ХЕМОЛИЗИН: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДОВЕ, МЕХАНИЗМИ НА ДЕЙСТВИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

На хемолизин е малък протеин, който причина пори в клетката на еритроцити и някои други собствени кръвни клетки на бозайници мембрана. Обикновено се синтезира и отделя от патогенни бактерии.

Този протеин е един от най-разпространените микробни токсини и този, който е най-добре проучен. Понякога може да причини хемолитична анемия, тъй като броят на каналите, през които излиза вътрешността на клетката, дори може да причини клетъчен лизис.

Молекулярна структура на хемолизин (Източник: Jawahar Swaminathan и MSD служители на Европейския институт по биоинформатика чрез Wikimedia Commons)

По принцип хемолизинът е типичен токсин от вида Streptococcus на чревния тракт. Функцията му позволява на бактериите да разрушат епителната бариера на чревния тракт и по този начин да се движат през кръвообращението, за да колонизират други тъкани.

Най-честата форма, която хемолизинът намира в природата, е в неговата α-хемолизинова форма. Този протеин е един от най-важните фактори за вирулентност на повечето щамове Escherichia coli и някои клостридии.

Повечето инфекции на пикочните пътища се причиняват от щамове Escherichia coli, които произвеждат α-хемолизин с хемолитични характеристики.

Производството на хемолизин и бактериоцин в бактериални щамове е свързано с механизъм на конкуренция срещу другите видове и изглежда, че производството на двата токсина зависи от едни и същи генетични детерминанти в бактериалния геном.

характеристики

Хемолизинът се състои от седем субединици, а генът, който го кодира, има седем промотора. Тези седем субединици се вмъкват в плазмената мембрана на целевите клетки и когато се съберат, образуват йонен канал, през който метаболитите от вътрешността на клетката избягат.

Хемолизинът е извънклетъчен зависим от калций (Са + 2) цитотоксин, който действа върху плазмената мембрана на клетките в кръвния поток. Порите, които създава в мембраната, също са хидрофилни и причиняват навлизане на вода в вътрешността на клетката, което може да доведе до лизис.

Хемолизините са типични протеинови продукти на грам-отрицателни бактерии и всички те имат две характеристики:

1- Наличието на много малък пептид (нонапептид), състоящ се от повторения на аминокиселините глицин и аспарагинова киселина. Ненапептидите на хемолизина са разположени в близост до С-крайната част на първичната структура на протеина.

2- Всички хемолизини се секретират от бактериите в извънклетъчната среда чрез транспортер тип ABC (ATP-свързваща касета).

Производството на хемолизин обикновено се открива в бактериални щамове чрез растеж в среда на кръвен агар. В теста се наблюдава хемолитичен ореол, продукт на разграждането на червените кръвни клетки в близост до бактериалните колонии.

Видове

Има няколко различни вида хемолизини, които са класифицирани с гръцка буква в началото на името им. Най-изследваните и често срещани са α, β и γ хемолизини, всички произведени от щама на Staphylococcus aureus.

Видовете хемолизин се класифицират според обхвата на клетките, които атакуват и според основната им структура на протеина.

α-хемолизин

Този протеин е типичен за Staphylococcus aureus и Escherichia coli; атакува неутрофили, червени кръвни клетки, лимфоцити, макрофаги, фибробласти за възрастни и ембриони. Той взаимодейства с полярните глави на липидите на плазмената мембрана на тези клетки, за да интернализира хидрофобна опашка с около 5 Ӑ вътре в мембраната.

β-хемолизин

Произведен от Staphylococcus aureus в по-малка степен от α-хемолизин, β-хемолизинът атакува предимно червените кръвни клетки и навлиза в мембраната изключително чрез богатите на сфингомиелин домейни на клетъчната мембрана.

γ-хемолитичен

Вижда се и при стафилококус ауреус. Той е класифициран едновременно като хемолитичен протеин и левкотоксин, тъй като засяга полиморфонуклеарните клетки на хората, моноцитите, макрофагите и рядко дори червените кръвни клетки.

Този тип γ-хемолизин е един от най-слабо характеризираните, поради което голяма част от механизма му на действие е неизвестен и не е изследван in vivo.

Механизми за действие

Механизмът на действие, който е сравнително ясно изяснен, е този на α-хемолизин. Въпреки това, тъй като всички те са хемолитични протеини, се смята, че повечето от процесите са общи за всички хемолизини.

Учените предполагат, че бактериите, които могат да отделят хемолизин в околната среда, трябва да бъдат в микросредата, бедна на хранителни вещества, следователно това ще бъде механизъм, който задейства клетката да унищожи целевите клетки и да получи техните хранителни вещества.

Механизмът е описан на три етапа: свързване на клетъчната мембрана, поставяне и олигомеризация.

Мембранна връзка

Установено е, че хемолизините могат да се свързват с неутрофилни интегрини, а в еритроцитите е доказано, че тези протеини се свързват с гликозилирани компоненти като гликопротеини, ганглиозиди и гликофорини на клетъчната мембрана.

Някои автори предполагат, че наличието на рецептори в мембраната не е от съществено значение за осъществяването на свързването на хемолизините. Във всеки случай механизмът на клетъчното повторно изяждане на протеина все още не е известен с точност.

Трансмембранни пори, образувани от хемолизиновия протеин на Staphylococcus (Източник: Автори на отлагане: Song, L., Hobaugh, M., Shustak, C., Cheley, S., Bayley, H., Gouaux, JE; автор на визуализацията: Потребител: Astrojan чрез Wikimedia Commons)

Взаимодействието с мембраната става на два етапа:

- Първоначално свързване (обратимо): когато хемолизинът се свързва към свързващите калция домени на мембраната. Тази стъпка се случва на повърхността и е много податлива на електростатичен разряд.

- Необратим кръстовище: свързва аминокиселинните домейни с липидните компоненти на външния слой на плазмената мембрана на целевите клетки, за да се образуват физически връзки между хидрофобните съединения на мембраната.

Поставяне на токсин в мембраната

Α-Хемолизинът вмъква остатъци 177 и 411 в първия липиден монослой. В извънклетъчната среда хемолизинът се свързва с калциеви йони, които индуцират структурно разположение в него и допринасят за неговото активиране.

Това вкарване консолидира необратимото прикрепване към клетъчната мембрана. След като устройството е станало, хемолизинът се трансформира в интегрален протеин, тъй като експериментално е доказано, че единственият начин за извличането му от мембраната е чрез използване на детергенти като Triton X-100.

Олигомеризация

Когато целият хемолизин е вкаран в плазмената мембрана на целевите клетки, се извършва олигомеризация на 7-те субединици, които го съставят, което завършва с образуването на протеинови пори, силно динамични, но зависими от липидния състав на мембраната.

Наблюдава се, че процесът на олигомеризация се благоприятства от микродомените или липидните рафтове на клетъчната мембрана. Тези региони може да не благоприятстват свързването на протеина, но те благоприятстват олигомеризацията на един и същ веднъж поставен.

Колкото повече хемолизини се свържат с мембраната, толкова повече пори ще се образуват. Освен това хемолизините могат да се олигомеризират взаимно (съседни) и да образуват много по-големи канали.

Препратки

1. Bakás, L., Ostolaza, H., Vaz, WL, & Goñi, FM (1996). Обратима адсорбция и необратимо вмъкване на Escherichia coli алфа-хемолизин в липидни бислоеве. Биофизично списание, 71 (4), 1869-1876.
2. Dalla Serra, M., Coraiola, M., Viero, G., Comai, M., Potrich, C., Ferreras, M.,… & Prévost, G. (2005). Двукомпонентният γ-хемолизин на Staphylococcus aureus, HlgA, HlgB и HlgC може да образува смесени пори, съдържащи всички компоненти. Списание за химическа информация и моделиране, 45 (6), 1539-1545.
3. Гоу, Дж. Дж., И Робинсън, Дж. (1969). Свойства на пречистения стафилококов β-хемолизин. Journal of бактериология, 97 (3), 1026-1032.
4. Ike, Y., Hashimoto, H., & Clewell, DB (1984). Хемолизинът от подвид Streptococcus faecalis zymogenes допринася за вирулентност при мишки. Инфекция и имунитет, 45 (2), 528-530.
5. Remington, JS, Klein, JO, Wilson, CB, Nizet, V., & Maldonado, YA (ред.). (1976). Инфекциозни заболявания на плода и новороденото (том 4). Филаделфия: Сондърс.
6. Todd, EW (1932). Антигенен стрептококов хемолизин. Списание за експериментална медицина, 55 (2), 267-280.