| Hemocianina | |
|---|---|
| Suprafața interioară a cochiliei crabului Cancer productus este colorată în violet cu hemocianină. | |
| Notaţie | |
| Simboluri | HCy |
| CAS | 9013-72-3 |
| Informații în Wikidata ? | |
Hemocianina (din altă greacă αἷμα - sânge și altă greacă κυανoῦς - azur, albastru) este un pigment respirator din grupa metaloproteinelor , este un analog funcțional al hemoglobinei cu conținut de cupru [1] . Se găsește în sângele moluștelor , artropodelor [2] și onichoforelor [3] . În cadrul filumului Mollusca, hemocianina este distribuită pe scară largă printre cefalopode și unele gasteropode . În cadrul tipului de artropode - printre crabi potcoave , crustacee , arahnide [4] și centipede [5] , iar în 2003 a fost găsită și la un reprezentant al clasei insectelor [6] . Trebuie remarcat faptul că hemocianina moluștelor și artropodelor diferă ca structură și unele proprietăți, în plus, există hemocianine care îndeplinesc și alte funcții pe lângă transportul oxigenului către țesuturi - nu numai (și nu atât de mult) respirație, ci în primul rând în nutriție. [2] [7] . Deci putem vorbi despre hemocianine ca un grup de metaloproteine similare [2] .
Forma redusă a hemocianinei este incoloră. Forma oxidată devine albastră, se observă fluorescență [2] .
Deja la sfârșitul secolului al XVIII-lea s-a observat că sângele moluștelor are o culoare albastră. În special, acest lucru a fost remarcat de celebrul naturalist francez Georges Cuvier ( 1795 ) [8] .
În 1833, chimistul venețian Bartolomeo Bizio ( it:Bartolomeo Bizio ) a descoperit cuprul în sângele moluștelor gasteropode marine din familia peștilor ac [9] .
În 1878, fiziologul belgian Léon Frederic ( franceză: Léon Fredericq ) a izolat pigmentul albastru din sângele caracatiței Octopus vulgaris . S-a observat că atunci când sângele trecea prin branhii, sângele incolor devine albastru. Frederick a sugerat că această substanță transportă oxigenul către organe și țesuturi. El a propus și numele acestui pigment - „hemocianina”, prin analogie cu hemoglobina (din altă greacă κυανoῦς - azur, albastru). Frederick a sugerat că hemocianina este un analog structural și funcțional complet al hemoglobinei , în care cuprul este inclus într-un complex cu un inel de porfirină , similar cu hemul hemoglobinei [9] [8] .
În prima jumătate a secolului al XX-lea , au fost descoperite diferențe în structura hemoglobinei și hemocianinei. În special, s-a constatat că hemocianina nu are un inel de porfirină. Grupul protetic presupus al hemocianinei a fost denumit „hemocuprina” [8] . Mai târziu, a devenit cunoscut faptul că cuprul din subunitatea hemocianinei este direct legat de lanțurile proteice și nu există un grup protetic ca atare [9] [8] .
În a doua jumătate a secolului al XX-lea, au fost studiate diferite niveluri ale structurii hemocianinei, proprietățile sale și diferențele de hemocianine la diferite specii. A fost studiată și secvența genetică a hemocianinelor, pe baza căreia s-au făcut noi presupuneri cu privire la relația diferitelor grupuri de artropode și moluște. Se studiază posibilitatea utilizării hemocianinei în medicină [9] .
Subunitatea hemocianină a artropodelor are o greutate moleculară de aproximativ 72 kilodaltoni și este subdivizată în 3 domenii , fiecare dintre acestea fiind caracterizat de o structură terțiară diferită : domeniul I conține 5 sau 6 elice alfa , domeniul Il - 4 elice alfa și un centru activ, domeniul III - baril beta antiparalel ( en:beta-barrel ), format din 7 liste beta [11] [12] . Greutatea moleculară a subunității hemocianinei moluște este mult mai mare decât cea a artropodelor și este în medie de 350-400 kDa [2] , dar poate ajunge la 550 kDa [10] . Subunitatea conține 7 sau 8 elemente funcționale. Fiecare element funcțional este subdivizat în 2 domenii . Domeniul α conține 4 elice alfa și un situs activ, în timp ce domeniul β conține un butoi beta antiparalel format din 7 foi Β [13] . Astfel, domeniul α și domeniul β al hemocianinei de moluște corespund funcțional domeniilor II și III ale hemocianinei artropodelor.
Structura centrului activ este aceeași pentru hemocianinele de artropode și moluște. Conține doi cationi de cupru foarte distanțați , care leagă reversibil o moleculă de oxigen într-un complex. Fiecare cation de cupru este coordonat de trei grupe imidazol (reziduuri de histidină ); în timpul oxigenării, o moleculă de oxigen este intercalată între acești cationi. Lanțul peptidic formează bucle, fie apropiindu-se de site-ul activ, fie îndepărtându-se de acesta, cea mai mare buclă (separând reziduurile de histidină His204 și His324) constă din 119 resturi de aminoacizi [14] .
În forma neoxidată, cationii de cupru sunt în starea de oxidare +1 , distanțați la o distanță de 4,6 Å unul de celălalt și nu există nicio legătură chimică între ei. Configurația N–Cu–N este apropiată de triunghiulară, iar distanțele Cu–N sunt în intervalul 1,9–2,1 Å. Când sunt oxigenați, ionii de cupru capătă o stare de oxidare de +2. Cationii de cupru se apropie unul de celălalt, iar distanța Cu–Cu este de 3,6 Å, iar distanța Cu–O este de 1,8–1,9 Å. Ca urmare a apropierii ionilor de cupru, unghiurile N–Cu–N se apropie de tetraedric . În plus, legăturile Cu–N devin inegale ca lungime: în mediul fiecărui ion , două legături au o lungime de 1,9–2,0 Å, iar a treia legătură se prelungește la 2,3 Å [14] .
Subunitatea hemocianinei este un complex de cupru și proteine . Spre deosebire de hemoglobină, atomii de metal sunt legați direct de aminoacid și nu de gruparea protetică [15] .
Monomerul hemocianin al artropodului este format din 6 subunități și are formă octaedrică . La artropode, hemocianina este prezentă ca monomeri (1×6), dimeri (2×6), tetrameri (4×6), hexameri (6×6) și octameri (8×6) [2] [4] .
Subunitatea hemocianinei de moluște, așa cum s-a menționat deja, constă din 7 sau 8 locuri active , spre deosebire de hemocianina de artropode, a cărei subunitate are un singur loc activ. Forma moleculei seamănă cu un cilindru gol [2] . Hemocianina din moluște poate fi reprezentată ca decameri (1x10) și didecameri (2x10), dar adesea combinate în ansambluri foarte mari [2] . Astfel, moleculele de hemocianină de melc pot atinge o greutate moleculară de peste 9 milioane de daltoni, fiind unul dintre cei mai mari compuși organici [16] . Dimensiunile atât de mari ale hemocianinei permit ca proprietățile sale de cooperare să se manifeste mai bine.
În 2002, hemocianina a fost descoperită la un membru de tip Onychophora [3] . După structură, această substanță este similară cu hemocianina artropodelor [3] .
Hemocianina, ca și hemoglobina, prezintă cooperare , adică atunci când o moleculă de oxigen este atașată de o subunitate, crește afinitatea pentru oxigen a subunităților învecinate. Coopertivitatea hemocianinei de moluște este relativ scăzută ( coeficientul Hill este de aproximativ 2), cooperativitatea hemocianinei de artropode este mult mai mare (valoarea coeficientului Hill poate ajunge la 9) [2] .
Spre deosebire de hemoglobina, care face parte din eritrocite , moleculele de hemocianina sunt dizolvate in hemolimfa [2] . Datorită acestui fapt, monomerii hemocianinei se pot combina în complexe foarte mari, ceea ce îi permite să-și manifeste mai bine proprietățile de cooperare și, în general, să transporte mai bine oxigenul. Acest lucru este deosebit de important pentru organismele care trăiesc în medii cu oxigen scăzut. Conținutul de hemocianină în hemolimfa moluștelor variază de la 1–3% la chiton en: Cryptochiton stelleri până la 11% la caracatiță Octopus vulgaris [17] . Conținutul de crustacee din hemolimfă variază și la diferite specii într-un interval destul de larg, de la 3 la 10% [18] . În hipoxia cronică , concentrația de hemocianină în hemolimfă crește semnificativ, compensând lipsa de oxigen din apă [18] . Analiza conținutului de hemocianine din sângele crustaceelor marine poate fi utilizată pentru a monitoriza starea mediului [18] .
Profilul de legare a oxigenului este afectat semnificativ de conținutul de ioni din hemolimfă și de pH [19] [20] . S-a stabilit că o modificare a temperaturii corporale a artropodelor duce la o modificare a factorului pH al hemolimfei . O creștere a temperaturii cu 10 grade reduce pH-ul cu 0,3 [19] [20] . Astfel, prin modificări ale pH-ului hemolimfei, artropodele adaptează capacitatea de a transporta oxigen și proprietățile de cooperare ale hemocianinei la condițiile de mediu [2] . Studiile au arătat că aproape toată hemocianina crabului rege , care trăiește în apă cu o temperatură de +1 ... + 5 °, este într-o formă neoxidată, în timp ce hemocianina tarantulei Eurypelma californicum , care trăiește în deșerturile din sud-vestul Statelor Unite la temperaturi de la + 30 °, mai mult de 90% oxigenat [2] [21] .
Hemocianina se poate lega nu numai cu oxigenul, ci și cu monoxidul de carbon , formând carboxihemocianina. Acest lucru relevă și un efect de cooperare [22] .
Sinteza hemocianinei în gasteropode este realizată de celulele poroase ale țesutului conjunctiv . La cefalopode, pereții inimii branhiale sunt locul sintezei hemocianinei [23] .
Hematopoieza artropodelor a fost studiată mai detaliat. Nu au organe hematopoietice specializate , focarele individuale de hematopoieza pot fi localizate în țesutul conjunctiv și în pereții vaselor de sânge . La crustacee , sinteza hemocianinei este realizată de celule sanguine speciale - cianocite , care se dezvoltă din cianoblaste. Cianocitele mature secretă hemocianina în hemolimfă [24] . La crabii potcoave , focarele hematopoietice sunt grupuri disjuncte de hemocite în țesutul conjunctiv și spațiile sinusurilor, unde din acestea se formează cianocite , similare cu cianocitele crustaceelor [25] [26] .
Hemocianina poate acționa nu numai ca purtător de oxigen, ci poate îndeplini și alte funcții.
Uneori, hemocianinele acționează ca tirozinază , o enzimă care catalizează oxidarea tirozinei . Astfel de hemocianine nu conțin aminoacizi care împiedică apropierea fenolilor de centrii activi ai enzimei . Trebuie remarcat faptul că hemocianinele și tirozinazele au o origine comună și s-au separat acum aproximativ 700 de milioane de ani. Chelicerae , precum păianjenii și scorpionii , pot cataliza sinteza melaninei cu ajutorul hemocianinei [27] . Se poate presupune existența unui mecanism similar la alte artropode, precum și la moluște. Unele arahnide au două tipuri de hemocianine simultan. Unul este implicat în transferul de oxigen, iar celălalt catalizează oxidarea tirozinei [2] .
S-a descoperit că unele crustacee au un compus apropiat de hemocianina numit criptocianină . Criptocianina și-a pierdut capacitatea de a lega oxigenul și este o proteină structurală care controlează procesele de năpârlire a crustaceelor [28] .
La insecte , proteina hexamerină este prezentă . Se presupune că provine din hemocianină, dar și-a pierdut atomi de cupru și, ca urmare, capacitatea de a lega oxigenul [29] . Hexamerina de insecte servește ca rezervă de nutrienți [29] . Este interesant de observat că în 2003 , hemocianina, un purtător de oxigen, a fost găsită și într-o insectă, musca de piatră Perla marginata . În același timp, structura acestei hemocianine diferă de hemocianina altor artropode - subunitatea sa conține doi centri activi și, în consecință, 4 atomi de cupru [6] .
Hemocianinele atât ale artropodelor, cât și ale moluștelor sunt derivate din tirozinaze [30] . Cu toate acestea, calea lor evolutivă la aceste tipuri de animale este diferită. În prima etapă a evoluției hemocianinei artropodelor a avut loc o duplicare a genei tirozinazei (sau a unei enzime similare), datorită căreia a apărut o proteină care avea 2 atomi de cupru și era capabilă să lege oxigenul. Ulterior, această proteină a dobândit capacitatea de polimerizare , ceea ce a fost important pentru manifestarea proprietăților de cooperare [31] . Hemocianina de moluște a trecut prin 3 duplicări de gene, rezultând subunitatea hemocianinei de moluște care conține 8 situsuri active [31] . Hemocianinele artropodelor și moluștelor au diferențe semnificative atât în structura lor cuaternară, cât și în secvența lor genetică. Acest lucru sugerează că au apărut în aceste grupuri independent unul de celălalt [30] .
Divergența hemocianinelor de la chelicere și crustacee a avut loc acum aproximativ 600 de milioane de ani. Hemocianina cheliceric are o structură destul de conservatoare. Divergența hemocianinei arahnidei de alte chelicere a avut loc acum 550-450 de milioane de ani. Vârsta de divergență a hemocianinelor de la raci superiori ( Malacostraca ) și hexamerinele de insecte este estimată la 430-440 de milioane de ani. Divergența hemocianinelor în cadrul grupului de crustacee a început mult mai târziu, cu aproximativ 200 de milioane de ani în urmă. Criptocianinele care nu transportă oxigen din decapode ( Decapoda ) s-au separat de linia principală cu aproximativ 215 milioane de ani în urmă. Momentul divergenței hemocianinei în diferite grupuri de artropode poate susține teoria unei origini comune a racilor cu șase picioare și mai mari [32] [29] [33] . Se poate observa o tendință de scădere a numărului de monomeri hemocianinici din subunitate în timpul evoluției [30] .
Hemocianina onychophora , descoperită în 2002, s-a separat de ramura comună a artropodelor înainte de a începe divergența în cadrul grupului de artropode, cu toate acestea, aceste hemocianine au o origine comună [3] .
Studiul evoluției hemocianinelor a făcut posibilă clarificarea relației dintre diferitele grupuri de artropode și moluște [29] .
Se studiază posibilitatea utilizării hemocianinei în medicină ca componentă a vaccinurilor antitumorale. În formarea de conjugate cu antigene tumorale , crește semnificativ imunogenitatea acestora. Acest adjuvant ajută la depășirea toleranței imunologice sau la creșterea răspunsului imun la antigenele gangliozide (GM2, GD2, GD3). Un nivel ridicat de răspuns imun al celulelor T a fost găsit atunci când se utilizează conjugate de hemocianină cu mucină [34] [35] . Se presupune că pot fi folosite și în tehnologia de obținere a vaccinurilor dendritice. Vaccinurile împotriva cancerului sunt studiate clinic folosind acest adjuvant în combinație cu anticorpi idiotipici în limfomul cu celule B și anticorpi anti-idiotipici în carcinomul colorectal [36] [37] .