stringtranslate.com

Гемоцианин

Гемоцианины (также пишутся как гемоцианины и сокращенно Hc ) — это белки , которые переносят кислород по всему телу некоторых беспозвоночных животных. Эти металлопротеины содержат два атома меди , которые обратимо связывают одну молекулу кислорода (O2 ) . По частоте использования в качестве молекулы переноса кислорода они уступают только гемоглобину . В отличие от гемоглобина в эритроцитах , обнаруженных у позвоночных , гемоцианины не заключены в клетки крови, а вместо этого находятся непосредственно в гемолимфе . Оксигенация вызывает изменение цвета между бесцветной дезоксигенированной формой Cu(I) и синей оксигенированной формой Cu(II). [1]

Распространение видов

Гемоцианин был впервые обнаружен у Octopus vulgaris Леоном Фредериком в 1878 году. Присутствие меди в моллюсках было обнаружено еще раньше Бартоломео Бицио в 1833 году. [2] Гемоцианины обнаружены у Mollusca и Arthropoda , включая головоногих и ракообразных , и используются некоторыми наземными членистоногими, такими как тарантул Eurypelma californicum , [3] императорский скорпион , [4] и многоножка Scutigera coleoptrata . Кроме того, личиночные запасные белки у многих насекомых, по-видимому, происходят из гемоцианинов. [5]

Суперсемейство гемоцианинов

Суперсемейство гемоцианинов членистоногих состоит из фенолоксидаз , гексамеринов, псевдогемоцианинов или криптоцианинов и рецепторов гексамерина ( двукрылых насекомых ). [6]

Фенолоксидазы — это содержащие медь тирозиназы. Эти белки участвуют в процессе склеротизации кутикулы членистоногих, в заживлении ран и гуморальной иммунной защите. Фенолоксидазы синтезируются зимогенами и активируются путем расщепления N-концевого пептида . [7]

Гексамерины — это запасные белки, которые обычно встречаются у насекомых. Эти белки синтезируются жировым телом личинки и связаны с циклами линьки или условиями питания. [8]

Генетические последовательности псевдогемоцианина и криптоцианина тесно связаны с гемоцианинами ракообразных. Эти белки имеют схожую структуру и функцию, но не имеют участков связывания меди . [9]

Эволюционные изменения в филогении надсемейства гемоцианинов тесно связаны с появлением этих различных белков у различных видов. Понимание белков в этом надсемействе не было бы хорошо понято без обширных исследований гемоцианина у членистоногих. [10]

Структура и механизм

Хотя дыхательная функция гемоцианина похожа на функцию гемоглобина, существует значительное количество различий в его молекулярной структуре и механизме. В то время как гемоглобин переносит свои атомы железа в порфириновых кольцах ( гемовых группах), атомы меди гемоцианина связаны как простетические группы, координируемые остатками гистидина . Каждый мономер гемоцианина удерживает пару катионов меди(I) на месте посредством взаимодействий с имидазольными кольцами шести остатков гистидина. [11] Было отмечено, что виды, использующие гемоцианин для транспортировки кислорода, включают ракообразных, живущих в холодных средах с низким давлением кислорода. В этих обстоятельствах транспортировка кислорода гемоглобином менее эффективна, чем транспортировка кислорода гемоцианином. [12] Тем не менее, есть также наземные членистоногие, использующие гемоцианин, в частности пауки и скорпионы, которые живут в теплом климате. Молекула конформационно стабильна и полностью функционирует при температурах до 90 градусов по Цельсию. [13]

Большинство гемоцианинов связываются с кислородом некооперативно и примерно в четыре раза менее эффективны, чем гемоглобин, при транспортировке кислорода на единицу объема крови. Гемоглобин связывает кислород кооперативно из-за стерических конформационных изменений в белковом комплексе , что увеличивает сродство гемоглобина к кислороду при частичном насыщении кислородом. В некоторых гемоцианинах мечехвостов и некоторых других видов членистоногих наблюдается кооперативное связывание с коэффициентами Хилла 1,6–3,0. Коэффициенты Хилла варьируются в зависимости от вида и лабораторных настроек измерений. Гемоглобин, для сравнения, имеет коэффициент Хилла обычно 2,8–3,0. В этих случаях кооперативного связывания гемоцианин был организован в белковые субкомплексы из 6 субъединиц (гексамеров), каждая с одним сайтом связывания кислорода; связывание кислорода с одной единицей в комплексе увеличило бы сродство соседних единиц. Каждый комплекс гексамеров был организован вместе, образуя более крупный комплекс из десятков гексамеров. В одном исследовании было обнаружено, что кооперативное связывание зависит от гексамеров, расположенных вместе в более крупном комплексе, что предполагает кооперативное связывание между гексамерами. Профиль связывания кислорода гемоцианином также зависит от уровней растворенных солевых ионов и pH . [14]

Гемоцианин состоит из множества отдельных субъединичных белков, каждый из которых содержит два атома меди и может связывать одну молекулу кислорода (O 2 ). Каждая субъединица весит около 75 килодальтон (кДа). Субъединицы могут быть организованы в димеры или гексамеры в зависимости от вида; комплекс димера или гексамера также организован в цепи или кластеры с весом, превышающим 1500 кДа. Субъединицы обычно однородны или гетерогенны с двумя вариантами типов субъединиц. Из-за большого размера гемоцианина он обычно находится в крови свободно плавающим, в отличие от гемоглобина. [15]

Структура 3,8 МДа гемоцианина японского летающего кальмара -моллюска . Это гомодекамер из пяти димеров, организованных в цилиндр диаметром 31 нм. Каждый мономер имеет цепочку из восьми отдельных субъединиц, каждая из которых имеет сайт связывания Cu 2 O 2. [16] PDB : 4YD9

Гексамеры характерны для гемоцианинов членистоногих. [17] Гемоцианин тарантула Eurypelma californicum [3] состоит из 4 гексамеров или 24 пептидных цепей. Гемоцианин из домашней сороконожки Scutigera coleoptrata [18] состоит из 6 гексамеров или 36 цепей. У мечехвостов есть 8-гексамеров (т.е. 48-цепочечный) гемоцианин. Простые гексамеры обнаружены у лангуста Panulirus interruptus и равноногого рака Bathynomus giganteus . [17] Пептидные цепи у ракообразных имеют длину около 660 аминокислотных остатков, а у хелицеровых — около 625. В больших комплексах существует множество вариантов цепей, все примерно одинаковой длины; чистые компоненты обычно не самоорганизуются. [ требуется ссылка ]

Каталитическая активность

Активный центр гемоцианина в отсутствие O2 ( каждый центр Cu является катионом, заряды не показаны).
O 2 -связанная форма активного центра гемоцианина (центр Cu 2 является дикатионом, заряд не показан).

Гемоцианин гомологичен фенолоксидазам (например, тирозиназе ), поскольку оба белка имеют остатки гистидина , называемые координационными центрами связывания меди «типа 3», как и ферменты тирозиназа и катехолоксидаза . [19] В обоих случаях неактивные предшественники ферментов (также называемые зимогенами или проферментами) должны быть активированы первыми. Это делается путем удаления аминокислоты, которая блокирует входной канал в активный центр, когда профермент неактивен. В настоящее время нет других известных модификаций, необходимых для активации профермента и обеспечения каталитической активности. Конформационные различия определяют тип каталитической активности, которую способен выполнять гемоцианин. [20] Гемоцианин также проявляет активность фенолоксидазы , но с замедленной кинетикой из-за большего стерического объема в активном центре. Частичная денатурация фактически улучшает активность фенолоксидазы гемоцианина, обеспечивая больший доступ к активному центру. [1] [19]

Спектральные свойства

Нижняя часть панциря красного каменного краба ( Cancer productus ). Фиолетовая окраска обусловлена ​​гемоцианином.

Спектроскопия оксигемоцианина показывает несколько характерных особенностей: [21]

  1. Резонансная Рамановская спектроскопия показывает, что O
    2    связан в симметричной среде (ν(OO) не допускается в ИК-диапазоне).
  2. OxyHc не проявляет ЭПР, что указывает на отсутствие неспаренных электронов.
  3. Инфракрасная спектроскопия показывает ν(OO) 755 см −1

Много работы было посвящено получению синтетических аналогов активного центра гемоцианина. [21] Одна из таких моделей, которая включает пару медных центров, соединенных сбоку пероксолигандом, показывает ν(OO) при 741 см −1 и спектр УФ-Вид с поглощением при 349 и 551 нм. Оба эти измерения согласуются с экспериментальными наблюдениями для оксигемоцианина. [22] Разделение Cu-Cu в модельном комплексе составляет 3,56 Å, для оксигемоцианина оно составляет около 3,6 Å (дезоксиHc: около 4,6 Å). [22] [23] [24]

Противораковые эффекты

Гемоцианин, обнаруженный в крови чилийского морского ушка, Concholepas concholepas , обладает иммунотерапевтическим эффектом против рака мочевого пузыря в мышиных моделях. Мыши, обработанные C. concholepas перед имплантацией клеток опухоли мочевого пузыря (MBT-2). Мыши, обработанные гемоцианином C. concholepas, показали противоопухолевые эффекты: более длительное выживание, снижение роста и заболеваемости опухолей, отсутствие токсических эффектов и могут иметь потенциальное применение в будущей иммунотерапии поверхностного рака мочевого пузыря. [25]

Гемоцианин моллюска-улитки (KLH) является иммуностимулятором, полученным из циркулирующих гликопротеинов морского моллюска Megathura crenulata . Было показано, что KLH является значимым средством против пролиферации клеток рака молочной железы, рака поджелудочной железы и рака простаты при доставке in vitro. Гемоцианин моллюска-улитки ингибирует рост рака пищевода Барретта у человека как через апоптические, так и через неапоптические механизмы гибели клеток. [26]

Практические примеры: влияние окружающей среды на уровень гемоцианина

Исследование 2003 года влияния условий культивирования метаболитов крови и гемоцианина белой креветки Litopenaeus vannamei показало, что уровни гемоцианина, в частности оксигемоцианина, зависят от диеты. В исследовании сравнивались уровни оксигемоцианина в крови белой креветки, размещенной в закрытом пруду с коммерческой диетой, с уровнями оксигемоцианина в крови белой креветки, размещенной в открытом пруду с более доступным источником белка (естественный живой корм). Уровни оксигемоцианина и глюкозы в крови были выше у креветок, размещенных в открытых прудах. Также было обнаружено, что уровни метаболитов крови, как правило, были ниже у видов с низким уровнем активности, таких как крабы, омары и внутренние креветки, по сравнению с креветками на открытом воздухе. Эта корреляция, возможно, свидетельствует о морфологической и физиологической эволюции ракообразных. Уровни этих белков крови и метаболитов, по-видимому, зависят от энергетических потребностей и доступности этих источников энергии. [27]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Coates CJ, Nairn J (июль 2014 г.). «Различные иммунные функции гемоцианинов». Developmental and Comparative Immunology . 45 (1): 43–55. doi :10.1016/j.dci.2014.01.021. PMID  24486681.
  2. ^ Ghiretti-Magaldi A, Ghiretti F (1992). «Предыстория гемоцианина. Открытие меди в крови моллюсков». Experientia . 48 (10): 971–972. doi :10.1007/BF01919143. ISSN  0014-4754. S2CID  33290596.
  3. ^ ab Voit R, Feldmaier-Fuchs G, Schweikardt T, Decker H, Burmester T (декабрь 2000 г.). «Полная последовательность 24-мерного гемоцианина тарантула Eurypelma californicum. Структура и внутримолекулярная эволюция субъединиц». Журнал биологической химии . 275 (50): 39339–39344. doi : 10.1074/jbc.M005442200 . PMID  10961996.
  4. ^ Jaenicke E, Pairet B, Hartmann H, Decker H (2012). «Кристаллизация и предварительный анализ кристаллов 24-мерного гемоцианина императорского скорпиона (Pandinus imperator)». PLOS ONE . 7 (3): e32548. Bibcode : 2012PLoSO...732548J. doi : 10.1371/journal.pone.0032548 . PMC 3293826. PMID  22403673 . 
    • «Голубая кровь императорского скорпиона в рентгеновских лучах». Университет Майнца имени Иоганна Гутенберга . 22 июня 2012 г. Архивировано из оригинала 6 мая 2022 г. Получено 18 марта 2013 г.
  5. ^ Beintema JJ, Stam WT, Hazes B, Smidt MP (май 1994). «Эволюция гемоцианинов членистоногих и запасных белков насекомых (гексамеринов)». Молекулярная биология и эволюция . 11 (3): 493–503. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040129 . PMID  8015442.
  6. ^ Burmester T (февраль 2002 г.). «Происхождение и эволюция гемоцианинов членистоногих и родственных белков». Журнал сравнительной физиологии B: биохимическая, системная и экологическая физиология . 172 (2): 95–107. doi :10.1007/s00360-001-0247-7. PMID  11916114. S2CID  26023927.
  7. ^ Cerenius L, Söderhäll K (апрель 2004 г.). «Система активации профенолоксидазы у беспозвоночных». Immunological Reviews . 198 (1): 116–126. doi :10.1111/j.0105-2896.2004.00116.x. PMID  15199959. S2CID  10614298.
  8. ^ Terwilliger NB (1999). «Белки гемолимфы и линька у ракообразных и насекомых». American Zoologist . 39 (3): 589–599. doi : 10.1093/icb/39.3.589 .
  9. ^ Terwilliger NB, Dangott L, Ryan M (март 1999). «Криптоцианин, белок линьки ракообразных: эволюционная связь с гемоцианинами членистоногих и гексамеринами насекомых». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (5): 2013–2018. Bibcode : 1999PNAS...96.2013T. doi : 10.1073 /pnas.96.5.2013 . PMC 26728. PMID  10051586. 
  10. ^ Burmester T (февраль 2001 г.). «Молекулярная эволюция суперсемейства гемоцианинов членистоногих». Молекулярная биология и эволюция . 18 (2): 184–195. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a003792 . PMID  11158377.
  11. ^ Rannulu NS, Rodgers MT (март 2005). "Сольватация ионов меди имидазолом: структуры и последовательные энергии связывания Cu+(имидазола)x, x = 1-4. Конкуренция между сольватацией ионов и водородными связями". Physical Chemistry Chemical Physics . 7 (5): 1014–1025. Bibcode :2005PCCP....7.1014R. doi :10.1039/b418141g. PMID  19791394.
  12. ^ Strobel A, Hu MY, Gutowska MA, Lieb B, Lucassen M, Melzner F и др. (декабрь 2012 г.). «Влияние температуры, гиперкапнии и развития на относительную экспрессию различных изоформ гемоцианина у каракатицы Sepia officinalis» (PDF) . Журнал экспериментальной зоологии. Часть A, Экологическая генетика и физиология . 317 (8): 511–523. doi :10.1002/jez.1743. PMID  22791630.
  13. ^ Sterner R, Vogl T, Hinz HJ, Penz F, Hoff R, Föll R, Decker H (май 1995). "Экстремальная термостабильность гемоцианина тарантула". FEBS Letters . 364 (1): 9–12. doi :10.1016/0014-5793(95)00341-6. PMID  7750550.
  14. ^ Perton FG, Beintema JJ, Decker H (май 1997). «Влияние связывания антител на поведение связывания кислорода гемоцианином Panulirus interruptus». FEBS Letters . 408 (2): 124–126. doi :10.1016/S0014-5793(97)00269-X. PMID  9187351.
  15. ^ Waxman L (май 1975). «Структура гемоцианинов членистоногих и моллюсков». Журнал биологической химии . 250 (10): 3796–3806. doi : 10.1016/S0021-9258(19)41469-5 . PMID  1126935.
  16. ^ Гай, Цзуоци; Мацуно, Аска; Като, Кодзи; Като, Санаэ; Хан, доктор Рафикул Ислам; Симидзу, Такеши; Ёсиока, Такея; Като, Юки; Кишимура, Хидеки; Канно, Гаку; Миябе, Ёсикацу; Терада, Тору; Танака, Ёсиказу; Яо, Мин (2015). «Кристаллическая структура респираторной супермолекулы гемоцианина массой 3,8 МДа при разрешении 3,0 Å». Структура . 23 (12): 2204–2212. doi : 10.1016/j.str.2015.09.008 . ПМИД  26602184.
  17. ^ ab van Holde KE, Miller KI (1995). "Гемоцианины". В Anfinsen CB, Richards FM, Edsall JT, Eisenberg DS (ред.). Advances in Protein Chemistry . Vol. 47. Academic Press. pp. 1–81. doi :10.1016/S0065-3233(08)60545-8. ISBN 978-0-12-034247-1. PMID  8561049.
  18. ^ Kusche K, Hembach A, Hagner-Holler S, Gebauer W, Burmester T (июль 2003 г.). «Полные последовательности субъединиц, структура и эволюция 6 x 6-мерного гемоцианина из обычной домашней сороконожки Scutigera coleoptrata». European Journal of Biochemistry . 270 (13): 2860–2868. doi : 10.1046/j.1432-1033.2003.03664.x . PMID  12823556.
  19. ^ ab Decker H, Tuczek F (август 2000 г.). «Тирозиназная/катехолоксидазная активность гемоцианинов: структурная основа и молекулярный механизм». Trends in Biochemical Sciences . 25 (8): 392–397. doi :10.1016/S0968-0004(00)01602-9. PMID  10916160.
  20. ^ Decker H, Schweikardt T, Nillius D, Salzbrunn U, Jaenicke E, Tuczek F (август 2007 г.). «Похожая активация ферментов и катализ в гемоцианинах и тирозиназах». Gene . 398 (1–2): 183–191. doi :10.1016/j.gene.2007.02.051. PMID  17566671.
  21. ^ ab Elwell CE, Gagnon NL, Neisen BD, Dhar D, Spaeth AD, Yee GM, Tolman WB (февраль 2017 г.). «Повторный взгляд на комплексы меди и кислорода: структуры, спектроскопия и реакционная способность». Chemical Reviews . 117 (3): 2059–2107. doi :10.1021/acs.chemrev.6b00636. PMC 5963733 . PMID  28103018. 
  22. ^ ab Kitajima N, Fujisawa K, Fujimoto C, Morooka Y, Hashimoto S, Kitagawa T и др. (1992). "Новая модель связывания дикислорода в гемоцианине. Синтез, характеристика и молекулярная структура μ-η2:η2 пероксо-двуядерных комплексов меди(II), [Cu(BH(3,5-R2pz)3)]2(O2) (R = i-Pr и Ph)". Журнал Американского химического общества . 114 (4): 1277–91. doi :10.1021/ja00030a025.
  23. ^ Гайкема В.П., Хол В.Г., Верейкен Дж.М., Соетер Н.М., Бак Х.Дж., Бейнтема Дж.Дж. (1984). «Структура 3,2 Å медьсодержащего кислородпереносящего белка гемоцианина Panulirus прерывания». Природа . 309 (5963): 23–9. Бибкод : 1984Natur.309...23G. дои : 10.1038/309023a0. S2CID  4260701.
  24. ^ Кодера М., Катаяма К., Тачи Й., Кано К., Хирота С., Фудзинами С. и др. (1999). «Кристаллическая структура и обратимое связывание O2 стабильного при комнатной температуре комплекса μ-η2:η2-пероксодимедь(II) стерически затрудненного динуклеирующего лиганда гексапиридина». Журнал Американского химического общества . 121 (47): 11006–7. doi :10.1021/ja992295q.
  25. ^ Атала А (2006). «Этот месяц в исследовательской урологии». Журнал урологии . 176 (6): 2335–6. doi :10.1016/j.juro.2006.09.002.
  26. ^ McFadden DW, Riggs DR, Jackson BJ, Vona-Davis L (ноябрь 2003 г.). «Гемоцианин лимфы улитки, новый иммуностимулятор с многообещающей противораковой активностью при аденокарциноме пищевода Барретта». American Journal of Surgery . 186 (5): 552–555. doi :10.1016/j.amjsurg.2003.08.002. PMID  14599624.
  27. ^ Pascual C, Gaxiola G, Rosas C (2003). «Метаболиты крови и гемоцианин белой креветки Litopenaeus vannamei: влияние условий культивирования и сравнение с другими видами ракообразных». Marine Biology . 142 (4): 735–745. doi :10.1007/s00227-002-0995-2. S2CID  82961592.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Гемоцианин .