Interested Article - Гемоцианин

megan
  • 2020-08-29
  • 1

Гемоцианин (от др.-греч. αἷμα — кровь и др.-греч. κυανoῦς — лазурный, голубой) — дыхательный пигмент из группы металлопротеинов , является медьсодержащим функциональным аналогом гемоглобина . Встречается в крови моллюсков , членистоногих и онихофор . В пределах типа моллюсков гемоцианин широко распространён среди головоногих и некоторых брюхоногих . В пределах типа членистоногих — среди мечехвостов , ракообразных , паукообразных и многоножек , а в 2003 году обнаружен и у представителя класса насекомых . Гемоцианин моллюсков и членистоногих различается по структуре и некоторым свойствам, кроме того, существуют гемоцианины, выполняющие иные функции помимо переноса кислорода тканям — не только (и не столько) дыхания, а прежде всего в процессах питания . Так что можно говорить о гемоцианинах как о группе сходных металлопротеинов .

Восстановленная форма гемоцианина бесцветна. Окисленная форма окрашивается в голубой цвет, наблюдается флуоресценция .

История открытия и изучения

Уже в конце XVIII века было замечено, что кровь моллюсков имеет голубоватый цвет. В частности, это отмечал знаменитый французский естествоиспытатель Жорж Кювье ( 1795 ) .

В 1833 году венецианский химик Бартоломео Бицио ( ) обнаружил медь в составе крови морских брюхоногих моллюсков семейства иглянок .

В 1878 году бельгийский физиолог Леон Фредерик ( фр. Léon Fredericq ) выделил голубой пигмент из крови осьминога Octopus vulgaris . Было отмечено, что при прохождении крови через жабры бесцветная кровь приобретала голубой цвет. Фредерик предположил, что это вещество переносит кислород к органам и тканям. Он же предложил название этого пигмента — «гемоцианин», по аналогии с гемоглобином (от др.-греч. κυανoῦς — лазурный, голубой). Фредерик выдвинул предположение, что гемоцианин — полный структурный и функциональный аналог гемоглобина , в котором медь включена в комплекс с порфириновым кольцом, аналогично гему гемоглобина .

В первой половине XX века были открыты различия в структуре гемоглобина и гемоцианина. В частности, было установлено, что гемоцианин не имеет порфиринового кольца. Предполагаемая простетическая группа гемоцианина была названа «гемокуприн» . Позднее стало известно, что медь в субъединице гемоцианина связана непосредственно с белковыми цепями, и простетическая группа как таковая отсутствует .

Во второй половине XX века изучались различные уровни структуры гемоцианина, его свойства, различия гемоцианинов у различных видов. Исследовалась и генетическая последовательность гемоцианинов, на основе чего были выдвинуты новые предположения о родстве различных групп членистоногих и моллюсков. Изучается возможность применения гемоцианина в медицине .

Строение

Фотография молекул гемоцианина морского блюдечка ( Megathura crenulata ), полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа . Двойной стрелкой отмечены дидекамеры (2×10 субъединиц), одиночной — декамеры (1×10 субъединиц), также видны и более крупные структуры

Субъединица гемоцианина членистоногих имеет молекулярный вес около 72 килодальтон и подразделяется на 3 домена , каждый из которых характеризуются разной третичной структурой : домен I содержит 5 или 6 альфа-спиралей , домен Il — 4 альфа-спирали и активный центр, домен III — антипараллельный бета-цилиндр , состоящий из 7 бета-листов . Молекулярный вес субъединицы гемоцианина моллюсков значительно выше, чем у членистоногих, и в среднем составляет 350—400 кДа , однако может достигать и 550 кДа . Субъединица содержит 7 или 8 функциональных элементов. Каждый функциональный элемент подразделяется на 2 домена . Домен α содержит 4 альфа-спирали и активный центр, домен β — состоящий из 7 Β-листов антипараллельный бета-баррель . Таким образом, α-домен и β-домен гемоцианина моллюсков функционально соответствуют доменам II и III гемоцианина членистоногих.

Строение активного центра одинаково у гемоцианинов членистоногих и моллюсков. Он содержит два близко расположенных друг к другу катиона меди , которые обратимо связывают молекулу кислорода в комплекс. Каждый катион меди координирован тремя имидазольными группами ( гистидиновыми остатками), при оксигенации молекула кислорода оказывается зажатой между этими катионами. Пептидная цепь образует петли, то приближаясь к активному центру, то удаляясь от него, самая большая петля (разделяющая гистидиновые остатки His204 и His324) состоит из 119 аминокислотных остатков .

Уровни структуры гемоцианина членистоногих и моллюсков. Цифрами I, II, III и буквами α, β обозначены домены

В неокисленной форме катионы меди находятся в степени окисления +1, отстоят друг от друга на расстояние 4,6 Å , химическое связывание между ними отсутствует. Конфигурация N—Cu—N близка к треугольной, расстояния Cu—N находятся в пределах 1,9—2,1 Å. При оксигенации ионы меди приобретают степень окисления +2. Катионы меди сближаются друг с другом и расстояние Cu—Cu составляет 3,6 Å, а расстояния Cu—O — 1,8—1,9 Å. В результате сближения ионов меди углы N—Cu—N приближаются к тетраэдрическим . Кроме того, связи Cu—N становятся неравными по длине: в окружении каждого иона две связи имеют длину 1,9—2,0 Å, а третья связь удлиняется до 2,3 Å .

Субъединица гемоцианина представляет собой комплекс меди и белка . В отличие от гемоглобина, атомы металла связаны непосредственно с аминокислотой , а не с простетической группой .

Мономер гемоцианина членистоногих состоит из 6 субъединиц и имеет октаэдрическую форму. У членистонигих гемоцианин представлен в виде мономеров (1×6), димеров (2×6), тетрамеров (4×6), гексамеров (6×6) и октамеров (8×6) .

Субъединица гемоцианина моллюсков, как уже отмечалось, состоит из 7 или 8 активных центров , в отличие от гемоцианина членистоногих, субъединица которого имеет лишь один активный центр. Форма молекулы напоминает полый цилиндр . Гемоцианин у моллюсков может быть представлен в виде декамеров (1x10) и дидекамеров (2x10), однако нередко соединяется в очень большие ансамбли . Так, молекулы гемоцианина виноградной улитки могут достигать молекулярной массы свыше 9 миллионов дальтон, являясь одним из самых больших органических соединений . Такие большие размеры гемоцианина позволяют лучше проявляться его кооперативным свойствам.

В 2002 году гемоцианин был обнаружен у представителя типа онихофор . По строению это вещество аналогично гемоцианину членистоногих .

Физиология

Строение деоксигенированного и оксигенированного активного центра гемоцианина

Гемоцианин, как и гемоглобин, проявляет кооперативность , то есть при присоединении молекулы кислорода одной субъединицей увеличивает сродство к кислороду соседних субъединиц. Кооперативность гемоцианина моллюсков сравнительно невелика ( коэффициент Хилла составляет около 2), кооперативность гемоцианина членистоногих значительно выше (значение коэффициента Хилла может достигать 9) .

В отличие от гемоглобина, входящего в состав эритроцитов , молекулы гемоцианина растворены в гемолимфе . Благодаря этому мономеры гемоцианина могут объединяться в очень большие комплексы, что позволяет лучше проявляться его кооперативным свойствам и в целом лучше переносить кислород. Это особенно важно для организмов, живущих в условиях с малым содержанием кислорода. Содержание гемоцианина в гемолимфе моллюсков колеблется от 1—3 % у хитона до 11 % у осьминога Octopus vulgaris . Содержание в гемолимфе ракообразных также варьирует у разных видов в довольно широких пределах, от 3 до 10 % . При хронической гипоксии концентрация гемоцианина в гемолимфе значительно растёт, компенсируя нехватку кислорода в воде . Анализ содержания гемоцианина в крови морских ракообразных может использоваться для наблюдения за состоянием окружающей среды .

На профиль связывания кислорода значительно влияет содержание ионов в гемолимфе и pH-фактор . Установлено, что изменение температуры тела членистоногих приводит к изменению pH-фактора гемолимфы . Рост температуры на 10 градусов уменьшает pH на 0,3 . Таким образом, через изменения pH гемолимфы членистоногие адаптируют способность к переносу кислорода и кооперативные свойства гемоцианина к условиям среды . Исследования показали, что почти весь гемоцианин камчатского краба , живущего в воде с температурой +1…+5°, находится в неокисленной форме, в то время как гемоцианин тарантула , живущего в пустынях юго-запада США при температурах от +30°, оксигенирован более чем на 90 % .

Гемоцианин может связываться не только с кислородом, но и с угарным газом , образуя карбоксигемоцианин. При этом также обнаруживается кооперативный эффект .

Синтез гемоцианина у брюхоногих моллюсков осуществляется поровыми клетками соединительной ткани . У головоногих моллюсков местом синтеза гемоцианина являются стенки жаберных сердец .

Гемопоэз членистоногих изучен более подробно. Специализированные органы кроветворения у них отсутствуют, отдельные очаги кроветворения могут находиться в соединительной ткани и в стенках кровеносных сосудов . У ракообразных синтез гемоцианина осуществляется особыми клетками крови — цианоцитами , развивающимися из цианобластов. Зрелые цианоциты выделяют гемоцианин в гемолимфу . У мечехвостов очаги кроветворения представляют собой разобщённые группы гемоцитов в соединительной ткани и синусных пространствах, там же из них формируются цианоциты , аналогичные цианоцитам ракообразных .

Другие функции гемоцианинов

Гемоцианин может выступать не только в качестве переносчика кислорода, но и выполнять другие функции.

Иногда гемоцианины выполняют функции тирозиназы — фермента , катализирующего окисление тирозина . В составе таких гемоцианинов отсутствуют аминокислоты , препятствующие подходу фенолов к активным центрам фермента . Гемоцианины и тирозиназы имеют общее происхождение и разделились около 700 миллионов лет назад. Хелицеровые , такие как пауки и скорпионы , могут катализировать синтез меланина с помощью гемоцианина . Можно предположить существование подобного механизма и у других членистоногих, а также моллюсков. У некоторых паукообразных имеется сразу два вида гемоцианинов. Один задействован в переносе кислорода, а другой катализирует окисление тирозина .

У некоторых ракообразных обнаружено близкое к гемоцианину соединение, названное криптоцианин ( англ. cryptocyanin ). Криптоцианин утратил способность связывать кислород и является структурным белком, управляющим процессами линьки ракообразных .

В организме насекомых присутствует белок гексамерин . Предполагается, что он произошёл от гемоцианина, однако утратил атомы меди и, как следствие, способность связывать кислород . Гексамерин насекомых служит в качестве резерва питательных веществ . В 2003 году гемоцианин — переносчик кислорода обнаружен и у насекомого — веснянки . При этом структура этого гемоцианина отличается от гемоцианина остальных членистоногих — его субъединица содержит два активных центра и, соответственно, 4 атома меди .

Эволюция гемоцианинов

Филогенетическое дерево гемоцианинов членистоногих и онихофор

Гемоцианины как членистоногих, так и моллюсков происходят от тирозиназ . Однако их эволюционный путь в этих типах животных различается. На первом этапе эволюции гемоцианина членистоногих произошла дупликация гена тирозиназы (или подобного ей фермента), благодаря чему появился белок, имеющий 2 атома меди и способный связывать кислород. Впоследствии этот белок приобрёл способность к полимеризации , что было важно для проявления кооперативных свойств . Гемоцианин моллюсков прошёл через 3 дупликации гена, в результате чего субъединица гемоцианина моллюсков содержит 8 активных центров . Гемоцианины членистоногих и моллюсков имеют значительные различия как по четвертичной структуре, так по своей генетической последовательности. Это позволяет предположить, что они возникли в этих группах независимо друг от друга .

Расхождение гемоцианинов хелицеровых и ракообразных произошло около 600 миллионов лет назад. Гемоцианин хелицеровых имеет достаточно консервативную структуру. Дивергенция гемоцианина паукообразных от остальных хелицеровых произошла 550—450 миллионов лет назад. Возраст дивергенции гемоцианинов высших раков ( Malacostraca ) и гексамеринов насекомых оценивается в 430—440 миллионов лет. Расхождение гемоцианинов внутри группы ракообразных началось гораздо позже, около 200 миллионов лет назад. Криптоцианины десятиногих раков ( Decapoda ), не выполняющие функции переносчиков кислорода, отделились от основной линии примерно 215 миллионов лет назад. Время дивергенции гемоцианинов в различных группах членистоногих может свидетельствовать в пользу теории общего происхождения шестиногих и высших раков . Существует тенденция к уменьшению количества мономеров гемоцианина в субъединице в процессе эволюции .

Открытый в 2002 году гемоцианин онихофор отделился от общей ветви членистоногих раньше, чем началась дивергенция внутри группы членистоногих, тем не менее эти гемоцианины имеют общее происхождение .

Изучение эволюции гемоцианинов позволило уточнить родственные отношения различных групп членистоногих и моллюсков .

Использование

Изучается возможность применения гемоцианина в медицине как компонента противоопухолевых вакцин. При образовании конъюгатов с опухолевыми антигенами он существенно повышает их иммуногенность. Этот адъювант способствует преодолению иммунологической толерантности или усиливают иммунный ответ на ганглиозидные антигены (GM2, GD2, GD3). Обнаружен высокий уровень Т-клеточного иммунного ответа при использовании конъюгатов гемоцианина с муцином . Предполагается, что они также могут применяться в технологии получения дендритных вакцин. Проводятся клинические исследования противоопухолевых вакцин с использованием этого адъюванта совместно с идиотипическими антителами при В-клеточной лимфоме и антиидиотипическими антителами при колоректальной карциноме .

Примечания

  1. У глубоководных голотурий ( Echinodermata ) кровь также не красная, а голубая — в ней вместо железа содержится ванадий .
    от 16 августа 2021 на Wayback Machine
  2. ↑ Heinz Decker, Nadja Hellmann, Elmar Jaenicke, Bernhard Lieb, Ulrich Meissner, and Jürgen Markl. (англ.) // Integrative and Comparative Biology. — 2007. — Vol. 47 , no. 4 . — P. 631—644 .
  3. ↑ Kristina Kusche, Hilke Ruhberg, and Thorsten Burmester. (англ.) // Proc Natl Acad Sci USA. — 2002. — Vol. 99 , no. 16 . — P. 10545—10548 . 24 сентября 2015 года.
  4. ↑ Jürgen Markl. (англ.) // Journal of Comparative Physiology. — 1980. — Vol. 140 , no. 3 . — P. 199—207 . (недоступная ссылка)
  5. Elmar Jaenicke, Heinz Decker, Wolfgang Gebauer, Jürgen Markl and Thorsten Burmester. (англ.) // The Journal of Biological Chemistry. — 1999. — Vol. 274 . — P. 29071–29074 . 30 октября 2017 года.
  6. ↑ Silke Hagner-Holler et al. (англ.) // Proc Natl Acad Sci. — 2004. — Vol. 101 , no. 3 . — P. 871—874 . 8 марта 2021 года.
  7. . Дата обращения: 17 июня 2016. 16 августа 2021 года.
  8. ↑ J. Leiden Webb. (англ.) // California Institute of Technology : Доклад. — 1940. — P. 971—972 . 28 июля 2013 года.
  9. ↑ A. Ghiretti-Magaldi and F. Ghiretti. (англ.) // Cellular and Molecular Life Sciences. — 1992. — Vol. 48 , no. 10 . — P. 971—972 . (недоступная ссылка)
  10. ↑ Bernhard Lieb, Wolfgang Gebauer, Christos Gatsogiannis, Frank Depoix, Nadja Hellmann, Myroslaw G Harasewych, Ellen E Strong and Jürgen Markl. (англ.) // Frontiers in Zoology. — 2010. — Vol. 7 , no. 14 . 5 ноября 2011 года.
  11. Volbeda A, Hol W. Crystal structure of hexameric hemocyanin from Panulirus interruptus refined at 3.2Å resolution (англ.) // J Mol Biol. — 1989. — Vol. 209 . — P. 249—279 .
  12. Magnus K, Hazes B, Ton-That H, Bonaventura C, Bonaventura J, Hol W. Crystallographic analysis of oxygenated and deoxygenated states of arthropod hemocyanin shows unusual differences (англ.) // Proteins. — 1994. — Vol. 19 . — P. 302—309 .
  13. Cuff M, Miller K, van Holde K, Hendrickson W. Crystal structure of a functional unit from Octopus hemocyanin (англ.) // J Mol Biol. — 1998. — Vol. 278 . — P. 855—870 .
  14. ↑ Яценко А. В. . 10 октября 2006 года.
  15. Bonaventura C. and Bonaventura J. The Mollusca Volume 2. — New York: Academic Press, 1983. — С. 26—29.
  16. Бриттон Г. . — Москва: Мир, 1986. — С. 177. — 422 с. — 3050 экз. 5 ноября 2011 года.
  17. Michael E. Q. Pilson. (англ.) // The Biological Bulletin. — 1965. — Vol. 128 . — P. 459—472 .
  18. ↑ Brouwer Marius, Denslow Nancy. (англ.) : Доклад. — 2003. 30 октября 2011 года.
  19. ↑ Monod J, Wyman J, Changeux J. On the nature of allosteric transitions: a plausible model (англ.) // J Mol Biol. — 1965. — No. 12 . — P. 88–118 .
  20. ↑ Robert C, Decker H, Richey B, Gill S, Wyman J. Nesting: hierarchies of allosteric interactions (англ.) // Proc Natl Acad Sci USA. — 1987. — No. 84 . — P. 1891—1895 .
  21. Sterner R, Vogl T, Hinz HJ, Penz F, Hoff R, Foll R, Decker H. (англ.) // FEBS Lett. — 1995. — Vol. 364 , no. 1 . — P. 9-12 . 26 мая 2018 года.
  22. Richey B, Decker H, Gill SJ. (англ.) // Biochemistry. — 1985. — Vol. 24 , no. 1 . — P. 109-117 .
  23. Житенева Л. Д., Макаров Э. В., Рудницкая О. В. . — Ростов-на-Дону: Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства (АзНИИРХ), 2001. — 104 с. 5 января 2012 года.
  24. Gupta A. P. Arthropod Phylogeny. — New York: Van Nostrand Reinhold Company, 1979. — С. 717—724. — 735 с.
  25. Raymond F. Sis, Don H. Lewis, Tom Caceci. (англ.) : Доклад. — 1987.
  26. A. Ghiretti-Magaldi, C. Milanesi and G. Tognon. (англ.) // Cell Differentiation. — 1977. — Vol. 6 , no. 3-4 . — P. 167—186 . (недоступная ссылка)
  27. Heinz Decker and Thomas Rimke. (англ.) // The Journal of Biological Chemistry. — 1998. — Vol. 273 , no. 40 . — P. 25889–25892 . 29 октября 2017 года.
  28. N. B. Terwilliger, M. C. Ryan and D. Towle. (англ.) // Journal of Experimental Biology. — 2005. — Vol. 208 . — P. 2467—2474 . 30 августа 2008 года.
  29. ↑ Thorsten Burmester, Klaus Scheller. (англ.) // Journal of Molecular Evolution. — 1996. — Vol. 42 , no. 6 . — P. 713—728 . (недоступная ссылка)
  30. ↑ Anupam Nigam, Jimmy Ng, and Trustin Ennacheril. (англ.) . — 1997. — Vol. 41 . — P. 199—228 . 2 июля 2010 года.
  31. ↑ van Holde K. E., Miller K. I. Hemocyanins (англ.) // Adv Protein Chem. — 1995. — No. 47 . — P. 66—68 .
  32. Thorsten Burmester. (англ.) // Molecular Biology and Evolution. — 2001. — No. 18 . — P. 184—195 .
  33. C. P. Mangum, J. L. Scott, R. E. Black, K. I. Miller, and K. E. Van Holde. (англ.) // Proc Natl Acad Sci USA. — 1985. — Vol. 82 , no. 11 . — P. 3721—3725 . 24 сентября 2015 года.
  34. Soo Kie Kim, Govindaswami Ragupathi, Musselli C. et al. Livingston comparison of the effect of different immunological adjuvants on the antibody and T-cell response ot immunization with MUC1-KLH and GD3-KLH conjugate cancer vaccines (англ.) // Vaccine. — 1999. — Vol. 18 , no. 12 . — P. 597—603 .
  35. Р. Н. Степаненко, Р. Я. Власенко, Ю. Е. Цветков, Е. А. Хатунцева, Е. М. Новикова, И. К. Вернер, Н. Э. Нифантьев, Р. В. Петров. // Иммунология. — 2010. — № 2 . 23 сентября 2010 года.
  36. Hsu FJ, Caspar CB, Czerwinski D et al. (англ.) // Blood. — 1997. — Vol. 89 . — P. 3129—3135 . 9 июля 2017 года.
  37. Birebent B, Koido T, Mitchell E et al. Anti-idiotypic antibody (Ab2) vaccines: coupling of Ab BR3E4 to KLH increases humoral and/or cellular immune responses in animals and colorectal cancer patients (англ.) // J Cancer Res Clin Oncol. — 2001. — Vol. 127 . — P. 27—33 .

Литература

  • Алякринская И. О. Гемоглобины и гемоцианины беспозвоночных. — Москва: Наука, 1979. — 155 с.
  • Житенева Л. Д., Макаров Э. В., Рудницкая О. В. . — Ростов-на-Дону: Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства (АзНИИРХ), 2001. — 104 с.
  • Стид Дж. В., Этвуд Дж. Л. Супрамолекулярная химия. — Москва: Академкнига, 2007. — 896 с. — ISBN 978-5-94628-303-8 .
  • Яценко А. В. .
  • Heinz Decker, Nadja Hellmann, Elmar Jaenicke, Bernhard Lieb, Ulrich Meissner, and Jürgen Markl. (англ.) // Integrative and Comparative Biology. — 2007. — Vol. 47 , no. 4 . — P. 631—644 .
  • Van Holde K. E., Miller K. I. Hemocyanins (англ.) // Adv Protein Chem. — 1995. — No. 47 . — P. 1—81 .
  • Bernhard Lieb, Benjamin Altenhein and Jürgen Markl. (англ.) // The Journal of Biological Chemistry. — 2000. — Vol. 275 . — P. 5675—5681 .
  • C. P. Mangum, J. L. Scott, R. E. Black, K. I. Miller, and K. E. Van Holde. (англ.) // Proc Natl Acad Sci USA. — 1985. — Vol. 82 , no. 11 . — P. 3721—3725 .
Источник —

megan
  • 2020-08-29
  • 1
  • Tags:

Same as Гемоцианин

The title for the last searches