Гемоцианин

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московская Государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

Кафедра биотехнологии

Зачётная работа по курсу "Функции и строение белков"

Тема: "Гемоцианин. Описание"

Выполнила:

Группа:

БМ-59

Руководитель:

Есипова О.

Москва 2007

Введение

Гемоцианин - дыхательный пигмент из группы хемопротеидов, способный легко присоединять и отдавать кислород, является медьсодержащим аналогом гемоглобина, и встречается в гемолимфе некоторых беспозвоночных (моллюсков (осьминоги, кальмары, улитки), членистоногих (раки и пауки)). В гемоцианине одна молекула кислорода связывается с двумя атомами меди. При этом белок окрашивается в голубой цвет Cu (ΙΙ) и наблюдается флуоресценция. С окисью углерода гемоцианин так же, как и гемоглобин, взаимодействует обратимо, образуя бесцветные соединения Cu (Ι).

Историческая справка

Гемоцианин был открыт в 60-х годах XIX в., когда биологи заметили, что кровь головоногих моллюсков при прохождении через жабры окрашивается в голубой цвет. А в 1878г. бельгийский физиолог Леон Фредерик доказал, что голубой цвет вызван реакцией кислорода с медьсодержащим белком, который он назвал гемоцианином (от греч. gemo - кровь и kianos - лазурный, голубой).

Строение и функции

Рисунок 1. Пространственная модель молекулы гемоцианина

Содержание меди в гемоцианине от 0.1 до 0.3% по весу (членистоногие - 0,178% меди, моллюски - 0,253%). Белки из разных природных источников встречаются в виде моно-, ди-, тетра - и октамеров. Мономер белка - октаэдр, состоящий из 6 субъединиц. Предлагаемая модель - субъединица гемоцианина весом до 75 кДа, которую иногда разделяют еще на две похожие, но не эквивалентные субъединицы (граница этого разделения проходит через металлсвязывающий центр).

Рисунок 2. Модель строения активного центра гемоцианина

Активный центр каждой субъединицы белка содержит два близко расположенных друг к другу катиона меди, которые обратимо связывают молекулу кислорода в комплекс. При этом сами катионы меди прочно связаны в структуре белка шестью остатками гистидина из двух разных цепей. Два других остатка гистидина, возможно, задействованы в образовании других металлсвязывающих центров мономера (всего в мономере содержится не менее шести связывающих кислород центров). Связывание молекулы кислорода одной субъединицей молекулы гемоцианина увеличивает сродство к кислороду соседних субъединиц. На профиль связывания кислорода значительно влияет содержание ионов в гемолимфе и рН-фактор. Класс: преимущественно β Архитектура: сэндвич

Рисунок 3. Гемоцианин, цепь А, домен 2.

В отличие от гемоглобина, который включен в клетки крови, молекулы гемоцианина свободно "плавают" в крови. Благодаря этому гемоцианин имеет большую плотность по сравнению с гемоглобином, а, следовательно, может переносить большее количество кислорода, что важно для организмов, живущих в условиях с малым содержанием кислорода. Так, давление кислорода в жабрах лангуста составляет всего 7 мм рт. ст. (930 Па), а в тканях - 3 мм рт. ст.; причём концентрация этого газа в крови лангуста в 20 раз выше, чем в морской воде. С другой стороны, свободный гемоцианин увеличивает вязкость гемолимфы, что ведёт к увеличению энергетических затрат на перекачивание крови. Например, чтобы "зарядиться" энергией, кальмару требуется много кислорода - не менее 50л в час.

Ещё одна особенность гемоцианина - его молекулы имеют огромные даже для белков размеры. Его молекулярная масса у различных животных неодинакова и изменяется от 25 100 до 36 700. Мономеры гемоцианина способны образовывать субъединицы с молекулярной массой до 825 тыс. Таким образом, проявляются кооперативные, то есть объединяющие свойства, обеспечивающие более эффективное связывание кислорода. Веществом с самой большой молекулярной массой является гемоцианин улитки. Его молекулярная масса составляет 918 000 000 дальтон, что больше молекулярной массы даже ДНК.

Рисунок 4. Поверхность кристалла белка гемоцианин из лангуста Panulirus interruptus, молекулярный вес белка — 450 000. Электронный микроскоп, 250 000х

Из гемоцианина нетрудно полностью извлечь медь. Для этого достаточно обработать белок в отсутствии кислорода реактивом, который прочно связывается с ионами одновалентной меди. Таким же способом можно определить содержание меди в гемоцианине. Лишённый этого металла, он теряет способность переносить кислород. Но если потом ввести в раствор белка ионы меди, гемоцианин восстанавливает свою физиологическую активность. Так было доказано, что в отсутствие кислорода медь гемоцианина находится в степени окисления +1.

Применение

Ряд исследований посвящен применению в противоопухолевых вакцинах адъювантов на основе гемоцианина. Являясь иммуноактивной молекулой, гемоцианин при образовании коньюгатов с опухолевыми антигенами существенно повышает их иммуногенность. Показано, что эти адъюванты способствует преодолению иммунологической толерантности или усиливают иммунный ответ на ганглиозидные антигены (GM2, GD2, GD3). Обнаружен высокий уровень Т-клеточного иммунного ответа при использовании конъюгатов гемоцианина с муцином (MUC1). Они также могут применяться в технологии получения дендритных вакцин. Проводятся клинические исследования противоопухолевых вакцин с использованием этого адъюванта совместно с идиотипическими антителами при В-клеточной лимфоме и антиидиотипическими антителами при колоректальной карциноме.

Заключение

Следует отметить, что гемоглобин и гемоцианин - это очень важный таксономический признак. Их эволюция прослеживается на протяжении всего филогенетического развития организмов. Так фрагменты генов гемоцианина и его аналогов сейчас с успехом используются для уточнения таксономических субъединиц, последовательности филогенетического развития а также приблизительной оценки времени дивергенции родственных форм беспозвоночных. Гемоцианин - очень древний белок. Наиболее древний гемоцианин имел 6-единичную структуру. В процессе эволюции членистоногих (хелицеровых, паукообразных) происходило формирование мультимеров (2 х 6, 4 х 6, 8 х 6 -меров - 540 - 420 миллионов лет назад). До последнего времени считалось, что гемоцианин ракообразных (Crustacea) и гексамерин насекомых (Insecta) имеет общее происхождение, но гексамерин утратил способность связывать медь и превратился в запасной белок (предполагалось, что насекомые могут обходиться без специального белка-транспортера кислорода. Однако, недавно полученные данные показывают, что в организме некоторых насекомых все-таки может присутствовать гемоцианин. Причем обнаруженный гемоцианин имел 2-х субъединичную структуру (или 4 атома меди в молекуле).

Литературные источники

1.  Использованы ресурсы Internet.

2.  http://www.cathdb.info

3.  http://www.maikonline.com

4.  http://e-science. sources.ru

5.  http://en. wikipedia.org

6.  http://scop. protres.ru

7.  http://humbio.ru/humbio

8.  http://molbiol.ru/pictures и др.