Гемоцианин

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Гемоцианин
краба Cancer productus
окрашена гемоцианином в фиолетовый цвет
Обозначения
Символы HCy
CAS 9013-72-3
Логотип Викиданных Информация в Викиданных ?

Гемоцианин (от

металлопротеинов[2]
.

Восстановленная форма гемоцианина бесцветна. Окисленная форма окрашивается в голубой цвет, наблюдается флуоресценция[2].

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)[8].

В 1833 году венецианский химик Бартоломео Бицио (it:Bartolomeo Bizio) обнаружил медь в составе крови морских брюхоногих моллюсков семейства иглянок[9].

В

порфириновым кольцом, аналогично гему гемоглобина[9][8]
.

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»[8]. Позднее стало известно, что медь в субъединице гемоцианина связана непосредственно с белковыми цепями, и простетическая группа как таковая отсутствует[9][8].

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[9].

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[10]

Субъединица гемоцианина членистоногих имеет молекулярный вес около 72

Β-листов антипараллельный бета-баррель[13]
. 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[14]
.

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[14].

Субъединица гемоцианина представляет собой комплекс меди и белка. В отличие от гемоглобина, атомы металла связаны непосредственно с аминокислотой, а не с простетической группой[15].

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)[2][4].

Субъединица гемоцианина моллюсков, как уже отмечалось, состоит из 7 или 8

органических соединений[16]
. Такие большие размеры гемоцианина позволяют лучше проявляться его кооперативным свойствам.

В 2002 году гемоцианин был обнаружен у представителя типа онихофор[3]. По строению это вещество аналогично гемоцианину членистоногих[3].

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)[2].

В отличие от гемоглобина, входящего в состав

Octopus vulgaris[17]. Содержание в гемолимфе ракообразных также варьирует у разных видов в довольно широких пределах, от 3 до 10 %[18]. При хронической гипоксии концентрация гемоцианина в гемолимфе значительно растёт, компенсируя нехватку кислорода в воде[18]. Анализ содержания гемоцианина в крови морских ракообразных может использоваться для наблюдения за состоянием окружающей среды[18]
.

На профиль связывания кислорода значительно влияет содержание

США при температурах от +30°, оксигенирован более чем на 90 %[2][21]
.

Гемоцианин может связываться не только с кислородом, но и с угарным газом, образуя карбоксигемоцианин. При этом также обнаруживается кооперативный эффект[22].

Синтез гемоцианина у брюхоногих моллюсков осуществляется поровыми клетками соединительной ткани. У головоногих моллюсков местом синтеза гемоцианина являются стенки жаберных сердец[23].

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[24]. У мечехвостов очаги кроветворения представляют собой разобщённые группы гемоцитов в соединительной ткани и синусных пространствах, там же из них формируются цианоциты, аналогичные цианоцитам ракообразных[25][26].

Другие функции гемоцианинов

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

Иногда гемоцианины выполняют функции

меланина с помощью гемоцианина[27]. 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[2]
.

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[28].

В организме

активных центра и, соответственно, 4 атома меди[6]
.

Эволюция гемоцианинов

Филогенетическое дерево гемоцианинов членистоногих и онихофор

Гемоцианины как членистоногих, так и моллюсков происходят от тирозиназ[30]. 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[31]. Гемоцианин моллюсков прошёл через 3 дупликации гена, в результате чего субъединица гемоцианина моллюсков содержит 8 активных центров[31]. 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[30].

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[32][29][33]. Существует тенденция к уменьшению количества мономеров гемоцианина в субъединице в процессе эволюции[30].

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[3].

Изучение эволюции гемоцианинов позволило уточнить родственные отношения различных групп членистоногих и моллюсков[29].

Использование

Изучается возможность применения гемоцианина в

В-клеточной лимфоме и антиидиотипическими антителами при колоректальной карциноме[36][37]
.

Примечания

  1. Echinodermata) кровь также не красная, а голубая — в ней вместо железа содержится ванадий.
    Справочник химика Архивная копия от 16 августа 2021 на Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Heinz Decker, Nadja Hellmann, Elmar Jaenicke, Bernhard Lieb, Ulrich Meissner, and Jürgen Markl. Minireview: Recent progress in hemocyanin research (англ.) // Integrative and Comparative Biology. — 2007. — Vol. 47, no. 4. — P. 631—644.
  3. ↑ 1 2 3 4 Kristina Kusche, Hilke Ruhberg, and Thorsten Burmester. A hemocyanin from the Onychophora and the emergence of respiratory proteins (англ.) // Proc Natl Acad Sci USA. — 2002. — Vol. 99, no. 16. — P. 10545—10548. Архивировано 24 сентября 2015 года.
  4. ↑ 1 2 Jürgen Markl. Hemocyanins in spiders (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. Identification, Structure, and Properties of Hemocyanins from Diplopod Myriapoda (англ.) // The Journal of Biological Chemistry. — 1999. — Vol. 274. — P. 29071–29074. Архивировано 30 октября 2017 года.
  6. ↑ 1 2 Silke Hagner-Holler et al. A respiratory hemocyanin from an insect (англ.) // Proc Natl Acad Sci. — 2004. — Vol. 101, no. 3. — P. 871—874. Архивировано 8 марта 2021 года.
  7. ↑ Справочник химика. Дата обращения: 17 июня 2016. Архивировано 16 августа 2021 года.
  8. ↑ 1 2 3 4 J. Leiden Webb. Magnetic properties of Hemocyanin (англ.) // California Institute of Technology : Доклад. — 1940. — P. 971—972. Архивировано 28 июля 2013 года.
  9. ↑ 1 2 3 4 A. Ghiretti-Magaldi and F. Ghiretti. The pre-history of hemocyanin. The discovery of copper in the blood of molluscs (англ.) // Cellular and Molecular Life Sciences. — 1992. — Vol. 48, no. 10. — P. 971—972. (недоступная ссылка)
  10. ↑ 1 2 Bernhard Lieb, Wolfgang Gebauer, Christos Gatsogiannis, Frank Depoix, Nadja Hellmann, Myroslaw G Harasewych, Ellen E Strong and Jürgen Markl. Molluscan mega-hemocyanin: an ancient oxygen carrier tuned by a ~550 kDa polypeptide (англ.) // Frontiers in Zoology. — 2010. — Vol. 7, no. 14. Архивировано 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. ↑ 1 2 Яценко А. В. Комплексные соединения в процессах дыхания живых существ. Архивировано 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. Биохимия природных пигментов. — Москва: Мир, 1986. — С. 177. — 422 с. — 3050 экз. Архивировано 5 ноября 2011 года.
  17. ↑ Michael E. Q. Pilson. Variation of hemocyanin concentration in the blood of four species of Haliotis (англ.) // The Biological Bulletin. — 1965. — Vol. 128. — P. 459—472.
  18. ↑ 1 2 3 Brouwer Marius, Denslow Nancy. Molecular Indicators of Dissolved Oxygen Stress in Crustaceans (англ.) : Доклад. — 2003. Архивировано 30 октября 2011 года.
  19. ↑ 1 2 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. ↑ 1 2 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. Extreme thermostability of tarantula hemocyanin (англ.) // FEBS Lett. — 1995. — Vol. 364, no. 1. — P. 9-12. Архивировано 26 мая 2018 года.
  22. ↑ Richey B, Decker H, Gill SJ. Binding of oxygen and carbon monoxide to arthropod hemocyanin: an allosteric analysis (англ.) // Biochemistry. — 1985. — Vol. 24, no. 1. — P. 109-117.
  23. ↑ Житенева Л. Д., Макаров Э. В., Рудницкая О. В. Эволюция крови. — Ростов-на-Дону: Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства (АзНИИРХ), 2001. — 104 с. Архивировано 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. The Hemocytes and Hemopoietic organs of a Penaeid Shrimp (Penaeus vannamei) (англ.) : Доклад. — 1987.
  26. ↑ A. Ghiretti-Magaldi, C. Milanesi and G. Tognon. Hemopoiesis in crustacea decapoda: origin and evolution of hemocytes and cyanocytes of Carcinus maenas (англ.) // Cell Differentiation. — 1977. — Vol. 6, no. 3-4. — P. 167—186. (недоступная ссылка)
  27. ↑ Heinz Decker and Thomas Rimke. Tarantula Hemocyanin Shows Phenoloxidase Activity (англ.) // The Journal of Biological Chemistry. — 1998. — Vol. 273, no. 40. — P. 25889–25892. Архивировано 29 октября 2017 года.
  28. ↑ N. B. Terwilliger, M. C. Ryan and D. Towle. Evolution of novel functions: cryptocyanin helps build new exoskeleton in Cancer magister (англ.) // Journal of Experimental Biology. — 2005. — Vol. 208. — P. 2467—2474. Архивировано 30 августа 2008 года.
  29. ↑ 1 2 3 4 Thorsten Burmester, Klaus Scheller. Common Origin of Arthropod Tyrosinase, Arthropod Hemocyanin, Insect Hexamerin, and Dipteran Arylphorin Receptor (англ.) // Journal of Molecular Evolution. — 1996. — Vol. 42, no. 6. — P. 713—728. (недоступная ссылка)
  30. ↑ 1 2 3 Anupam Nigam, Jimmy Ng, and Trustin Ennacheril. The Molecular Evolution of Arthropod & Molluscan Hemocyanin. Evidence for Apomorphic origin and convergent evolution in oxygen binding sites (англ.). — 1997. — Vol. 41. — P. 199—228. Архивировано 2 июля 2010 года.
  31. ↑ 1 2 van Holde K. E., Miller K. I. Hemocyanins (англ.) // Adv Protein Chem. — 1995. — No. 47. — P. 66—68.
  32. ↑ Thorsten Burmester. Molecular Evolution of the Arthropod Hemocyanin Superfamily (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. Centipedal hemocyanin: its structure and its implications for arthropod phylogeny (англ.) // Proc Natl Acad Sci USA. — 1985. — Vol. 82, no. 11. — P. 3721—3725. Архивировано 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. Гуморальный иммунный ответ мышей на конъюгат синтетических углеводных фрагментов опухольассоциированного антигена ганглиозной природы с белком гемоцианином — прототип противоопухолевой вакцины // Иммунология. — 2010. — № 2. Архивировано 23 сентября 2010 года.
  36. ↑ Hsu FJ, Caspar CB, Czerwinski D et al. Tumor-specific idiotype vaccines in the treatment of patients with B-cell lymphoma - long-term results of a clinical trial (англ.) // Blood. — 1997. — Vol. 89. — P. 3129—3135. Архивировано 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

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Гемоцианин&oldid=135933161