Кіріспе
Балырдағы ақуыздық кешендер Фикоцианин – алофикоцианин және фикоэритринмен бірге жарық жинағыш фикобилипротеиндер тобына жататын пигменттік ақуыздық кешен. Ол хлорофиллге қосымша пигмент болып табылады. Барлық фикобилипротеиндер суда еритін болғандықтан, каротиноидтар сияқты мембранада бола алмайды. Оның орнына фикобилипротеиндер фикобилисомалар деп аталатын мембранаға жабысатын кластерлерді құрастырып, жинақталады. Фикоцианин ерекше ашық көк түсті, қызыл және күлгін түсті, әсіресе 620 нм-ге жуық толқын ұзындығындағы жарықты сіңіреді (нақты түріне байланысты), ал 650 нм шамасында флуоресценция шығарады (бұл да түріне байланысты). Алофикоцианин фикоцианин С немесе фикоцианин Р-ге қарағанда ұзақ толқын ұзындығында сіңіреді және шығарады. Фикоцианиндер цианобактерияларда (көк-жасыл балдырлар деп те аталады) кездеседі. Фикобилипротеиндердің флуоресценттік қасиеттері иммуноанализдік жиынтықтарда қолданылады. Фикоцианин грек тіліндегі “phyco” сөзінен (“балдыр” деген мағынада) және ағылшын тіліндегі “cyan” сөзінен шыққан, ол көк-жасыл түстің бір реңін білдіреді (“аква” түсіне жақын) және грек тіліндегі “kyanos” сөзінен туындаған, ол сәл басқа түсті білдіреді: “қою көк”. Aphanizomenon flos aquae және Spirulina өндірген фикоцианин, мысалы, тамақ және сусын өнеркәсібінде “Lina Blue” немесе “EXBERRY Shade Blue” табиғи бояғыш ретінде қолданылады және тәттілер мен мұздақта кездеседі. Сонымен қатар, су сынамаларындағы фикоцианин пигменттерін флуоресценциялық әдіспен анықтау цианобактериялардың биомассасын бақылаудың тиімді тәсілі болып табылады. Фикобилипротеиндер екі суббірліктен (альфа және бета) тұрады, олардың негізгі тірегіне 1-2 сызықты тетрапиррол хромофоры ковалентті байланысқан. C фикоцианины көбінесе ыстық су бұлақтарының маңында өсетін цианобактерияларда кездеседі, себебі ол шамамен 70°C-қа дейін тұрақты болады, 20 және 70°C температурада бірдей спектроскопиялық (жарық сіңіретін) қасиеттерге ие. Термофильдердегі аминқышқылдарының тізбегі сәл өзгеше болғандықтан, олар осы жоғары температурада тұрақты болады. Молекулалық салмағы шамамен 30 000 Да. Бұл протеиннің in vitro жағдайындағы осы температурадағы тұрақтылығы айтарлықтай төмен екені көрсетілген. Тазартылған күйде 65°C температурада 1 минутқа ұшырағаннан кейін протеиннің фотоспектрлік талдауы үшінші құрылымның 50% жоғалуын көрсетті.
Phycocyanin is a pigment protein complex from the light harvesting phycobiliprotein family, along with allophycocyanin and phycoerythrin. It is an accessory pigment to chlorophyll. All phycobiliproteins are water soluble, so they cannot exist within the membrane like carotenoids can. Instead, phycobiliproteins aggregate to form clusters that adhere to the membrane called phycobilisomes. Phycocyanin is a characteristic light blue color, absorbing orange and red light, particularly near 620 nm (depending on which specific type it is), and emits fluorescence at about 650 nm (also depending on which type it is). Allophycocyanin absorbs and emits at longer wavelengths than phycocyanin C or phycocyanin R. Phycocyanins are found in cyanobacteria (also called blue green algae). Phycobiliproteins have fluorescent properties that are used in immunoassay kits. Phycocyanin is from the Greek phyco meaning “algae” and cyanin is from the English word “cyan", which conventionally means a shade of blue green (close to "aqua") and is derived from the Greek “kyanos" which means a somewhat different color: "dark blue". The product phycocyanin, produced by Aphanizomenon flos aquae and Spirulina, is for example used in the food and beverage industry as the natural coloring agent 'Lina Blue' or 'EXBERRY Shade Blue' and is found in sweets and ice cream. In addition, fluorescence detection of phycocyanin pigments in water samples is a useful method to monitor cyanobacteria biomass. The phycobiliproteins are made of two subunits (alpha and beta) having a protein backbone to which 1–2 linear tetrapyrrole chromophores are covalently bound. C phycocyanin is often found in cyanobacteria which thrive around hot springs, as it can be stable up to around 70 °C, with identical spectroscopic (light absorbing) behaviours at 20 and 70 °C. Thermophiles contain slightly different amino acid sequences making it stable under these higher conditions. Molecular weight is around 30,000 Da. Stability of this protein in vitro at these temperatures has been shown to be substantially lower. Photo spectral analysis of the protein after 1 min exposure to 65 °C conditions in a purified state demonstrated a 50% loss of tertiary structure.
Құрылымы
Фикоцианин барлық фикобилипротеиндерге тән жалпы құрылымдық қағиданы бөліседі. Құрылымы фикобилипротеин мономерлерінің құрастырылуынан басталады, олар α және β суббірліктерінен тұратын гетеродимерлер және тиоэфир байланысы арқылы байланысты олардың сәйкес хромофорлары. Әрбір суббірлік әдетте сегіз α-спиральдан тұрады. Мономерлер өздігінен жиналып, айналмалы симметриясы және орталық арнасы бар сақина тәрізді тримерлерді (αβ)₃ құрайды. Тримерлер жұптарда агрегатталып, кейде қосымша байланыстырушы ақуыздармен көмектесіліп, гексамерлерді (αβ)₆ құрайды. Фикобилизома таяқшаларының әрқайсысында әдетте екі немесе одан да көп фикоцианин гексамерлері болады. Фикобилипротеиндердің құрылымы мен құрастырылуындағы жалпы ұқсастыққа қарамастан, тек фикоцианиндерді ескергенде де гексамерлік және таяқшалық конформацияларда үлкен әртүрлілік бар. Ірі масштабта фикоцианиндердің кристалдық құрылымы да әр түрлі, бірақ оның биологиялық маңыздылығы күмәнді. Мысалы, *Synechococcus vulcanus* түрінен алынған C фикоцианинінің құрылымы 1,6 Ангстрем ажыратымдылығына дейін нақтыланды. (αβ) мономеры 332 аминқышқылынан және 3 тио-байланысты фикоцианобилин (PCB) кофактор молекулаларынан тұрады. α және β суббірліктерінің екеуінде де 84-ші аминқышқылында PCB бар, бірақ β суббірлігінде 155-ші позицияда қосымша PCB бар. Бұл қосымша PCB тримерлік сақинаның сыртына қарап тұрады, сондықтан фикобилизома кешеніндегі таяқшалар арасындағы энергияның берілуіне қатысады. Кофакторлардан басқа, құрылымдық тұрақтылыққа үлес қосатыны болжанатын, айналадағы ортамен (сумен) көптеген болжанған ковалентті емес өзара әрекеттесулер бар. R фикоцианині II (R PC II) кейбір *Synechococcus* түрлерінде кездеседі. R PC II цианобактериядан шыққан фикоцианин құрамындағы алғашқы PEB болып саналады.
Спектрлік сипаттамалары
C фикоцианинінің ~621 нм толқын ұзындығында бір ғана сіңіру шыңы бар, ол организмге және температура, pH деңгейі мен белок концентрациясы сияқты жағдайларға байланысты сәл өзгереді. Оның максималды сәуле шығаруы ~642 нм. Цианобактерияларда фикоцианиннің жоғары концентрациясы болғанымен, мұхиттағы өнімділік жарық жағдайларына байланысты әлі де шектеулі. Мысалы, Балтық теңізінде жүргізілген зерттеуде фикоцианин уытты жазғы гүлдену кезінде талшықты цианобактерияларды анықтау үшін маркер ретінде пайдаланылды. Фикоцианин өндірісінің әртүрлі әдістері бар, оның ішінде фотоавтотрофтық, миксотрофтық, гетеротрофтық және рекомбинантты өндіріс. Гетеротрофтық өндіріс фикоцианинінің жарыққа тәуелділігі жоқ, өйткені бұл оның анықтамасымен сәйкес келеді.
Биосинтез
cpcA және cpcB гендері cpc оперонында орналасқан және бірдей мРНҚ транскриптінен аударылады, олар сәйкесінше C PC α және β тізбектерін кодтайды. Фикобилин синтезіне қатысатын линкерлік ақуыздар, ферменттер және фикобилипротеиндер сияқты қосымша элементтер көбінесе жақын орналасқан гендер кластерлеріндегі гендермен кодталады, ал Arthrospira platensis cpc опероны C PC кешендерін құрастыруға көмектесетін линкерлік ақуызды да кодтайды. Қызыл балдырларда фикобилипротеин және линкерлік ақуыз гендері пластид геномында орналасқан. Фикоцианобилин гемадан синтезделеді және үш ферменттік қадам арқылы C PC апо ақуызына енгізіледі. Циклдік гема гема оксигеназа ферменті арқылы сызықтық биливердин IXα-ға тотықтырылады, содан кейін 3Z фикоцианобилин: ферродоксин оксидоредуктаза ферменті арқылы 3Z фикоцианобилинге, басым фикоцианобилин изомеріне айналады. 3Z фикоцианобилиннің C PC апо ақуызына тиоэфирлік байланыс арқылы енуі фикоцианобилин лиаза ферментімен катализделеді. cpc оперонының промоторы cpcB генінің 427 bp жоғары жағындағы аймағында орналасқан. A. platensis-те аймақта алты потенциалды промотор тізбегі анықталды, олардың төртеуі E. coli бактериясына трансформацияланғанда жасыл флуоресцентті ақуыздың экспрессиясын көрсетті. Сонымен қатар, осы аймақта жарыққа жауап беретін элементтер сияқты басқа да оң элементтердің бар екендігі де көрсетілді. cpc оперонындағы көптеген промоторлар мен жауап элементтері цианобактериялар мен қызыл балдырларға көптеген қоршаған орта жағдайларына жауап ретінде экспрессиясын реттеуге мүмкіндік береді. cpcA және cpcB гендерінің экспрессиясы жарықпен реттеледі. Төмен жарық интенсивтілігі CPC және басқа пигменттердің синтезін ынталандырады, ал жоғары жарық интенсивтілігінде пигмент синтезі тежеледі. Температураның синтезге әсері де байқалды, мысалы, Arthronema africanum цианобактериясында, оның C PC және APC құрамы жоғары, белгілі бір пигмент концентрациясы 36 °C-та максималды мәнге жетеді. Азот және темірдің жетіспеуі фикобилипротеиннің ыдырауына әкеледі. Органикалық көмір көздері Anabaena spp. түрлерінде C PC синтезін ынталандырады, бірақ A. platensis-те айқын теріс әсері байқалмайды. Родофиттер Cyanidium caldarium және Galdieria sulphuraria түрлерінде C PC өндірісі глюкозамен тежеледі, бірақ гемамен ынталандырылады.
Биотехнология
Әртүрлі балдырлардан таза фикоцианинді бөліп алуға болады. Негізгі бөлу реті мынадай: жасуша қабырғасын механикалық күштермен (тоңдыру-еріту) немесе химиялық заттармен (ферменттер) бұзу. Содан кейін фикоцианин центрифугалау арқылы бөлініп алынып, аммоний сульфаты тұнбалау немесе иондық немесе гельді сүзгілеу хроматографиясы арқылы тазартылады. Соңында үлгі мұздатылып кептіріледі.
Қолданбалар
Фикоцианин көптеген салаларда қолданылады, әсіресе медицина және тағамдық өнімдерде кеңінен қолданылады. Ол генетикада да қолданылуы мүмкін, онда табиғи люминесценциясының арқасында іздеуші ретінде қызмет етеді.
Окистену және қабынуға қарсы
Фикоцианин антиоксиданттық және қабынуға қарсы қасиеттерге ие. Пероксил, гидроксил және алкоксил радикалдары – барлығы C-ПК арқылы залалсыздандырылатын тотықтырғыштар. Дегенмен, C-ПК пероксил радикалдарына күштірек әсер етеді. C-ПК – металл байланыстыратын антиоксидант, себебі ол липидтердің пероксидтелуіне жол бермейді. Гидроксил радикалдарын залалсыздандыру үшін, оны төмен жарықта және жоғары C-ПК концентрациясында жасау қажет. Гидроксил радикалдары денедегі қабынулы аймақтарда кездеседі. C-ПК антиоксидант ретінде осы зақым келтіретін радикалдарды залалсыздандырады, сондықтан қабынуға қарсы агент болып табылады.
Нейроқорғау
Мидағы артық оттегі реактивті оттегі түрлерін (РОС) жасайды. РОС ми нейрондарына зиян келтіріп, неврологиялық функцияның төмендеуіне алып келеді. C фикоцианині астроциттердің ішіндегі сутек пероксидін – РОС түрлерінің бірін – залалсыздандырып, тотығу стресін азайтады. Астроциттер BDNF және NDF сияқты өсу факторларының өндірісін де арттырады, осылайша жүйке тінінің жаңаруын күшейтеді. C ПК астроглиоз бен глиальды қабынудың алдын да алады.
Гепатопротекция
С фикоцианин гепатотоксикалық қорғауға ие. Вадираджа және басқалар (1998) зерттеуінде көміртек тетрахлориді (CCl4) немесе R (+) пулегон сияқты гепатоксиндерге қарсы CPC емделген кезде сарысудағы глютаминді пирувиктік трансаминазаның (SGPT) деңгейінің жоғарылағаны анықталды. CPC цитохром P450 жүйесі арқылы бауырды қорғайды. CPC ісіктің S фазасына жеткенше қалыптасуын тоқтатады. Ісік жасушалары G0 фазасына өткенде ДНК синтезі жүргізілмейді, нәтижесінде ісік көбеймейді. Сонымен қатар, CPC апоптозды ынталандырады. Жасушаларды CPC-мен өңдегенде, ROS (радикалды оттегі түрлері) түзіледі. Бұл молекулалар BCl 2 (апоптоздың регуляторы) өндірісін төмендетеді. BCl 2 каспаздар деп аталатын белоктарды тежейді. Каспаздар апоптоз жолының құрамында болады. BCl 2 деңгейі төмендегенде, каспаздардың экспрессиясы артады. Соның салдарынан апоптоз жүзеге асырылады. Бұл тағамдық бояғыш тек төмен температурада дайындалған өнімдерде қолданылуы мүмкін, себебі консерванттар немесе қанттар қосылмаса, жоғары температурада көк түсін сақтап тұра алмайды. Қанттың түрі маңызды емес, CPC жоғары қант концентрациясында тұрақты болады. Осыны ескере отырып, CPC көптеген тағам түрлеріне, оның ішінде сироптарға қолданылуы мүмкін. CPC-ны жасылдан көк түске дейінгі сироптарға пайдалануға болады. Сары түсті тағамдық бояуларды қосу арқылы әртүрлі жасыл түстерге қол жеткізуге болады.