| Hemosyaniini | |
|---|---|
| Cancer productus -ravun kuoren sisäpinta on värjätty violetiksi hemosyaniinilla. | |
| Merkintä | |
| Symbolit | Hcy |
| CAS | 9013-72-3 |
| Tietoja Wikidatasta ? | |
Hemosyaniini ( toisesta kreikasta αἷμα - veri ja muusta kreikkalaisesta κυανoῦς - taivaansininen, sininen) on hengitysteiden pigmentti metalloproteiinien ryhmästä , on kuparia sisältävä hemoglobiinin toiminnallinen analogi [1] . Sitä löytyy nilviäisten , niveljalkaisten [2] ja onychophora [3] verestä . Mollusca-suvun sisällä hemosyaniini on laajalti levinnyt pääjalkaisten ja joidenkin kotijalkaisten keskuudessa . Niveljalkaisten tyypin sisällä - hevosenkenkärapujen , äyriäisten joukossa, hämähäkit [4] ja tuhatjalkaiset [5] , ja vuonna 2003 se löydettiin myös hyönteisluokan [6] edustajasta . On huomattava, että nilviäisten ja niveljalkaisten hemosyaniini eroaa rakenteeltaan ja joistakin ominaisuuksista, lisäksi on hemosyaniinit, jotka suorittavat muita toimintoja sen lisäksi, että ne kuljettavat happea kudoksiin - ei vain (eikä niin paljon) hengityksessä, vaan ensisijaisesti ravinnossa. [2] [7] . Joten voimme puhua hemosyaniineista samanlaisten metalloproteiinien ryhmänä [2] .
Hemosyaniinin pelkistetty muoto on väritön. Hapettunut muoto muuttuu siniseksi, havaitaan fluoresenssia [2] .
Jo 1700-luvun lopulla huomattiin, että nilviäisten verellä on sininen väri. Erityisesti tämän pani merkille kuuluisa ranskalainen luonnontieteilijä Georges Cuvier ( 1795 ) [8] .
Vuonna 1833 venetsialainen kemisti Bartolomeo Bizio ( it: Bartolomeo Bizio ) löysi kuparin neulakalaheimoon kuuluvien merikotililviäisten verestä [9] .
Vuonna 1878 belgialainen fysiologi Léon Frederic ( ranska: Léon Fredericq ) eristi sinisen pigmentin mustekala Octopus vulgariksen verestä . Todettiin, että kun veri kulki kidusten läpi, väritön veri muuttui siniseksi. Frederick ehdotti, että tämä aine kuljettaa happea elimiin ja kudoksiin. Hän ehdotti myös tämän pigmentin nimeä - "hemosyaniini", analogisesti hemoglobiinin kanssa ( muista kreikkalaisista sanoista κυανoῦς - taivaansininen, sininen). Frederick ehdotti, että hemosyaniini on hemoglobiinin täydellinen rakenteellinen ja toiminnallinen analogi , jossa kupari sisältyy kompleksiin porfyriinirenkaan kanssa , joka on samanlainen kuin hemoglobiinin hemi [9] [8] .
1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla löydettiin eroja hemoglobiinin ja hemosyaniinin rakenteessa. Erityisesti havaittiin, että hemosyaniinissa ei ole porfyriinirengasta. Hemosyaniinin oletettu proteettinen ryhmä on nimetty "hemokupriiniksi" [8] . Myöhemmin tuli tiedoksi, että hemosyaniinialayksikön kupari on suoraan liittynyt proteiiniketjuihin, eikä proteettista ryhmää sellaisenaan ole [9] [8] .
1900-luvun jälkipuoliskolla tutkittiin hemosyaanien rakenteen eri tasoja, sen ominaisuuksia ja hemosyaniinien eroja eri lajeissa. Lisäksi tutkittiin hemosyaniinien geneettistä sekvenssiä, jonka perusteella tehtiin uusia oletuksia eri niveljalkaisten ja nilviäisten ryhmien suhteesta. Hemosyaniinin käyttöä lääketieteessä tutkitaan [9] .
Niveljalkaisten hemosyaniinialayksikön molekyylipaino on noin 72 kilodaltonia , ja se on jaettu 3 domeeniin , joista jokaisella on erilainen tertiäärinen rakenne : domeeni I sisältää 5 tai 6 alfaheliksiä , domeeni Il-4 alfaheliksiä ja aktiivisen keskuksen, domain III - antiparallel beta barrel ( en:beta-barrel ), joka koostuu 7 beta-listasta [11] [12] . Nilviäisten hemosyaniinialayksikön molekyylipaino on paljon suurempi kuin niveljalkaisten, ja se on keskimäärin 350-400 kDa [2] , mutta voi olla jopa 550 kDa [10] . Alayksikkö sisältää 7 tai 8 toiminnallista elementtiä. Jokainen toiminnallinen elementti on jaettu kahteen alueeseen . α-domeeni sisältää 4 alfaheliksiä ja aktiivisen kohdan, kun taas β-domeeni sisältää antiparalleelisen beeta-tynnyrin , joka koostuu 7 Β-levystä [13] . Siten nilviäisten hemosyaniinin α-domeeni ja β-domeeni vastaavat toiminnallisesti niveljalkaisten hemosyaniinin domeeneja II ja III.
Aktiivisen keskuksen rakenne on sama niveljalkaisten ja nilviäisten hemosyaanien kohdalla. Se sisältää kaksi lähekkäin olevaa kuparikationia , jotka sitovat palautuvasti happimolekyylin kompleksiksi. Jokaista kuparikationia koordinoi kolme imidatsoliryhmää ( histidiinijäännöksiä ); hapetuksen aikana näiden kationien väliin jää happimolekyyli. Peptidiketju muodostaa silmukoita, jotka joko lähestyvät aktiivista kohtaa tai siirtyvät pois siitä, suurin silmukka (erottelee histidiinitähteet His204 ja His324) koostuu 119 aminohappotähteestä [ 14] .
Hapettamattomassa muodossa kuparikationit ovat hapetustilassa +1 , 4,6 Å :n etäisyydellä toisistaan , eikä niiden välillä ole kemiallista sidosta. N–Cu–N- konfiguraatio on lähellä kolmiomaista ja Cu–N- etäisyydet ovat 1,9–2,1 Å. Hapetettuna kupari-ionit saavat hapetusasteen +2. Kuparikationit lähestyvät toisiaan ja Cu–Cu etäisyys on 3,6 Å ja Cu–O etäisyys 1,8–1,9 Å. Kupari-ionien lähestymisen seurauksena N–Cu–N- kulmat lähestyvät tetraedristä . Lisäksi Cu–N- sidokset muuttuvat eripituisiksi: kunkin ionin ympäristössä kahden sidoksen pituus on 1,9-2,0 Å ja kolmas sidos pitenee 2,3 Å:iin [14] .
Hemosyaniinialayksikkö on kuparin ja proteiinin kompleksi . Toisin kuin hemoglobiini, metalliatomit on kytketty suoraan aminohappoon eivätkä proteettiseen ryhmään [15] .
Niveljalkaisten hemosyaniinimonomeeri koostuu 6 alayksiköstä ja sen muoto on oktaederinen . Niveljalkaisissa hemosyaniinia esiintyy monomeereinä (1 × 6), dimeereinä (2 × 6), tetrameereinä (4 × 6), heksameereinä (6 × 6) ja oktameereinä (8 × 6) [2] [4] .
Nilviäisten hemosyaniinialayksikkö, kuten jo todettiin, koostuu 7 tai 8 aktiivisesta kohdasta , toisin kuin niveljalkaisten hemosyaniini, jonka alayksikössä on vain yksi aktiivinen kohta. Molekyylin muoto muistuttaa onttoa sylinteriä [2] . Nilviäisten hemosyaniini voidaan esittää dekamereina (1x10) ja didekamereinä (2x10), mutta usein yhdistettyinä hyvin suuriksi ryhmiksi [2] . Siten etanan hemosyaniinimolekyylit voivat saavuttaa molekyylipainon yli 9 miljoonaa daltonia, mikä on yksi suurimmista orgaanisista yhdisteistä [16] . Tällaiset hemosyaniinin suuret koot mahdollistavat sen yhteistoiminnallisten ominaisuuksien ilmentymisen paremmin.
Vuonna 2002 hemosyaniinia löydettiin Onychophora -tyypin jäsenestä [3] . Rakenteeltaan tämä aine on samanlainen kuin niveljalkaisten hemosyaniini [3] .
Hemosyaniinilla, kuten hemoglobiinilla, on yhteistoimintakykyä , eli kun yksi alayksikkö kiinnittyy happimolekyyliin, se lisää viereisten alayksiköiden happiaffiniteettia. Nilviäisten hemosyaniinin yhteisvaikutus on suhteellisen alhainen ( Hill-kerroin on noin 2), niveljalkaisten hemosyaniinin yhteisvaikutus on paljon korkeampi (Hill-kertoimen arvo voi olla 9) [2] .
Toisin kuin hemoglobiini, joka on osa erytrosyyttejä , hemosyaniinimolekyylit liukenevat hemolymfiin [2] . Tästä johtuen hemosyaniinimonomeerit voivat yhdistyä erittäin suuriksi komplekseiksi, mikä mahdollistaa sen yhteistoiminnallisten ominaisuuksien paremmin ilmentämisen ja yleensä paremmin hapen kuljettamisen. Tämä on erityisen tärkeää vähähappisissa ympäristöissä eläville organismeille. Hemosyaniinipitoisuus nilviäisten hemolymfissä vaihtelee 1–3 %:sta Chiton en: Cryptochiton stelleri -mustekala Octopus vulgariksen 11 %:iin [17] . Äyriäisten pitoisuus hemolymfissä vaihtelee myös eri lajeissa melko laajalla alueella, 3-10 % [18] . Kroonisessa hypoksiassa hemosyaniinin pitoisuus hemolymfissä kasvaa merkittävästi, mikä kompensoi hapenpuutetta vedessä [18] . Meren äyriäisten veren hemosyaniinipitoisuuden analyysiä voidaan käyttää ympäristön tilan seurantaan [18] .
Hapen sitoutumisprofiiliin vaikuttavat merkittävästi hemolymfin ionipitoisuus ja pH [19] [20] . On todettu, että niveljalkaisten ruumiinlämpötilan muutos johtaa hemolymfin pH-tekijän muutokseen . Lämpötilan nousu 10 astetta alentaa pH:ta 0,3 [19] [20] . Siten hemolymfin pH:n muutosten kautta niveljalkaiset mukauttavat kykyä kuljettaa happea ja hemosyaniinin yhteistoiminnallisia ominaisuuksia ympäristöolosuhteisiin [2] . Tutkimukset ovat osoittaneet, että lähes kaikki kuningasravun hemosyaniinit , jotka elävät vedessä, jonka lämpötila on +1 ... + 5 °, ovat hapettumattomassa muodossa, kun taas tarantula Eurypelma californicumin hemosyaniinit elävät alueiden aavikoissa . lounais -Yhdysvaltoja + 30 °C:n lämpötiloissa, yli 90 % hapetettuna [2] [21] .
Hemosyaniini voi sitoutua paitsi hapen, myös hiilimonoksidin kanssa muodostaen karboksihemosyaniinia. Tämä paljastaa myös yhteistyövaikutuksen [22] .
Kotiloissa hemosyaniinin synteesi tapahtuu sidekudoksen huokossolujen avulla . Pääjalkaisilla kidusten sydämen seinämät ovat hemosyaniinin synteesipaikka [23] .
Niveljalkaisten hematopoieesia on tutkittu tarkemmin. Heillä ei ole erikoistuneita hematopoieettisia elimiä , yksittäiset hematopoieesipesäkkeet voivat sijaita sidekudoksessa ja verisuonten seinämissä . Äyriäisissä hemosyaniinin synteesiä suorittavat erityiset verisolut - syanosyytit , jotka kehittyvät syanoblasteista . Kypsät syanosyytit erittävät hemosyaniinia hemolymfiin [24] . Hevosenkenkäravuissa hematopoieettiset pesäkkeet ovat erillisiä hemosyyttien ryhmiä sidekudoksessa ja poskionteloissa, joissa niistä muodostuu syanosyyttejä , jotka ovat samanlaisia kuin äyriäisten syanosyytit [25] [26] .
Hemosyaniini voi toimia paitsi hapen kantajana, myös suorittaa muita toimintoja.
Joskus hemosyaniinit toimivat tyrosinaasina , entsyyminä , joka katalysoi tyrosiinin hapettumista . Tällaiset hemosyaniinit eivät sisällä aminohappoja, jotka estävät fenolien pääsyn entsyymin aktiivisiin keskuksiin . On huomattava, että hemosyaniineilla ja tyrosinaaseilla on yhteinen alkuperä ja ne erotettiin noin 700 miljoonaa vuotta sitten. Chelicerae , kuten hämähäkit ja skorpionit , voivat katalysoida melaniinin synteesiä hemosyaniinin avulla [27] . Voidaan olettaa samanlaisen mekanismin olemassaoloa muissa niveljalkaisissa sekä nilviäisissä. Joillakin hämähäkkieläimillä on kahta tyyppiä hemosyaanit kerralla. Toinen osallistuu hapen siirtoon ja toinen katalysoi tyrosiinin hapettumista [2] .
Joillakin äyriäisillä on havaittu olevan hemosyaniinia lähellä oleva yhdiste nimeltä kryptosyaniini . Kryptosyaniini on menettänyt kykynsä sitoa happea ja on rakenteellinen proteiini, joka säätelee äyriäisten sulamisprosesseja [28] .
Hyönteisissä on heksameriiniproteiinia . _ Sen oletetaan syntyneen hemosyaniinista, mutta menetti kupariatomeja ja sen seurauksena kykynsä sitoa happea [29] . Hyönteisten heksameriini toimii ravintovarastona [29] . On mielenkiintoista huomata, että vuonna 2003 hemosyaniinia, hapen kantajaa, löydettiin myös hyönteisestä, kivikärpäsestä Perla marginata . Samanaikaisesti tämän hemosyaniinin rakenne eroaa muiden niveljalkaisten hemosyaniinista - sen alayksikkö sisältää kaksi aktiivista keskusta ja vastaavasti 4 kupariatomia [6] .
Sekä niveljalkaisten että nilviäisten hemosyaniinit ovat peräisin tyrosinaaseista [30] . Niiden evoluutiopolku tämäntyyppisissä eläimissä on kuitenkin erilainen. Niveljalkaisten hemosyaniinin evoluution ensimmäisessä vaiheessa tapahtui tyrosinaasigeenin (tai vastaavan entsyymin) kaksinkertaistuminen , jonka seurauksena ilmestyi proteiini, jossa oli 2 kupariatomia ja joka pystyi sitomaan happea. Myöhemmin tämä proteiini sai kyvyn polymeroitua , mikä oli tärkeää yhteistyöominaisuuksien ilmentymiselle [31] . Nilviäisten hemosyaniini on käynyt läpi 3 geenin päällekkäisyyttä, minkä seurauksena nilviäisten hemosyaniinialayksikkö sisältää 8 aktiivista kohtaa [31] . Niveljalkaisten ja nilviäisten hemosyaniineilla on merkittäviä eroja sekä kvaternaarisessa rakenteessa että geneettisessä järjestyksessä. Tämä viittaa siihen, että ne syntyivät näissä ryhmissä toisistaan riippumatta [30] .
Hemosyaniinien eroaminen cheliceroista ja äyriäisistä tapahtui noin 600 miljoonaa vuotta sitten. Cheliceric-hemosyaniinilla on melko konservatiivinen rakenne. Hämähäkkieläinten hemosyaniinin eroaminen muista cheliceroista tapahtui 550-450 miljoonaa vuotta sitten. Hemosyaniinien ja korkeampien rapujen ( Malacostraca ) ja hyönteisten heksameriinien eron iäksi arvioidaan 430-440 miljoonaa vuotta. Hemosyaniinien eroaminen äyriäisryhmän sisällä alkoi paljon myöhemmin, noin 200 miljoonaa vuotta sitten. Kymmenjalkaisten ( Decapoda ) happea kuljettamattomat kryptosyaniinit erosivat päälinjasta noin 215 miljoonaa vuotta sitten. Hemosyaniinien eron ajoitus eri niveljalkaisten ryhmissä voi tukea teoriaa kuusijalkaisten ja korkeampien rapujen yhteisestä alkuperästä [32] [29] [33] . Voidaan havaita suuntaus kohti hemosyaniinimonomeerien määrän vähenemistä alayksikössä evoluution aikana [30] .
Vuonna 2002 löydetty hemosyaniini onychophora erottui niveljalkaisten yhteisestä haarasta ennen kuin ero niveljalkaisten ryhmän sisällä alkoi, mutta näillä hemosyaniinilla on kuitenkin yhteinen alkuperä [3] .
Hemosyaniinien evoluution tutkimus mahdollisti eri niveljalkaisten ja nilviäisten ryhmien välisen suhteen selvittämisen [29] .
Mahdollisuutta käyttää hemosyaniinia lääketieteessä osana kasvainrokotteita tutkitaan. Kun muodostuu konjugaatteja kasvainantigeenien kanssa , se lisää merkittävästi niiden immunogeenisuutta . Tämä adjuvantti auttaa voittamaan immunologisen toleranssin tai tehostamaan immuunivastetta gangliosidiantigeeneille (GM2, GD2, GD3). T-solujen immuunivasteen korkea taso havaittiin käytettäessä hemosyaniinikonjugaatteja musiinin kanssa [34] [35] . Oletetaan, että niitä voidaan käyttää myös dendriittirokotteiden hankintatekniikassa. Syöpärokotteita tutkitaan kliinisesti käyttämällä tätä adjuvanttia yhdessä idiotyyppisten vasta -aineiden kanssa B- solulymfoomassa ja anti-idiotyyppisten vasta-aineiden kanssa kolorektaalisessa karsinoomassa [36] [37] .