stringtranslate.com

гемоцианин

Гемоцианины (также называемые гемоцианинами и сокращенно Hc ) представляют собой белки , которые транспортируют кислород по телу некоторых беспозвоночных животных. Эти металлопротеины содержат два атома меди , которые обратимо связывают одну молекулу кислорода (О 2 ). По частоте использования в качестве молекул-переносчиков кислорода они уступают только гемоглобину . В отличие от гемоглобина в эритроцитах , обнаруженного у позвоночных , гемоцианины не задерживаются в клетках крови, а суспендируются 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 Бизио в 1833 году. [2] Гемоцианины обнаружены у моллюсков и членистоногих , включая головоногих и ракообразных , и используются некоторыми наземными членистоногими. такие как тарантул Eurypelma Californicum , [3] императорский скорпион , [4] и многоножка Scutigera coleoptrata . Кроме того, запасные белки личинок у многих насекомых, по-видимому, происходят из гемоцианинов. [5]

Суперсемейство гемоцианинов

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

Фенолоксидазы представляют собой медьсодержащие тирозиназы. Эти белки участвуют в процессе склеротизации кутикулы членистоногих, заживлении ран и гуморальной иммунной защите. Фенолоксидаза синтезируется зимогенами и активируется путем расщепления N-концевого пептида . [7]

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

Генетические последовательности псевдогемоцианинов и криптоцианинов тесно связаны с гемоцианинами ракообразных. Эти белки имеют схожую структуру и функции, но лишены мест связывания меди . [9]

Эволюционные изменения в филогении суперсемейства гемоцианинов тесно связаны с появлением этих различных белков у разных видов. Понимание белков этого суперсемейства не было бы понятным без обширных исследований гемоцианина у членистоногих. [10]

Структура и механизм

Хотя дыхательная функция гемоцианина аналогична функции гемоглобина, существует значительное количество различий в его молекулярной структуре и механизме. В то время как гемоглобин несет атомы железа в порфириновых кольцах ( гемовых группах), атомы меди в гемоцианине связаны как простетические группы, координируемые остатками гистидина . Каждый мономер гемоцианина удерживает пару катионов меди(I) за счет взаимодействия с имидазольными кольцами шести остатков гистидина. [11] Было отмечено, что к видам, использующим гемоцианин для транспортировки кислорода, относятся ракообразные, живущие в холодных средах с низким давлением кислорода. В этих условиях транспорт кислорода гемоглобином менее эффективен, чем транспорт кислорода гемоцианином. [12] Тем не менее, существуют также наземные членистоногие, использующие гемоцианин, особенно пауки и скорпионы, которые живут в теплом климате. Молекула конформационно стабильна и полноценно функционирует при температуре до 90 градусов С. [13]

Большинство гемоцианинов связываются с кислородом некооперативно и примерно в четыре раза эффективнее гемоглобина при транспортировке кислорода на единицу количества крови. Гемоглобин кооперативно связывает кислород из-за изменений стерической конформации белкового комплекса , что увеличивает сродство гемоглобина к кислороду при частичном насыщении кислородом. У некоторых гемоцианинов мечехвостов и некоторых других видов членистоногих наблюдается кооперативное связывание с коэффициентами Хилла 1,6–3,0. Коэффициенты Хилла варьируются в зависимости от вида и настроек лабораторных измерений. Гемоглобин, для сравнения, имеет коэффициент Хилла обычно 2,8–3,0. В этих случаях кооперативного связывания гемоцианин располагался в виде белковых субкомплексов из 6 субъединиц (гексамеров) каждый с одним сайтом связывания кислорода; связывание кислорода с одной единицей комплекса увеличит сродство соседних единиц. Каждый гексамерный комплекс был организован вместе, образуя более крупный комплекс из десятков гексамеров. В одном исследовании было обнаружено, что кооперативное связывание зависит от расположения гексамеров вместе в более крупном комплексе, что предполагает кооперативное связывание между гексамерами. На профиль связывания кислорода гемоцианином также влияют уровни растворенных ионов солей и pH . [14]

Гемоцианин состоит из множества отдельных белков-субъединиц, каждая из которых содержит два атома меди и может связывать одну молекулу кислорода (О 2 ). Каждая субъединица весит около 75 килодальтон (кДа). Субъединицы могут быть организованы в димеры или гексамеры в зависимости от вида; димерный или гексамерный комплекс также организован в цепочки или кластеры с массой более 1500 кДа. Субъединицы обычно однородны или гетерогенны с двумя вариантными типами субъединиц. Из-за большого размера гемоцианина он обычно находится в крови в свободном состоянии, в отличие от гемоглобина. [15]

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

Гексамеры характерны для гемоцианинов членистоногих. [17] Гемоцианин птицееда Eurypelma Californicum [3] состоит из 4 гексамеров или 24 пептидных цепей. Гемоцианин домашней многоножки Scutigera coleoptrata [18] состоит из 6 гексамеров или 36 цепей. Подковообразные крабы содержат 8-гексамерный (т.е. 48-цепочечный) гемоцианин. Простые гексамеры обнаружены у лангуста Panulirus ignoreus и изоподы Bathynomus giganteus . [17] Пептидные цепи у ракообразных имеют длину около 660 аминокислотных остатков, а у хелицератов — около 625. В больших комплексах существует множество вариантов цепей, все примерно одинаковой длины; чистые компоненты обычно не собираются самостоятельно. [ нужна цитата ]

Каталитическая активность

Активный центр гемоцианина в отсутствие O 2 (каждый центр Cu представляет собой катион, заряды не показаны).
O 2 -связанная форма активного центра гемоцианина (центр Cu 2 представляет собой дикатион, заряд не показан).

Гемоцианин гомологичен фенолоксидазам (например, тирозиназе ), поскольку оба белка имеют остатки гистидина , называемые медь-связывающими координационными центрами «типа 3», как и ферменты тирозиназа и катехолоксидаза . [19] В обоих случаях неактивные предшественники ферментов (также называемые зимогенами или проферментами) должны быть активированы в первую очередь. Это достигается путем удаления аминокислоты, которая блокирует входной канал в активный центр, когда профермент неактивен. В настоящее время не существует других известных модификаций, необходимых для активации профермента и обеспечения каталитической активности. Конформационные различия определяют тип каталитической активности, которую способен осуществлять гемоцианин. [20] Гемоцианин также проявляет фенолоксидазную активность, 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 сторона панциря красного каменного краба ( Cancer Productus ). Фиолетовая окраска обусловлена ​​гемоцианином.

Спектроскопия оксигемоцианина демонстрирует несколько существенных особенностей: [21]

  1. Резонансная рамановская спектроскопия показывает, что O2 связан в симметричном окружении (ν(OO) не допускается для ИК-излучения).
  2. OxyHc не содержит ЭПР , что указывает на отсутствие неспаренных электронов.
  3. Инфракрасная спектроскопия показывает ν(OO) 755 см -1.

Много работ посвящено получению синтетических аналогов активного центра гемоцианина. [21] Одна такая модель, которая имеет пару медных центров, соединенных боковыми мостиками пероксо-лигандом, показывает ν(OO) при 741 см -1 и УФ-Вид спектр с поглощением при 349 и 551 нм. Оба этих измерения согласуются с экспериментальными наблюдениями для oxyHc. [22] Расстояние Cu-Cu в модельном комплексе составляет 3,56 Å, расстояние оксигемоцианина составляет ок. 3,6 Å (дезоксиHc: около 4,6 Å). [22] [23] [24]

Противораковые эффекты

Гемоцианин, обнаруженный в крови чилийского морского ушка Concholepas concholepas , оказывает иммунотерапевтическое действие против рака мочевого пузыря на мышиных моделях. Мышам вводили C. concholepas перед имплантацией клеток опухоли мочевого пузыря (MBT-2). Мыши, получавшие гемоцианин C. concholepas, продемонстрировали противоопухолевые эффекты: продлили выживаемость, снизили рост и заболеваемость опухолью, а также отсутствие токсических эффектов и могут потенциально использоваться в будущей иммунотерапии поверхностного рака мочевого пузыря. [25]

Гемоцианин улитки замочной скважины (KLH) представляет собой иммуностимулятор, полученный из циркулирующих гликопротеинов морского моллюска Megathura crenulata . Было показано, что KLH является важным средством лечения пролиферации клеток рака молочной железы, рака поджелудочной железы и рака простаты при доставке in vitro. Гемоцианин улитки замочной скважины ингибирует рост рака пищевода Барретта человека посредством как апоптического, так и неапоптического механизмов гибели клеток. [26]

Тематические исследования: влияние окружающей среды на уровень гемоцианина

Исследование 2003 года влияния условий культивирования метаболитов крови и гемоцианина белой креветки Litopenaeus vannamei показало, что на уровни гемоцианина, в частности оксигемоцианина, влияет диета. В исследовании сравнивались уровни оксигемоцианина в крови белых креветок, содержащихся в закрытом пруду с коммерческим рационом, с уровнем белых креветок, содержащихся в открытом пруду с более доступным источником белка (натуральный живой корм). Уровни оксигемоцианина и глюкозы в крови были выше у креветок, содержащихся в открытых прудах. Также было обнаружено, что уровни метаболитов в крови имеют тенденцию быть ниже у видов с низким уровнем активности, таких как крабы, омары и креветки, живущие в помещении, по сравнению с креветками, живущими на открытом воздухе. Эта корреляция, возможно, свидетельствует о морфологической и физиологической эволюции ракообразных. Уровни этих белков и метаболитов крови, по-видимому, зависят от энергетических потребностей и доступности этих источников энергии. [27]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab Коутс CJ, Нэрн Дж (июль 2014 г.). «Разнообразные иммунные функции гемоцианинов». Развивающая и сравнительная иммунология . 45 (1): 43–55. дои : 10.1016/j.dci.2014.01.021. ПМИД  24486681.
  2. ^ Гиретти-Магальди А, Гиретти Ф (1992). «Предыстория гемоцианина. Открытие меди в крови моллюсков». Эксперименты . 48 (10): 971–972. дои : 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 птицееда Eurypelma Californicum. Структура и внутримолекулярная эволюция субъединиц». Журнал биологической химии . 275 (50): 39339–39344. дои : 10.1074/jbc.M005442200 . ПМИД  10961996.
  4. ^ Янике Э., Пайрет Б., Хартманн Х., Декер Х. (2012). «Кристаллизация и предварительный анализ кристаллов 24-мерного гемоцианина императорского скорпиона (Pandinus Emperor)». ПЛОС ОДИН . 7 (3): e32548. Бибкод : 2012PLoSO...732548J. дои : 10.1371/journal.pone.0032548 . ПМК 3293826 . ПМИД  22403673. 
    • «Голубая кровь императорского скорпиона, пройденная рентгеном». Йоханнес Гутенберг-Университет Майнца . 22 июня 2012 г.
  5. ^ Beintema JJ, Stam WT, Hazes B, Smidt MP (май 1994 г.). «Эволюция гемоцианинов членистоногих и запасных белков насекомых (гексамеринов)». Молекулярная биология и эволюция . 11 (3): 493–503. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040129 . ПМИД  8015442.
  6. ^ Бурместер Т (февраль 2002 г.). «Происхождение и эволюция гемоцианинов членистоногих и родственных белков». Журнал сравнительной физиологии B: Биохимическая, системная и физиология окружающей среды . 172 (2): 95–107. дои : 10.1007/s00360-001-0247-7. PMID  11916114. S2CID  26023927.
  7. ^ Церениус Л., Сёдерхалл К. (апрель 2004 г.). «Система активации профенолоксидазы у беспозвоночных». Иммунологические обзоры . 198 (1): 116–126. дои : 10.1111/j.0105-2896.2004.00116.x. PMID  15199959. S2CID  10614298.
  8. ^ Тервиллигер Н.Б. (1999). «Гемолимфальные белки и линька у ракообразных и насекомых». Американский зоолог . 39 (3): 589–599. дои : 10.1093/icb/39.3.589 .
  9. ^ Тервиллигер Н.Б., Данготт Л., Райан М. (март 1999 г.). «Криптоцианин, белок линьки ракообразных: эволюционная связь с гемоцианинами членистоногих и гексамеринами насекомых». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (5): 2013–2018. Бибкод : 1999ПНАС...96.2013Т. дои : 10.1073/pnas.96.5.2013 . ПМК 26728 . ПМИД  10051586. 
  10. ^ Бурместер Т (февраль 2001 г.). «Молекулярная эволюция суперсемейства гемоцианинов членистоногих». Молекулярная биология и эволюция . 18 (2): 184–195. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a003792 . ПМИД  11158377.
  11. ^ Раннулу Н.С., Роджерс М.Т. (март 2005 г.). «Сольватация ионов меди имидазолом: структуры и последовательные энергии связи Cu + (имидазол) x, x = 1-4. Конкуренция между сольватацией ионов и водородными связями». Физическая химия Химическая физика . 7 (5): 1014–1025. Бибкод : 2005PCCP....7.1014R. дои : 10.1039/b418141g. ПМИД  19791394.
  12. ^ Стробель А, Ху М.Ю., Гутовска М.А., Либ Б., Лукассен М., Мельцнер Ф. и др. (декабрь 2012 г.). «Влияние температуры, гиперкапнии и развития на относительную экспрессию различных изоформ гемоцианина у обыкновенной каракатицы Sepia officinalis» (PDF) . Журнал экспериментальной зоологии. Часть А. Экологическая генетика и физиология . 317 (8): 511–523. дои : 10.1002/jez.1743. ПМИД  22791630.
  13. ^ Стернер Р., Фогль Т., Хинц Х.Дж., Пенц Ф., Хофф Р., Фёлль Р., Декер Х. (май 1995 г.). «Чрезвычайная термостабильность гемоцианина тарантула». Письма ФЭБС . 364 (1): 9–12. дои : 10.1016/0014-5793(95)00341-6. ПМИД  7750550.
  14. ^ Пертон Ф.Г., Бейнтема Дж.Дж., Декер Х. (май 1997 г.). «Влияние связывания антител на кислородное поведение гемоцианина Panulirus прерывания». Письма ФЭБС . 408 (2): 124–126. дои : 10.1016/S0014-5793(97)00269-X. ПМИД  9187351.
  15. ^ Ваксман Л. (май 1975 г.). «Структура гемоцианинов членистоногих и моллюсков». Журнал биологической химии . 250 (10): 3796–3806. дои : 10.1016/S0021-9258(19)41469-5 . ПМИД  1126935.
  16. ^ Гай, Цзуоци; Мацуно, Аска; Като, Кодзи; Като, Санаэ; Хан, доктор Рафикул Ислам; Симидзу, Такеши; Ёсиока, Такея; Като, Юки; Кисимура, 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». Состав . 23 (12): 2204–2212. doi : 10.1016/j.str.2015.09.008 .
  17. ^ Аб ван Холде К.Е., Миллер К.И. (1995). «Гемоцианины». В Anfinsen CB, Richards FM, Edsall JT, Eisenberg DS (ред.). Достижения в области химии белков . Том. 47. Академическая пресса. стр. 1–81. дои : 10.1016/S0065-3233(08)60545-8. ISBN 978-0-12-034247-1. ПМИД  8561049.
  18. ^ Куше К., Хембах А., Хагнер-Холлер С., Гебауэр В., Бурместер Т. (июль 2003 г.). «Полные последовательности субъединиц, структура и эволюция 6 x 6-мерного гемоцианина из обычной домашней многоножки Scutigera coleoptrata». Европейский журнал биохимии . 270 (13): 2860–2868. дои : 10.1046/j.1432-1033.2003.03664.x . ПМИД  12823556.
  19. ^ аб Декер Х, Тучек Ф (август 2000 г.). «Тирозиназная/катехолоксидазная активность гемоцианинов: структурная основа и молекулярный механизм». Тенденции биохимических наук . 25 (8): 392–397. дои : 10.1016/S0968-0004(00)01602-9. ПМИД  10916160.
  20. ↑ Декер Х, Швейкардт Т, Ниллиус Д, Зальцбрунн Ю, Янике Э, Тучек Ф (август 2007 г.). «Подобная активация ферментов и катализ в гемоцианинах и тирозиназах». Джин . 398 (1–2): 183–191. дои : 10.1016/j.gene.2007.02.051. ПМИД  17566671.
  21. ^ аб Элвелл CE, Ганьон Н.Л., Нейсен Б.Д., Дхар Д., Спэт А.Д., Йи ГМ, Толман В.Б. (февраль 2017 г.). «Возвращение к медно-кислородным комплексам: структура, спектроскопия и реакционная способность». Химические обзоры . 117 (3): 2059–2107. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00636. ПМЦ 5963733 . ПМИД  28103018. 
  22. ^ ab Китаджима Н., Фудзисава К., Фудзимото С., Морока Ю., Хасимото С., Китагава Т. и др. (1992). «Новая модель связывания дикислорода в гемоцианине. Синтез, характеристика и молекулярная структура пероксо-двуядерных комплексов меди(II) μ-η2:η2, [Cu(BH(3,5-R2pz)3)]2(O2)» (R = i-Pr и Ph)». Журнал Американского химического общества . 114 (4): 1277–91. дои : 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 и переносящего кислород 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 Ю., Кано К., Хирота С., Фудзинами С. и др. (1999). «Кристаллическая структура и обратимое связывание O2 стабильного при комнатной температуре комплекса μ-η2:η2-пероксодимеди (II) стерически затрудненного гексапиридинового двуядерного лиганда». Журнал Американского химического общества . 121 (47): 11006–7. дои : 10.1021/ja992295q.
  25. ^ Атала А (2006). «Этот месяц в следственной урологии». Журнал урологии . 176 (6): 2335–6. дои : 10.1016/j.juro.2006.09.002.
  26. ^ Макфадден Д.В., Риггс Д.Р., Джексон Б.Дж., Вона-Дэвис Л. (ноябрь 2003 г.). «Гемоцианин улитки замочной скважины, новый иммуностимулятор с многообещающей противораковой активностью при аденокарциноме пищевода Барретта». Американский журнал хирургии . 186 (5): 552–555. doi : 10.1016/j.amjsurg.2003.08.002. ПМИД  14599624.
  27. ^ Паскуаль С., Гаксиола Г., Росас С. (2003). «Метаболиты крови и гемоцианин белой креветки Litopenaeus vannamei: влияние условий культивирования и сравнение с другими видами ракообразных». Морская биология . 142 (4): 735–745. дои : 10.1007/s00227-002-0995-2. S2CID  82961592.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме гемоцианина .