HEMOLIZIN: ZNAČILNOSTI, VRSTE, MEHANIZMI DELOVANJA - BIOLOGIJA - 2026

Hemolizin je majhna beljakovina, ki povzroči pore v celice eritrocitov in nekaterih drugih lastnih krvnih celic sesalcev membrane. Na splošno jo sintetizirajo in izločajo patogene bakterije.

Ta protein je eden najpogostejših mikrobnih toksinov in tisti, ki je bil najbolje raziskan. Včasih lahko povzroči hemolitično anemijo, saj število kanalov, skozi katere izstopa celična notranjost, lahko celo povzroči lizo celic.

Molekularna struktura hemolizina (Vir: Jawahar Swaminathan in osebje MSD na Evropskem inštitutu za bioinformatiko prek Wikimedia Commons)

Na splošno je hemolizin tipičen toksin Streptococcusov črevesnega trakta. Njegova funkcija omogoča bakterijam, da razbijejo epitelijsko pregrado črevesnega trakta in se tako premaknejo skozi krvni obtok, da kolonizirajo druga tkiva.

Najpogostejša oblika, ki jo v naravi najdemo hemolizin, je v obliki α-hemolizina. Ta protein je eden najpomembnejših dejavnikov virulentnosti večine sevov Escherichia coli in nekaterih klostridij.

Večino okužb sečil povzročijo sevi bakterije Escherichia coli, ki proizvajajo α-hemolizin s hemolitičnimi lastnostmi.

Proizvodnja hemolizina in bakteriocina v bakterijskih sevih je povezana z mehanizmom konkurence proti drugim vrstam in zdi se, da je proizvodnja obeh toksinov odvisna od istih genetskih dejavnikov v genomu bakterij.

značilnosti

Hemolizin sestavlja sedem podenot, gen, ki ga kodira, pa ima sedem promotorjev. Teh sedem podenot se vstavijo v plazemsko membrano ciljnih celic in, ko se združijo, tvorijo ionski kanal, skozi katerega uhajajo presnovki iz notranjosti celice.

Hemolizin je zunajcelični citotoksin, odvisen od kalcija (Ca + 2), ki deluje na plazemsko membrano celic v krvnem obtoku. Pore, ki jih ustvarja v membrani, so prav tako hidrofilne in povzročajo, da voda vstopi v notranjost celice, kar lahko privede do lize.

Hemolizini so tipični beljakovinski produkti gram-negativnih bakterij in imajo vsi dve značilnosti:

1- Prisotnost zelo majhnega peptida (nonapeptida), sestavljenega iz ponovitev aminokislin glicina in asparaginske kisline. Nenapeptidi hemolizina se nahajajo v bližini C-terminalnega dela primarne strukture proteina.

2- Vse hemolizine izločajo bakterije v zunajcelično okolje preko transporterja tipa ABC (kaseta za vezavo ATP).

Proizvodnja hemolizina se običajno odkrije v bakterijskih sevih z rastjo v sredstvu krvnega agarja. V testu opazimo hemolitični halo, produkt razpada rdečih krvnih celic v bližini bakterijskih kolonij.

Vrste

Obstaja več različnih vrst hemolizinov, ti so na začetku imena razvrščeni z grško črko. Najbolj preučeni in najpogostejši so hemolizini α, β in γ, ki jih proizvaja sev Staphylococcus aureus.

Vrste hemolizina so razvrščene glede na obseg celic, ki jih napadajo, in glede na njihovo primarno strukturo proteina.

α-hemolizin

Ta beljakovina je značilna za seva Staphylococcus aureus in Escherichia coli; napada nevtrofilce, rdeče krvne celice, limfocite, makrofage, odrasle in embrionalne fibroblaste. V interakciji s polarnimi glavicami lipidov plazemskih membran teh celic internalizira hidrofobni rep približno 5 Ӑ znotraj membrane.

β-hemolizin

V manjšem obsegu, ki ga proizvaja Staphylococcus aureus kot α-hemolizin, β-hemolizin napada predvsem rdeče krvne celice in vstopi v membrano izključno skozi domene bogate s sfingomijelinom.

γ-hemolizin

Opazili so ga tudi v Staphylococcus aureus. Uvrščen je bil med hemolitične beljakovine in levkotoksin hkrati, saj vpliva na polimorfonuklearne celice človeka, monocite, makrofage in redko celo rdeče krvne celice.

Ta vrsta γ-hemolizina je ena najmanj značilnih, zato je večinoma njen mehanizem delovanja neznan in ni bil raziskan in vivo.

Akcijski mehanizmi

Mehanizem delovanja, ki je bil razmeroma jasno razjasnjen, je mehanizem α-hemolizina. Ker pa so vsi hemolitični beljakovine, velja, da je večina procesov skupna vsem hemolizinom.

Znanstveniki predlagajo, da morajo biti bakterije, ki izločajo hemolizin v okolje, v mikrookoli, ki ne vsebuje hranil, zato bi bil to mehanizem, ki celico sproži, da uniči ciljne celice in pridobi njihove hranilne snovi.

Mehanizem je bil opisan v treh korakih: vezava celične membrane, vstavljanje in oligomerizacija.

Membranska vez

Ugotovljeno je bilo, da se hemolizini lahko vežejo na nevtrofilne integrine, v eritrocitih pa se kaže, da se ti proteini vežejo na glikozilirane sestavine, kot so glikoproteini, gangliozidi in glikoforini celične membrane.

Nekateri avtorji menijo, da prisotnost receptorjev v membrani ni bistvena za vezavo hemolizinov. Vsekakor mehanizem celičnega ponovnega uživanja beljakovin še ni natančno znan.

Transmembranske pore, ki jih tvori protein hemolizina Staphylococcus (Vir: Avtorji depozicije: Song, L., Hobaugh, M., Shustak, C., Cheley, S., Bayley, H., Gouaux, JE; avtor vizualizacije: Uporabnik: Astrojan prek Wikimedia Commons)

Interakcija z membrano poteka v dveh korakih:

- Začetna vezava (reverzibilna): ko se hemolizin veže na domene, ki vežejo kalcij. Ta korak se pojavi na površini in je zelo dovzeten za elektrostatično praznjenje.

- Nepovraten stik: povezuje domene aminokislin z lipidnimi komponentami zunanje plasti plazemske membrane ciljnih celic, da se tvorijo fizične vezi med hidrofobnimi spojinami membrane.

Vstavljanje toksina v membrano

Α-Hemolizin vstavi ostanke 177 in 411 v prvi lipidni sloj. V zunajceličnem okolju je hemolizin povezan s kalcijevimi ioni, ki v njem sprožijo strukturno ureditev in prispevajo k njegovi aktivaciji.

Ta vstavitev utrdi nepovratno pritrditev na celično membrano. Ko je prišlo do ureditve, se hemolizin spremeni v integralni protein, saj je eksperimentalno dokazano, da je edini način, da ga izločimo iz membrane, z uporabo detergentov, kot je Triton X-100.

Oligomerizacija

Ko je ves hemolizin vstavljen v plazemsko membrano ciljnih celic, pride do oligomerizacije sedmih podenot, ki ga sestavljajo, kar se konča v tvorbi beljakovinskih por, zelo dinamičnih, vendar odvisnih od lipidne sestave membrane.

Opaženo je bilo, da mikrodomini ali lipidni splavi celične membrane favorizirajo postopek oligomerizacije. Te regije morda niso naklonjene vezavi beljakovin, vendar dajejo prednost oligomerizaciji le-tega, ko ga enkrat vstavimo.

Bolj kot se hemolizini vežejo na membrano, več por bo nastalo. Poleg tega lahko hemolizini oligomerizirajo drug drugega (sosednji) in tvorijo veliko večje kanale.

Reference

1. Bakás, L., Ostolaza, H., Vaz, WL, & Goñi, FM (1996). Reverzibilna adsorpcija in nereverzibilno vstavljanje alfa-hemolizina Escherichia coli v lipidne dvoplaste. Biofizični časopis, 71 (4), 1869-1876.
2. Dalla Serra, M., Coraiola, M., Viero, G., Comai, M., Potrich, C., Ferreras, M.,… & Prévost, G. (2005). Dvokomponentni γ-hemolizini Staphylococcus aureus, HlgA, HlgB in HlgC lahko tvorijo mešane pore, ki vsebujejo vse komponente. Časopis za kemijske informacije in modeliranje, 45 (6), 1539–1545.
3. Gow, JA, in Robinson, J. (1969). Lastnosti prečiščenega stafilokoknega β-hemolizina. Journal of bakteriology, 97 (3), 1026-1032.
4. Ike, Y., Hashimoto, H., in Clewell, DB (1984). Hemolizin podvrsta Streptococcus faecalis zimogeni prispeva k virulenci pri miših. Okužba in imuniteta, 45 (2), 528–530.
5. Remington, JS, Klein, JO, Wilson, CB, Nizet, V. in Maldonado, YA (ur.). (1976). Nalezljive bolezni ploda in novorojenčka (letnik 4). Filadelfija: Saunders.
6. Todd, EW (1932). Antigeni streptokokni hemolizin. Časopis za eksperimentalno medicino, 55 (2), 267-280.