale Lysozyme werde in v-Typ, λ-Typ, g-Typ und CH-Typ eingeteilt. Einige virale Enzyme werden aus historischen Gründen noch als Lysozyme bezeichnet, obwohl diese keine β-1,4-N-Acetylmuramidasen sind. Die bei Pflanzen entdeckten Lysozyme haben alle eine Chitinase-Aktivität, aber nicht alle Chitinasen können Peptidoglycane hydrolysieren. Sie werden in h-Typ und g-Typ Chitinasen/Lysozyme eingeteilt. Bei vielen pflanzlichen Chitinasen wurde die Lysozym-Aktivität noch nicht untersucht und einige können aufgrund fehlender Sequenzinformationen nicht zugeordnet werden. Lysozyme bei Bakterien werden funktionell in β-1,4-N-Acetylmuramidasen und in β-1,4-N,6-O-Diacetylmuramidasen unterschieden.
Vorkommen Lysozyme bei Tieren c-Typ Lysozyme Der Mensch (, ), Säugetiere, Vögel (z. B. Huhn: , ), Reptilien, Amphibien und Fische produzieren Lysozyme vom c-Typ oder haben zumindest entsprechende Gene in ihrem Genom. Zu Reptilien und Amphibien liegen bisher aber kaum Informationen vor. Unter den bis 2009 vollständig sequenzierten Wirbellosen konnten nur bei einem Lanzettfischchen (Branchiostoma belcheri tsingtauense) sowie bei Gliederfüßern c-Typ Lysozym kodierende Gene identifiziert werden. Bei Schmetterlingen, Zweiflüglern, Termiten und Schnabelkerfen aus der Klasse der Insekten sowie bei Spinnentieren und Krebstieren wurden c-Typ Lysozyme gefunden und in allen bisher vollständig sequenzierten Insektengenomen konnte zumindest ein Gen gefunden werden, das homolog zu c-Typ Lysozymen ist. Eine Untergruppe bilden die Calcium-Ionen-bindenden Lysozyme, zu denen beispielsweise das Lysozym aus Stutenmilch (, ) gehört. Diese Untergruppe ist vor allem bei der Diskussion um die evolutionäre Entstehung von α-Lactalbuminen von Interesse. Bei einer Suche nach c-Typ Lyszym-ähnlichen Genen im humanen Genom können neun Gene gefunden werden, von denen eins für Lysozym C und eins für α-Lactalbumin kodiert. Vier andere werden überwiegend im Hoden exprimiert und scheinen bei der Fortpflanzung eine Rolle zu spielen. Für zwei dieser Gene konnte dies bei Mäusen gezeigt werden. Die anderen vier Gene wurden noch nicht charakterisiert. Auch bei anderen Säugetieren können mehrere c-Typ Lyszym-ähnlichen Gene gefunden werden. Für die unterschiedlichen humanen Gene konnten mögliche orthologe Gene in den meisten Säugetiergenomen gefunden werden.
g-Typ Lysozyme Lysozyme vom g-Typ verdanken ihren Namen der erstmaligen Entdeckung im Eiklar der Emder Gans. Seitdem wurde es für mehrere Vogelarten wie Huhn, Schwarzschwan, afrikanischer Strauß, Nandu und Kasuar charakterisiert (Struktur eines g-Typ Lysozyms einer Graugans: , ). Bei Hühnervögeln dominiert das c-Typ Lysozym im Eiklar. Bei Gänsevögeln können abhängig von der Art im Eiklar c-Typ, g-Typ oder beide Typen von Lysozym vorkommen. Erst 2001 wurde gezeigt, dass g-Typ Lysozyme außerhalb der Klasse der Vögel vorkommen. Bei einer DatenbanksucheNCBI; Dezember 2009 konnten homologe Proteine beim Menschen, Säugetieren, Fischen (z. B. Kabeljau: , ) und Amphibien gefunden werden. Auch bei Wirbellosen, wie Jakobsmuschel, Auster und einigen Manteltieren wurden funktionelle Proteine gefunden. In den Genomen von Anopheles gambiae, Apis mellifera, Drosophila melanogaster, Drosophila pseudoobscura, Caenorhabditis briggsae und Caenorhabditis elegans existieren keine g-Typ Lysozyme. Eins der beiden zu g-Typ Lysozym homologen Proteine des Menschen wird in der Niere exprimiert. Das andere wird in der Tränendrüse und in geringen Maß im Hoden exprimiert und ist aktiv.
i-Typ Lysozyme Bisher konnten i-Typ Lysozyme in den Stämmen Weichtiere (z. B. bei einer Venusmuschel: , ), Ringelwürmer, Stachelhäuter, Fadenwürmer und Gliederfüßer gefunden werden. In allen verfügbaren Genomen von Wirbeltieren fehlen sie.
Virale Lysozyme v-Typ Lysozyme Bis 1996 wurden 13 Bakteriophagen mit Lysozymen vom v-Typ beschrieben. Sieben der Bakteriophagen infizierten gramnegative Bakterien, die sechs anderen grampositive Bakterien. Im T4-Phagen sind beispielsweise drei Lysozyme codiert, von denen das Produkt des Gens e, das am besten untersuchte Phagen-Lysozym ist (, ). Das etwa 18 kDa große Lysozym zerstört die Zellwand von Escherichia coli am Ende des Infektionszyklus, nachdem die innere Membran durch ein anderes Phagenprotein modifiziert wurde. Das Lysozym hydrolysiert die glycosidische Bindung hinter N-Acetylmuraminsäureresten, die mit einer Peptid-Seitenkette modifiziert sind. Die N-Acetamido-Gruppe ist für die Aktivität des Lysozyms ebenfalls erforderlich. Eine Struktur von T4-Lysozym mit Substrat wurde von R. Kuroki veröffentlicht. Ein Überblick über die Studien mit T4-Lysozym wird im Review von W. A. Baase u. a. gegeben. Die zahlreichen Studien an T4-Lysozym geben Einblicke in Faltung und Stabilität von Proteinen im Allgemeinen und T4-Lysozym im Speziellen.
λ-Typ Lysozyme Die λ-Typ Lysozyme sind nach dem Lysozym des λ-Phagen benannt (, ). Das Lysozym des λ-Phagen ist keine Hydrolase, sondern eine lytische Transglycosidase.
g-Typ Lysozyme Virale g-Typ Lysozyme, wie beispielsweise das des Enterobacteria Phagen PRD1 () sind in ihrer Sequenz teilweise ähnlich den tierischen g-Typ Lysozymen.
Lysozyme bei Pflanzen h-Typ Chitinasen/Lysozyme Die Bezeichnung dieses Typs geht auf zwei als Hevamine bezeichnete Enzyme zurück (, ), die in speziellen Vakuolen des Kautschukbaums Hevea brasiliensis und im Naturkautschuk vorkommen und bereits 1976 isoliert wurden. Für diese Enzyme wurde 1983 eine Lysozymaktivität und 1990 eine Chitinaseaktivität nachgewiesen. Homologe Chitinasen wurden inzwischen bei z. B. bei Acker-Schmalwand Arabidopsis thaliana, Gurke, Tabak, sowie bei dem Hefepilz Saccharomyces cerevisiae und anderen Pilzen im Genom nachgewiesen. Für die Chitinase aus der Gurke konnte jedoch keine Lysozymaktivität festgestellt werden. Die h-Typ Chitinasen werden anhand der Sequenz in Klasse III und Klasse V Chitinasen unterschieden. In der Klassifikation nach Henrissat gehören h-Typ Chitinasen zur Glycosidase-Familie 18 (GH18), die weit verbreitet bei Archaeen, Prokaryoten und Eukaryoten vorkommt.
b-Typ Chitinasen/Lysozyme Diese Chitinasen weisen in ihrer Aminosäuresequenz keine Ähnlichkeiten zu h-Typ Chitinasen auf. Sie können anhand ihrer Aminosäuresequenz in drei Klassen eingeteilt werden (I, II und IV). Die Bezeichnung geht auf eine Klasse I Chitinase aus Gerste (englisch barley) zurück (, ). Für diese und einige andere Klasse I Chitinasen wurde eine Lysozymaktivität nachgewiesen. Die spezifische Lysozymaktivität ist jedoch deutlich geringer als bei aktiven h-Typ Chitinasen oder HEWL. Bei anderen Klasse I und Klasse II Chitinasen war die spezifische Lysozymaktivität etwa vier Größenordnungen geringer als bei HEWL oder konnte nicht festgestellt werden. Zur Lysozymaktivität von Klasse IV Chitinasen wurden noch keine Daten veröffentlicht. Das „Lysozym“ aus Papaya () hat spezifische Lysozymaktivität von 35 % im Vergleich zu HEWL. In der Klassifikation nach Henrissat gehören b-Typ Chitinasen zur Glycosidase-Familie 19 (GH19), die außer bei Pflanzen nur bei Actinobacteria, grünen Nichtschwefelbakterien, Purpurbakterien, einigen Gliederfüßern und Fadenwürmern zu finden ist.
Weitere Chitinasen/Lysozyme aus Pflanzen Für das Lysozym des Amate-Feigenbaums Ficus glabrata (spezifische Lysozymaktivität 85 % im Vergleich zu HEWL) liegt zwar eine detaillierte Beschreibung der enzymatischen Eigenschaften vor, aufgrund der fehlenden Aminosäuresequenz ist eine Zuordnung jedoch noch nicht möglich.
CH-Typ Lysozyme Das Lysozym des Pilzes Chalaropsis sp. () ist eine β-1,4-N,6-O-Diacetylmuramidase, die auch O-acetyliertes Peptidoglycan hydrolysieren kann. Verwandte Lysozyme wurden bei einigen Streptomyces-Arten (, ), bei Lactobacillus acidophilus und bei Clostridium acetobutylicum () und mehreren Bakteriophagen (z. B. Lactobacillus-Phage MV1),NCBI: Lactobacillus phage mv1 (spezies) Siphoviren,Manuela Villion, Sylvain Moineau: Bacteriophages of Lactobacillus. In: Frontiers in Bioscience, Band 14, Nr. 14, Februar 2009, S. 1661–1683; doi:10.2741/3332, PMID 19273154. Siehe insbes. Tbl. 2: Lactobacillus Siphoviridae phages auf S. 1667. () und Streptococcus-Phage Cp-1, Podoviren, () gefunden.
Biologische Bedeutung Funktion der Lysozyme bei Tieren und Menschen Bei Säugetieren wie dem Menschen kommt Lysozym in vielen Sekreten, wie Tränenflüssigkeit, Speichel, den Sekreten des Atemtrakts, im Blutserum, in der Zerebrospinalflüssigkeit, im Fruchtwasser, im Zervixschleim und in der Milch vor. Es wird in den Geweben des Atemtrakts, in den Nieren und in der Darmschleimhaut sowie von neutrophilen Granulozyten und Makrophagen produziert.