| Hemocyanin | |
|---|---|
| Vnitřní povrch krunýře kraba Cancer productus je obarven do fialova hemocyaninem. | |
| Notový zápis | |
| Symboly | HCy |
| CAS | 9013-72-3 |
| Informace ve Wikidatech ? | |
Hemocyanin (z jiného řeckého αἷμα - krev a jiného řeckého κυανoῦς - azur, modrý) je respirační barvivo ze skupiny metaloproteinů , je měď obsahující funkční analog hemoglobinu [1] . Nachází se v krvi měkkýšů , členovců [2] a onychofora [3] . V rámci kmene Mollusca je hemocyanin široce distribuován mezi hlavonožci a některými plži . V rámci druhu členovců - mezi vrápenci , korýši , pavoukovci [4] a stonožkami [5] a v roce 2003 byl zjištěn i u zástupce třídy hmyzu [6] . Je třeba poznamenat, že hemocyanin měkkýšů a členovců se liší strukturou a některými vlastnostmi, navíc existují hemocyaniny, které kromě transportu kyslíku do tkání plní i další funkce – nejen (a ne tolik) dýchání, ale především výživu [2] [7] . Můžeme tedy mluvit o hemokyaninech jako o skupině podobných metaloproteinů [2] .
Redukovaná forma hemokyaninu je bezbarvá. Oxidovaná forma zmodrá, je pozorována fluorescence [2] .
Již na konci 18. století bylo zjištěno, že krev měkkýšů má modrou barvu. Zejména si toho všiml slavný francouzský přírodovědec Georges Cuvier ( 1795 ) [8] .
V roce 1833 objevil benátský chemik Bartolomeo Bizio ( it:Bartolomeo Bizio ) měď v krvi mořských plžů z čeledi jehličkovitých [9] .
V roce 1878 izoloval belgický fyziolog Léon Frederic ( francouzsky Léon Fredericq ) modrý pigment z krve chobotnice Octopus vulgaris . Bylo zjištěno, že když krev procházela žábrami, bezbarvá krev zmodrala. Frederick navrhl, že tato látka přenáší kyslík do orgánů a tkání. Navrhl také název tohoto pigmentu - "hemocyanin", analogicky s hemoglobinem (z jiného řeckého κυανoῦς - azurová, modrá). Frederick navrhl, že hemocyanin je kompletní strukturní a funkční analog hemoglobinu , ve kterém je měď zahrnuta v komplexu s porfyrinovým kruhem, podobně jako hem hemoglobinu [9] [8] .
V první polovině 20. století byly objeveny rozdíly ve struktuře hemoglobinu a hemocyaninu. Zejména bylo zjištěno, že hemocyanin nemá porfyrinový kruh. Předpokládaná protetická skupina hemocyaninu byla pojmenována „hemocuprin“ [8] . Později se ukázalo, že měď v podjednotce hemocyaninu je přímo spojena s proteinovými řetězci a neexistuje žádná protetická skupina jako taková [9] [8] .
Ve druhé polovině 20. století byly studovány různé úrovně struktury hemocyaninu, jeho vlastnosti a rozdíly v hemokyaninech u různých druhů. Byla studována i genetická sekvence hemokyaninů, na základě které byly učiněny nové předpoklady o příbuznosti různých skupin členovců a měkkýšů. Možnost využití hemocyaninu v medicíně se zkoumá [9] .
Hemocyaninová podjednotka členovců má molekulovou hmotnost asi 72 kilodaltonů a je rozdělena do 3 domén , z nichž každá je charakterizována jinou terciární strukturou : doména I obsahuje 5 nebo 6 alfa helixů , doména Il-4 alfa helixy a aktivní centrum, doména III - antiparalelní beta barel ( en:beta-barrel ), skládající se ze 7 beta-listů [11] [12] . Molekulová hmotnost podjednotky hemocyaninu měkkýšů je mnohem vyšší než u členovců a v průměru dosahuje 350–400 kDa [2] , ale může dosáhnout 550 kDa [10] . Podjednotka obsahuje 7 nebo 8 funkčních prvků. Každý funkční prvek je rozdělen do 2 domén . α doména obsahuje 4 alfa helixy a aktivní místo, zatímco β doména obsahuje antiparalelní beta barel sestávající ze 7 Β listů [13] . α-doména a β-doména hemocyaninu měkkýšů tedy funkčně odpovídají doménám II a III hemocyaninu členovců.
Struktura aktivního centra je stejná pro hemocyaniny členovců a měkkýšů. Obsahuje dva blízko sebe umístěné kationty mědi , které reverzibilně vážou molekulu kyslíku do komplexu. Každý kationt mědi je koordinován třemi imidazolovými skupinami ( histidinovými zbytky), během oxygenace se mezi tyto kationty vloží molekula kyslíku. Peptidový řetězec tvoří smyčky, které se buď přibližují k aktivnímu místu, nebo se od něj vzdalují, největší smyčka (oddělující histidinové zbytky His204 a His324) se skládá ze 119 aminokyselinových zbytků [14] .
V neoxidované formě jsou kationty mědi v oxidačním stavu +1 , jsou od sebe vzdáleny 4,6 Å a není mezi nimi žádná chemická vazba. Konfigurace N–Cu–N se blíží trojúhelníku a vzdálenosti Cu–N jsou v rozmezí 1,9–2,1 Å. Při okysličení získávají ionty mědi oxidační stav +2. Kationty mědi se k sobě přibližují a vzdálenost Cu–Cu je 3,6 Å a vzdálenost Cu–O je 1,8–1,9 Å. V důsledku přiblížení iontů mědi se úhly N–Cu–N blíží tetraedrickému . Kromě toho se vazby Cu–N stanou nestejnou délkou: v prostředí každého iontu mají dvě vazby délku 1,9–2,0 Å a třetí vazba se prodlouží na 2,3 Å [14] .
Hemocyaninová podjednotka je komplex mědi a bílkovin . Na rozdíl od hemoglobinu jsou atomy kovu spojeny přímo s aminokyselinou a nikoli s protetickou skupinou [15] .
Hemocyaninový monomer členovců se skládá ze 6 podjednotek a má oktaedrický tvar. U členovců je hemocyanin přítomen jako monomery (1×6), dimery (2×6), tetramery (4×6), hexamery (6×6) a oktamery (8×6) [2] [4] .
Podjednotka hemocyaninu měkkýšů, jak již bylo uvedeno, se skládá ze 7 nebo 8 aktivních míst , na rozdíl od hemokyaniny členovců, jehož podjednotka má pouze jedno aktivní místo. Tvar molekuly připomíná dutý válec [2] . Hemocyanin u měkkýšů může být reprezentován jako dekamery (1x10) a didekamery (2x10), ale často kombinované do velmi velkých souborů [2] . Molekuly hemocyaninu hlemýžďů tak mohou dosáhnout molekulové hmotnosti přes 9 milionů daltonů, což je jedna z největších organických sloučenin [16] . Takto velké velikosti hemocyaninu umožňují lépe projevit jeho kooperativní vlastnosti.
V roce 2002 byl hemocyanin objeven u zástupce typu Onychophora [3] . Strukturou je tato látka podobná členovci hemocyaninu [3] .
Hemocyanin, stejně jako hemoglobin, vykazuje kooperativitu , to znamená, že když je molekula kyslíku připojena jednou podjednotkou, zvyšuje afinitu ke kyslíku sousedních podjednotek. Kooperativita hemocyaninu měkkýšů je relativně nízká ( Hillův koeficient je asi 2), kooperativita hemocyaninu členovců je mnohem vyšší (hodnota Hillova koeficientu může dosáhnout 9) [2] .
Na rozdíl od hemoglobinu, který je součástí erytrocytů , jsou molekuly hemocyaninu rozpuštěny v hemolymfě [2] . Díky tomu se mohou monomery hemocyaninu spojovat do velmi velkých komplexů, což mu umožňuje lépe projevovat své kooperativní vlastnosti a obecně lépe přenášet kyslík. To je zvláště důležité pro organismy žijící v prostředí s nízkým obsahem kyslíku. Obsah hemocyaninu v hemolymfě měkkýšů se pohybuje od 1–3 % v chiton en: Cryptochiton stelleri do 11 % u chobotnice Octopus vulgaris [17] . Obsah korýšů v hemolymfě se také u různých druhů liší v dosti širokém rozmezí, od 3 do 10 % [18] . Při chronické hypoxii se významně zvyšuje koncentrace hemocyaninu v hemolymfě, čímž se kompenzuje nedostatek kyslíku ve vodě [18] . Analýzu obsahu hemocyaninu v krvi mořských korýšů lze využít ke sledování stavu životního prostředí [18] .
Profil vazby kyslíku je významně ovlivněn obsahem iontů v hemolymfě a pH [19] [20] . Bylo zjištěno, že změna tělesné teploty členovců vede ke změně pH faktoru hemolymfy . Zvýšení teploty o 10 stupňů snižuje pH o 0,3 [19] [20] . Prostřednictvím změn pH hemolymfy tedy členovci přizpůsobují schopnost přenášet kyslík a kooperativní vlastnosti hemokyaninu podmínkám prostředí [2] . Studie ukázaly, že téměř veškerý hemocyanin kraba královského , žijícího ve vodě o teplotě +1 ... + 5 °, je v neoxidované formě, zatímco hemocyanin tarantule Eurypelma californicum žijící v pouštích jihozápad USA při teplotách od + 30 °, více než z 90 % okysličený [2] [21] .
Hemocyanin se může vázat nejen s kyslíkem, ale také s oxidem uhelnatým za vzniku karboxyhemocyaninu. To také odhaluje kooperativní efekt [22] .
Syntéza hemocyaninu u plžů je prováděna buňkami pórů pojivové tkáně . U hlavonožců jsou stěny žaberních srdcí místem syntézy hemocyaninu [23] .
Hematopoéza členovců byla studována podrobněji. Nemají specializované krvetvorné orgány , jednotlivá ložiska krvetvorby se mohou nacházet v pojivové tkáni a ve stěnách cév . U korýšů je syntéza hemocyaninu prováděna speciálními krevními buňkami - cyanocyty , vyvíjejícími se z cyanoblastů. Zralé cyanocyty vylučují hemocyanin do hemolymfy [24] . U vrápenců jsou hematopoetická ložiska disjunktní skupiny hemocytů v pojivových a sinusových prostorech, kde se z nich tvoří kyanocyty , podobně jako kyanocyty korýšů [25] [26] .
Hemocyanin může působit nejen jako přenašeč kyslíku, ale plnit i další funkce.
Hemocyaniny někdy působí jako tyrosináza , enzym , který katalyzuje oxidaci tyrosinu . Takové hemocyaniny neobsahují aminokyseliny, které brání přístupu fenolů k aktivním centrům enzymu . Je třeba poznamenat, že hemocyaniny a tyrosinázy mají společný původ a oddělily se asi před 700 miliony let. Chelicery , jako jsou pavouci a štíři , mohou katalyzovat syntézu melaninu pomocí hemocyaninu [27] . Lze předpokládat existenci podobného mechanismu i u jiných členovců, stejně jako u měkkýšů. Někteří pavoukovci mají dva typy hemocyaninů najednou. Jeden se podílí na přenosu kyslíku a druhý katalyzuje oxidaci tyrosinu [2] .
U některých korýšů bylo zjištěno, že mají sloučeninu blízkou hemocyaninu zvanou kryptocyanin . Kryptocyanin ztratil schopnost vázat kyslík a je strukturálním proteinem, který řídí procesy línání korýšů [28] .
U hmyzu je přítomen protein hexamerin . Předpokládá se, že vznikl z hemocyaninu, ale ztratil atomy mědi a v důsledku toho i schopnost vázat kyslík [29] . Hmyzí hexamerin slouží jako zásoba živin [29] . Zajímavostí je, že v roce 2003 byl hemocyanin, přenašeč kyslíku, nalezen také u hmyzu, postýlky Perla marginata . Struktura tohoto hemocyaninu se zároveň liší od hemocyaninu jiných členovců – jeho podjednotka obsahuje dvě aktivní centra a podle toho 4 atomy mědi [6] .
Hemocyaniny členovců i měkkýšů pocházejí z tyrosináz [30] . Jejich evoluční cesta u těchto druhů zvířat je však odlišná. V první fázi vývoje hemocyaninu členovců došlo ke zdvojení genu tyrosinázy (nebo podobného enzymu), díky čemuž se objevil protein, který měl 2 atomy mědi a byl schopen vázat kyslík. Následně tento protein získal schopnost polymerace , což bylo důležité pro projev kooperativních vlastností [31] . Hemocyanin měkkýšů prošel 3 genovými duplikacemi, což vede k tomu, že podjednotka hemocyaninu měkkýšů obsahuje 8 aktivních míst [31] . Hemocyaniny členovců a měkkýšů mají významné rozdíly jak ve své kvartérní stavbě, tak ve své genetické sekvenci. To naznačuje, že vznikly v těchto skupinách nezávisle na sobě [30] .
K divergenci hemocyaninů z chelicer a korýšů došlo asi před 600 miliony let. Cheliceric hemocyanin má spíše konzervativní strukturu. K divergenci pavoukovitého hemocyaninu od jiných chelicer došlo před 550-450 miliony let. Stáří divergence hemocyaninů z vyšších raků ( Malacostraca ) a hmyzích hexamerinů se odhaduje na 430-440 milionů let. Divergence hemocyaninů v rámci skupiny korýšů začala mnohem později, asi před 200 miliony let. Kryptokyaniny bez kyslíku z desetinožců ( Decapoda ) se odchýlily od hlavní linie přibližně před 215 miliony let. Načasování divergence hemokyaninu u různých skupin členovců může podporovat teorii o společném původu šestinohých a vyšších raků [32] [29] [33] . V průběhu evoluce lze zaznamenat trend k poklesu počtu monomerů hemokyaninu v podjednotce [30] .
Hemocyanin onychophora , objevený v roce 2002, se oddělil od společné větve členovců před tím, než začala divergence v rámci skupiny členovců, nicméně tyto hemocyaniny mají společný původ [3] .
Studium evoluce hemocyaninů umožnilo objasnit vztah mezi různými skupinami členovců a měkkýšů [29] .
Studuje se možnost využití hemocyaninu v medicíně jako složky protinádorových vakcín. Při tvorbě konjugátů s nádorovými antigeny výrazně zvyšuje jejich imunogenicitu. Toto adjuvans pomáhá překonat imunologickou toleranci nebo posílit imunitní odpověď na gangliosidové antigeny (GM2, GD2, GD3). Při použití konjugátů hemocyaninu s mucinem byla zjištěna vysoká úroveň imunitní odpovědi T-buněk [34] [35] . Předpokládá se jejich využití i v technologii získávání dendritických vakcín. Vakcíny proti rakovině jsou klinicky studovány s použitím tohoto adjuvans v kombinaci s idiotypickými protilátkami u B-buněčného lymfomu a antiidiotypickými protilátkami u kolorektálního karcinomu [36] [37] .