Кіріспе
Кейбір омыртқасыз жануарлардың денесінде оттегі тасымалдайтын ақуыздар
Гемоцианиндер (кейде гемоцианиндер деп те жазылады және Hc деп қысқартылады) – кейбір омыртқасыз жануарлардың денесінде оттегі тасымалдайтын ақуыздар. Бұл металлопротеиндерде бір оттегі молекуласын (O2) қайтымды түрде байланыстыратын екі мыс атомы бар. Олар оттегі тасымалдау молекуласы ретінде гемоглобиннен кейін жиі қолданылады. Омыртқалы жануарлардың қан жасушаларындағы гемоглобиннен айырмашылығы, гемоцианиндер қан жасушаларында шоғырланбайды, ал гемолимфада еркін жүзеді. Оттегімен қанығу кезінде түсі өзгереді – оттегісіз түрдегі Cu(I) түссіз, ал оттегіленген түрдегі Cu(II) көк түсті болады.
Түрлердің таралуы
Гемоцианинді алғаш рет Леон Фредерик 1878 жылы *Octopus vulgaris* түрінде тапқан. Молюскаларда мыс бар екенін Бартоломео Бицио 1833 жылы одан да ертерек анықтаған. Гемоцианиндер моллюскалар және артроподтарда, оның ішінде баспаяқтылар мен қабықтылылардың арасында кездеседі, сондай-ақ кейбір құрлықтағы артроподтар, мысалы *Eurypelma californicum* тарантулы, императорлық шаян және *Scutigera coleoptrata* сантипедасы қолданады. Бұған қоса, көптеген жәндіктердің дернәсілдеріндегі қойма ақуыздары гемоцианиндерден пайда болған болуы мүмкін.
Гемоцианиндер суперотбасы
Артропод гемоцианиндер суперотбасы фенолоксидазалар, гексамериндер, псевдогемоцианиндер немесе криптоцианиндер және (диптерлік) гексамерин рецепторларынан құралған. Фенолоксидазалар – мыс қамтитын тирозиназалар. Бұл ақуыздар буынты жануарлардың қабығының склеротизация процесіне, жараның жазылуына және гуморальдық иммундық қорғанысқа қатысады. Фенолоксидазалар зимогендер арқылы синтезделеді және N-терминалды пептидті кесіп алып белсендіріледі. Гексамериндер – жәндіктерде жиі кездесетін қойма ақуыздары. Бұл ақуыздар личинканың майлы денесінде синтезделеді және молдау циклдарымен немесе қоректік жағдайлармен байланысты. Псевдогемоцианин және криптоцианиндердің генетикалық тізбектері шаяндылардағы гемоцианиндерге өте жақын. Бұл ақуыздардың құрылымы мен функциясы ұқсас, бірақ мыс байланысу орындары жоқ. Гемоцианин суперотбасының филогенетикасындағы эволюциялық өзгерістер әртүрлі түрлерде осы әртүрлі ақуыздардың пайда болуымен тығыз байланысты. Осы суперотбасының құрамындағы ақуыздарды толық түсіну үшін буынты жануарлардағы гемоцианинді жан-жақты зерттеу қажет.
Құрылымы мен механизмі
Гемоцианиннің тыныс алу қызметі гемоглобиндікіне ұқсас болғанымен, оның молекулалық құрылымы мен механизміне қатысты маңызды айырмашылықтар бар. Гемоглобин темір атомдарын порфирин сақиналарында (гема топтары) тасымалдаса, гемоцианиннің мыс атомдары гистидин қалдықтарымен координацияланған протездік топтар ретінде байланысады. Әрбір гемоцианин мономеры алты гистидин қалдықтарының имидазол сақиналарымен өзара әрекеттесу арқылы бір жұп мыс(I) катионын ұстайды. Қысқылтекті тасымалдауға гемоцианинді пайдаланатын түрлерге суық және төмен қысымды ортада тіршілік ететін шабақтар жатады. Мұндай жағдайларда гемоглобиннің оттекті тасымалдауы гемоцианинге қарағанда тиімсіз. Дегенмен, жылы климатта тіршілік ететін мойындылар мен сарышаяндар сияқты құрлықта тіршілік ететін буынтық аяқтылар да гемоцианин пайдаланады. Молекула конформациялық тұрақты және 90 градусқа дейін температурада толыққанды жұмыс істейді. Көптеген гемоцианин оттегімен кооперативті емес байланысады және қанның бірдей мөлшері үшін гемоглобинге қарағанда оттекті тасымалдауда шамамен төрттен бір бөлігі ғана тиімді. Гемоглобин ақуыз кешеніндегі стерикалық конформациялық өзгерістерге байланысты оттегімен кооперативті байланысады, бұл гемоглобиннің жартылай тотыққан кезде оттегіге деген туыстығын арттырады. Жылқының ілгегі крабтарының және басқа да буынтық аяқтылардың кейбір гемоцианиндерінде 1,6–3,0 Хилл коэффициенттерімен кооперативтік байланыс байқалады. Хилл коэффициенттері түрлерге және зертханалық өлшеу жағдайларына байланысты өзгереді. Гемоглобиннің Хилл коэффициенті әдетте 2,8–3,0 құрайды. Бұл жағдайларда кооперативтік байланыс 6 суббұрыштан тұратын гемоцианиннің ақуыз субкешендерінде (гексамер) жүзеге асырылады, олардың әрқайсысы бір оттегі байланысу орнына ие. Кешендегі бір бірлікке оттегі байланысқанда, көршілес бірліктердің туыстығы артады. Әрбір гексамерлік кешен ондаған гексамерлерден тұратын үлкен кешенді құрау үшін бірігеді. Бір зерттеуде кооперативтік байланыстың үлкен кешенде гексамерлердің орналасуына байланысты екені анықталды, бұл гексамерлер арасындағы кооперативтік байланысты көрсетеді. Гемоцианиннің оттегімен байланысу профиліне еріген тұз иондарының деңгейі мен pH-тың да әсері бар. Гемоцианин көптеген жеке суббұрыш ақуыздардан тұрады, олардың әрқайсысында екі мыс атомы бар және бір оттегі молекуласын (O2) байланыстыра алады. Әрбір суббұрыштың салмағы шамамен 75 килодальтон (кДа) құрайды. Суббұрыштар түрлерге байланысты димерлер немесе гексамерлер түрінде орналасады; димер немесе гексамер кешені 1500 кДа-дан асатын салмақты тізбектер немесе кластерлер түрінде орналасады. Суббұрыштар әдетте гомогенді болады немесе екі түрлі суббұрыш түрі бар гетерогенді болады. Гемоцианиннің үлкен мөлшеріне байланысты, ол гемоглобиндіктей қанда еркін қалқымайды. Гексамерлер буынтық аяқтылар гемоцианиніне тән. Eurypelma californicum тарантулының гемоцианині 6 гексамерден немесе 36 тізбектен тұрады. Жылқының ілгегі крабтарының гемоцианині 8 гексамерлік (яғни 48 тізбекті) болады. Panulirus interruptus тікенді лобстері мен Bathynomus giganteus изоподаларында қарапайым гексамерлер кездеседі. Екі жағдайда да ферменттердің белсенді емес прекурсорлары (зимогендер немесе проферменттер деп те аталады) алдымен белсендірілуі керек. Бұл профермент белсенді емес кезде белсенді орынға кіретін арнаны бұзатын амин қышқылын алып тастау арқылы жүзеге асырылады. Қазіргі уақытта проферментті белсендіру және каталитикалық белсенділікті қамтамасыз ету үшін қажетті басқа өзгерістер белгілі емес. Конформациялық айырмашылықтар гемоцианиннің атқаратын каталитикалық белсенділігінің түрін анықтайды. Гемоцианин фенол оксидаза белсенділігін де көрсетеді, бірақ белсенді орындағы стерикалық кедергілердің артуына байланысты кинетикасы баяулайды. Ішінара денатурациялау белсенді орынға жақсы қол жеткізуді қамтамасыз ету арқылы гемоцианиннің фенол оксидаза белсенділігін жақсартады. Мұндай модельдердің бірінде пероксолигантпен бүйірінен жалғастырылған мыс орталықтарының жұбы 741 см−1 ν(O O) және 349 және 551 нм-де сіңірушіліктері бар УФ-Ви спектрін көрсетеді. Бұл екі өлшем де оксиГц үшін эксперименттік байқаулармен сәйкес келеді. Модель кешеніндегі Cu-Cu арақашықтығы 3,56 Å, оксигемоцианин үшін шамамен 3,6 Å (дезоксиГц: шамамен 4,6 Å).
Most hemocyanins bind with oxygen non cooperatively and are roughly one fourth as efficient as hemoglobin at transporting oxygen per amount of blood. Hemoglobin binds oxygen cooperatively due to steric conformation changes in the protein complex, which increases hemoglobin's affinity for oxygen when partially oxygenated. In some hemocyanins of horseshoe crabs and some other species of arthropods, cooperative binding is observed, with Hill coefficients of 1.6–3.0. Hill coefficients vary depending on species and laboratory measurement settings. Hemoglobin, for comparison, has a Hill coefficient of usually 2.8–3.0. In these cases of cooperative binding hemocyanin was arranged in protein sub complexes of 6 subunits (hexamer) each with one oxygen binding site; binding of oxygen on one unit in the complex would increase the affinity of the neighboring units. Each hexamer complex was arranged together to form a larger complex of dozens of hexamers. In one study, cooperative binding was found to be dependent on hexamers being arranged together in the larger complex, suggesting cooperative binding between hexamers. Hemocyanin oxygen binding profile is also affected by dissolved salt ion levels and pH. Hemocyanin is made of many individual subunit proteins, each of which contains two copper atoms and can bind one oxygen molecule (O2). Each subunit weighs about 75 kilodaltons (kDa). Subunits may be arranged in dimers or hexamers depending on species; the dimer or hexamer complex is likewise arranged in chains or clusters with weights exceeding 1500 kDa. The subunits are usually homogeneous, or heterogeneous with two variant subunit types. Because of the large size of hemocyanin, it is usually found free floating in the blood, unlike hemoglobin. Hexamers are characteristic of arthropod hemocyanins. A hemocyanin of the tarantula Eurypelma californicum is made up of 6 hexamers or 36 chains. Horseshoe crabs have an 8 hexamer (i. e. 48 chain) hemocyanin. Simple hexamers are found in the spiny lobster Panulirus interruptus and the isopod Bathynomus giganteus. In both cases inactive precursors to the enzymes (also called zymogens or proenzymes) must be activated first. This is done by removing the amino acid that blocks the entrance channel to the active site when the proenzyme is not active. There is currently no other known modifications necessary to activate the proenzyme and enable catalytic activity. Conformational differences determine the type of catalytic activity that the hemocyanin is able to perform. Hemocyanin also exhibits phenol oxidase activity, but with slowed kinetics from greater steric bulk at the active site. Partial denaturation actually improves hemocyanin's phenol oxidase activity by providing greater access to the active site. One such model, which features a pair of copper centers bridged side on by peroxo ligand, shows ν(O O) at 741 cm−1 and a UV Vis spectrum with absorbances at 349 and 551 nm. Both of these measurements agree with the experimental observations for oxyHc. The Cu Cu separation in the model complex is 3.56 Å, that of oxyhemocyanin is ca. 3.6 Å (deoxyHc: ca. 4.6 Å).
Қатерлі ісікке қарсы әсері
Чилилік аволонның (Concholepas concholepas) қанындағы гемоцианин, егешқұйрықты егештер модельдерінде көк шөлке қатерлі ісігіне қарсы иммунотерапиялық әсерге ие. Көк шөлке ісігінің (MBT 2) жасушаларын имплантациялау алдында C. concholepas-пен алдын ала емделген тышқандар. C. concholepas гемоцианинімен емделген тышқандарда ісікке қарсы әсерлер байқалды: ұзақ өмір сүру, ісіктің өсуі мен таралу жиілігінің төмендеуі, уытты әсерлердің болмауы. Бұл, болашақта көк шөлке қатерлі ісігінің беткі түрлерін емдеуде иммунотерапиялық қолдануға мүмкіндік береді. Keyhole limpet hemocyanin (KLH) – теңіз жұмсақ денелісі Megathura crenulata-ның қан ағынындағы гликопротеиндерінен алынған иммундық стимулятор. KLH in vitro жағдайында сүт безі, бүйрек безі және простата қатерлі ісігі жасушаларының көбеюіне қарсы тиімді ем ретінде дәлелденген. Кілт тесігі бар гемоцианин, адамның Барретт асқазан-ішек қатерлі ісігінің өсуін апоптоздық және апоптоздық емес жасуша өлімі механизмдері арқылы тежейді.
Кейс-студиялар: гемоцианның деңгейіне әсері
2003 жылы Litopenaeus vannamei ақшаңырауқұлағының қан метаболиттері мен гемоцианиніне өсіру ортасының әсерін зерттеуде, гемоцианиннің, әсіресе оксигемоцианиннің деңгейіне диетаның әсер ететіні анықталды. Зерттеу жабық тоғанда коммерциялық диетамен өсірілген ақшаңырауқұлағының қанындағы оксигемоцианин деңгейін, ашық тоғанда табиғи тірі жеммен тоқтатылған ақшаңырауқұлағының қанындағы оксигемоцианин деңгейімен салыстырды. Ашық тоғандағы ақшаңырауқұлағының қанында оксигемоцианин және қандағы глюкоза деңгейі жоғары болды. Сондай-ақ, ашық тоғандағы ақшаңырауқұлағымен салыстырғанда, крабтар, лобстерлер және жабық тоғандағы ақшаңырауқұлақ сияқты белсенділігі төмен түрлерде қан метаболиттерінің деңгейі төмендеу болды. Бұл корреляциялық байланыс шағын қыбыршақтылардың морфологиялық және физиологиялық эволюциясын көрсетеді. Осы қан ақуыздары мен метаболиттерінің деңгейі энергетикалық қажеттілікке және осы энергия көздерінің қолжетімділігіне байланысты болып көрінеді.