| Hæmocyanin | |
|---|---|
| Den indre overflade af skallen på Cancer productus- krabben er farvet lilla med hæmocyanin. | |
| Notation | |
| Symboler | Hcy |
| CAS | 9013-72-3 |
| Oplysninger i Wikidata ? | |
Hæmocyanin (fra andet græsk αἷμα - blod og andet græsk κυανoῦς - azurblå, blå) er et respiratorisk pigment fra gruppen af metalloproteiner , er en kobberholdig funktionel analog af hæmoglobin [1] . Det findes i blodet hos bløddyr , leddyr [2] og onychophora [3] . Inden for phylum Mollusca er hæmocyanin vidt udbredt blandt blæksprutter og nogle gastropoder . Inden for artropoder-typen - blandt hesteskokrabber , krebsdyr , arachnider [4] og tusindben [5] , og i 2003 blev den også fundet hos en repræsentant for klassen af insekter [6] . Det skal bemærkes, at bløddyrs og leddyrs hæmocyanin adskiller sig i struktur og nogle egenskaber, derudover er der hæmocyaniner, der udfører andre funktioner udover at transportere ilt til væv - ikke kun (og ikke så meget) respiration, men primært i ernæring [2] [7] . Så vi kan tale om hæmocyaniner som en gruppe af lignende metalloproteiner [2] .
Den reducerede form af hæmocyanin er farveløs. Den oxiderede form bliver blå, fluorescens observeres [2] .
Allerede i slutningen af det 18. århundrede blev det bemærket, at bløddyrs blod har en blå farve. Dette blev især bemærket af den berømte franske naturforsker Georges Cuvier ( 1795 ) [8] .
I 1833 opdagede den venetianske kemiker Bartolomeo Bizio ( it:Bartolomeo Bizio ) kobber i blodet fra marine gastropod bløddyr af familien af nålefisk [9] .
I 1878 isolerede den belgiske fysiolog Léon Frederic ( fransk: Léon Fredericq ) det blå pigment fra blodet fra blæksprutten Octopus vulgaris . Det blev bemærket, at når blod passerede gennem gællerne, blev farveløst blod blåt. Frederick foreslog, at dette stof transporterer ilt til organer og væv. Han foreslog også navnet på dette pigment - "hæmocyanin", i analogi med hæmoglobin (fra andre græske κυανoῦς - azurblå, blå). Frederick foreslog, at hæmocyanin er en komplet strukturel og funktionel analog af hæmoglobin , hvor kobber er inkluderet i et kompleks med en porphyrinring , svarende til hæmoglobinets hæm [9] [8] .
I første halvdel af det 20. århundrede blev der opdaget forskelle i strukturen af hæmoglobin og hæmocyanin. Det blev især fundet, at hæmocyanin ikke har en porphyrinring. Den formodede protesegruppe af hæmocyanin er blevet kaldt "hæmocuprin" [8] . Senere blev det kendt, at kobberet i hæmocyanin-underenheden er direkte forbundet med proteinkæder, og der er ingen protesegruppe som sådan [9] [8] .
I anden halvdel af det 20. århundrede blev forskellige niveauer af hæmocyaninstruktur, dets egenskaber og forskelle i hæmocyaniner i forskellige arter undersøgt. Den genetiske sekvens af hæmocyaniner blev også undersøgt, på grundlag af hvilke der blev lavet nye antagelser om forholdet mellem forskellige grupper af leddyr og bløddyr. Muligheden for at bruge hæmocyanin i medicin er ved at blive undersøgt [9] .
Arthropod hæmocyanin-underenheden har en molekylvægt på omkring 72 kilodaltons og er opdelt i 3 domæner , som hver er karakteriseret ved en forskellig tertiær struktur : domæne I indeholder 5 eller 6 alfa-helixer , domæne Il-4 alfa-helixer og et aktivt center, domæne III - antiparallel beta barrel ( en:beta-barrel ), bestående af 7 beta-lister [11] [12] . Mollusk-hæmocyaninunderenhedens molekylvægt er meget højere end leddyrs og er i gennemsnit 350-400 kDa [2] , men kan nå 550 kDa [10] . Underenheden indeholder 7 eller 8 funktionelle elementer. Hvert funktionelt element er opdelt i 2 domæner . α-domænet indeholder 4 alfa-helixer og et aktivt sted, mens β-domænet indeholder en antiparallel beta-tønde bestående af 7 Β-ark [13] . Således svarer α-domænet og β-domænet af bløddyrshæmocyanin funktionelt til domænerne II og III af leddyrhæmocyanin.
Strukturen af det aktive center er den samme for leddyr og bløddyr hæmocyaniner. Den indeholder to tæt anbragte kobberkationer , som reversibelt binder et oxygenmolekyle til et kompleks. Hver kobberkation er koordineret af tre imidazolgrupper ( histidinrester ); under oxygenering er et oxygenmolekyle klemt mellem disse kationer. Peptidkæden danner løkker, der enten nærmer sig det aktive sted eller bevæger sig væk fra det, den største løkke (der adskiller histidinrester His204 og His324) består af 119 aminosyrerester [ 14] .
I den uoxiderede form er kobberkationer i +1 oxidationstilstanden , med en afstand på 4,6 Å fra hinanden , og der er ingen kemisk binding mellem dem. N–Cu–N- konfigurationen er tæt på trekantet, og Cu–N- afstandene er i området 1,9–2,1 Å. Ved iltning opnår kobberioner en oxidationstilstand på +2. Kobberkationer nærmer sig hinanden, og Cu-Cu- afstanden er 3,6 Å, og Cu-O- afstanden er 1,8-1,9 Å. Som et resultat af tilgangen af kobberioner nærmer N–Cu–N vinklerne sig tetraedrisk . Derudover bliver Cu-N- bindingerne ulige i længden: i miljøet af hver ion har to bindinger en længde på 1,9-2,0 Å, og den tredje binding forlænges til 2,3 Å [14] .
Hæmocyanin-underenheden er et kompleks af kobber og protein . I modsætning til hæmoglobin er metalatomerne knyttet direkte til aminosyren og ikke til protesegruppen [15] .
Arthropod hæmocyaninmonomeren består af 6 underenheder og har en oktaedrisk form. Hos leddyr er hæmocyanin til stede som monomerer (1×6), dimerer (2×6), tetramerer (4×6), hexamerer (6×6) og oktamerer (8×6) [2] [4] .
Bløddyrshæmocyaninunderenheden består, som allerede nævnt, af 7 eller 8 aktive steder , i modsætning til leddyrhæmocyanin, hvis underenhed kun har ét aktivt sted. Formen på molekylet ligner en hul cylinder [2] . Hæmocyanin i bløddyr kan repræsenteres som decamere (1x10) og didecamere (2x10), men ofte kombineret til meget store ensembler [2] . Således kan sneglens hæmocyanin-molekyler nå en molekylvægt på over 9 millioner dalton, hvilket er en af de største organiske forbindelser [16] . Sådanne store størrelser af hæmocyanin tillader dets samarbejdsegenskaber at blive bedre manifesteret.
I 2002 blev hæmocyanin opdaget i et medlem af Onychophora -typen [3] . Af struktur ligner dette stof leddyrshæmocyanin [3] .
Hæmocyanin, ligesom hæmoglobin, udviser kooperativitet , det vil sige, når et iltmolekyle er knyttet til en underenhed, øger det iltaffiniteten af tilstødende underenheder. Kooperativiteten af bløddyrshæmocyanin er relativt lav ( Hill-koefficienten er ca. 2), kooperativiteten af leddyrhæmocyanin er meget højere (værdien af Hill-koefficienten kan nå 9) [2] .
I modsætning til hæmoglobin, som er en del af erytrocytter , opløses hæmocyaninmolekyler i hæmolymfe [2] . På grund af dette kan hæmocyaninmonomerer kombineres til meget store komplekser, hvilket gør det muligt bedre at manifestere sine samarbejdsegenskaber og generelt bedre bære ilt. Dette er især vigtigt for organismer, der lever i miljøer med lavt iltindhold. Indholdet af hæmocyanin i bløddyrenes hæmolymfe varierer fra 1-3 % i chitonen en: Cryptochiton stelleri til 11 % i blæksprutten Octopus vulgaris [17] . Indholdet af krebsdyr i hæmolymfen varierer også i forskellige arter over et ret bredt område, fra 3 til 10 % [18] . Ved kronisk hypoxi stiger koncentrationen af hæmocyanin i hæmolymfen betydeligt, hvilket kompenserer for iltmanglen i vandet [18] . Analysen af hæmocyaninindholdet i blodet hos marine krebsdyr kan bruges til at overvåge miljøets tilstand [18] .
Iltbindingsprofilen påvirkes væsentligt af indholdet af ioner i hæmolymfen og af pH [19] [20] . Det er blevet fastslået, at en ændring i leddyrs kropstemperatur fører til en ændring i hæmolymfens pH-faktor . En stigning i temperaturen med 10 grader reducerer pH med 0,3 [19] [20] . Gennem ændringer i hæmolymfens pH tilpasser leddyr således evnen til at transportere ilt og hæmocyanins samarbejdsegenskaber til miljømæssige forhold [2] . Undersøgelser har vist, at næsten al hæmocyanin fra kongekrabben , der lever i vand med en temperatur på +1 ... + 5 °, er i en uoxideret form, mens hæmocyanin fra tarantula Eurypelma californicum , der lever i ørkenerne i sydvestlige USA ved temperaturer fra + 30 °, mere end 90% iltet [2] [21] .
Hæmocyanin kan binde ikke kun med ilt, men også med kulilte og danner carboxyhemocyanin. Dette afslører også en samarbejdseffekt [22] .
Syntesen af hæmocyanin i gastropoder udføres af poreceller i bindevævet . Hos blæksprutter er væggene i gællehjerter stedet for hæmocyaninsyntese [23] .
Arthropode hæmatopoiese er blevet undersøgt mere detaljeret. De har ikke specialiserede hæmatopoietiske organer , individuelle foci af hæmatopoiesis kan være lokaliseret i bindevævet og i væggene i blodkarrene . Hos krebsdyr udføres syntesen af hæmocyanin af specielle blodceller - cyanocytter , der udvikler sig fra cyanoblaster. Modne cyanocytter udskiller hæmocyanin i hæmolymfen [24] . Hos hesteskokrabber er hæmatopoietiske foci adskilte grupper af hæmocytter i bindevævet og sinusrummene, hvor cyanocytter dannes af dem , svarende til cyanocytter fra krebsdyr [25] [26] .
Hemocyanin kan ikke kun fungere som en iltbærer, men også udføre andre funktioner.
Nogle gange virker hæmocyaniner som tyrosinase , et enzym , der katalyserer oxidationen af tyrosin . Sådanne hæmocyaniner indeholder ikke aminosyrer, der forhindrer phenolers tilgang til enzymets aktive centre . Det skal bemærkes, at hæmocyaniner og tyrosinaser har en fælles oprindelse og adskilte sig for omkring 700 millioner år siden. Chelicerae , såsom edderkopper og skorpioner , kan katalysere syntesen af melanin ved hjælp af hæmocyanin [27] . Man kan antage eksistensen af en lignende mekanisme hos andre leddyr, såvel som bløddyr. Nogle arachnider har to typer hæmocyaniner på én gang. Den ene er involveret i overførslen af ilt, og den anden katalyserer oxidationen af tyrosin [2] .
Nogle krebsdyr har vist sig at have en forbindelse tæt på hæmocyanin kaldet cryptocyanin . Cryptocyanin har mistet evnen til at binde ilt og er et strukturelt protein, der styrer processerne ved smeltning af krebsdyr [28] .
Hos insekter er proteinet hexamerin til stede . Det antages, at det stammer fra hæmocyanin, men mistede kobberatomer og som følge heraf evnen til at binde ilt [29] . Insekthexamerin tjener som en næringsreserve [29] . Det er interessant at bemærke, at hæmocyanin, en iltbærer, i 2003 også blev fundet i et insekt, stenfluen Perla marginata . På samme tid adskiller strukturen af denne hæmocyanin sig fra hæmocyanin fra andre leddyr - dens underenhed indeholder to aktive centre og følgelig 4 kobberatomer [6] .
Hæmocyaninerne fra både leddyr og bløddyr er afledt af tyrosinaser [30] . Imidlertid er deres evolutionære vej i disse typer dyr anderledes. I det første trin af udviklingen af leddyrshæmocyanin opstod en duplikation af tyrosinase -genet (eller et lignende enzym), på grund af hvilket et protein dukkede op, der havde 2 kobberatomer og var i stand til at binde ilt. Efterfølgende erhvervede dette protein evnen til at polymerisere , hvilket var vigtigt for manifestationen af samarbejdsegenskaber [31] . Bløddyrshæmocyanin har gennemgået 3 genduplikationer, hvilket resulterer i, at bløddyrshæmocyaninunderenheden indeholder 8 aktive steder [31] . Hæmocyaniner fra leddyr og bløddyr har betydelige forskelle både i deres kvartære struktur og i deres genetiske sekvens. Dette tyder på, at de er opstået i disse grupper uafhængigt af hinanden [30] .
Afvigelsen af hæmocyaniner fra chelicerae og krebsdyr fandt sted for omkring 600 millioner år siden. Chelicerisk hæmocyanin har en ret konservativ struktur. Afvigelsen af arachnid hæmocyanin fra andre chelicerae fandt sted for 550-450 millioner år siden. Alderen for divergens af hæmocyaniner fra højere krebs ( Malacostraca ) og insekthexameriner er anslået til 430-440 millioner år. Divergensen af hæmocyaniner inden for gruppen af krebsdyr begyndte meget senere, omkring 200 millioner år siden. Ikke- iltbærende kryptocyaniner fra decapods ( Decapoda ) afveg fra hovedslægten for cirka 215 millioner år siden. Tidspunktet for hæmocyanin divergens i forskellige grupper af leddyr kan understøtte teorien om en fælles oprindelse for seksbenede og højere krebs [32] [29] [33] . En tendens til et fald i antallet af hæmocyaninmonomerer i underenheden under evolution kan noteres [30] .
Hæmocyanin onychophora , opdaget i 2002, adskilt fra den fælles gren af leddyr, før divergensen inden for leddyrgruppen begyndte, ikke desto mindre har disse hæmocyaniner en fælles oprindelse [3] .
Studiet af udviklingen af hæmocyaniner gjorde det muligt at klarlægge forholdet mellem forskellige grupper af leddyr og bløddyr [29] .
Muligheden for at bruge hæmocyanin i medicin som en komponent i antitumorvacciner er ved at blive undersøgt. Ved dannelsen af konjugater med tumorantigener øger det deres immunogenicitet betydeligt. Denne adjuvans hjælper med at overvinde immunologisk tolerance eller øge immunresponsen på gangliosid-antigener (GM2, GD2, GD3). Et højt niveau af T-celle immunrespons blev fundet ved anvendelse af konjugater af hæmocyanin med mucin [34] [35] . Det antages, at de også kan bruges i teknologien til at opnå dendritiske vacciner. Kræftvacciner bliver klinisk undersøgt ved hjælp af denne adjuvans i kombination med idiotypiske antistoffer i B-celle lymfom og anti-idiotypiske antistoffer i kolorektal carcinom [36] [37] .