Свойство гемоглобина как дыхательного пигмента

Дыхательные пигменты (лат. pigmentum краска) — окрашенные органические вещества различного химического строения, способные в зависимости от условий связывать или освобождать молекулярный кислород. В организме человека и животных Дыхательные пигменты осуществляют транспорт кислорода от органов дыхания к тканям и принимают участие в процессах биологического окисления и в окислительно-восстановительных процессах. Главными из Дыхательных пигментов являются дыхательные белки и дыхательные ферменты (см.).

Использование растворенного в воде кислорода одноклеточными или низшими многоклеточными животными организмами, обитающими в водной среде, осуществляется в результате его диффузии через клеточные мембраны. У более сложно организованных животных обеспечение организма кислородом происходит с помощью специальных дыхательных белков, переносящих кислород от органов дыхания к тканям. К таким белкам относятся гемоглобин (см.), эритрокруорин, хлорокруорин, гемэритрин, гемоцианин, геликорубин. Миоглобин (см.) не способен переносить кислород, но участвует в его депонировании.

Дыхательные пигменты представляют собой сложные белки — хромопротеиды (см.), молекулы которых состоят из простого белка и небелковой окрашенной простетической группы.

У многих Д. п. простетической группой является железопорфириновый комплекс — гем. У позвоночных гемсодержащими дыхательными пигментами являются гемоглобин, находящийся в эритроцитах и осуществляющий связывание, транспорт и высвобождение кислорода в тканях, и миоглобин, с помощью к-рого в мышцах резервируется кислород в количествах, достаточных для осуществления механической работы, производимой мышцами. Во внутриклеточном депонировании кислорода, кроме миоглобина, по-видимому, принимают участие находящиеся в клетках каротиноиды (см.), причем роль этих пигментов повышается в условиях гипоксии и при старении организма.

Более многочисленными и разнообразными являются Д. п. беспозвоночных животных. Высокомолекулярные гемоглобиноподобные вещества (мол. вес 400 000—6 700 000), растворенные в гемолимфе кольчатых червей (полихет и олигохет) и моллюсков, получили название эритрокруоринов. Они представляют собой гемсодержащие белки, в состав которых входит от 30 до 400 групп гема. Каждый гем способен связывать одну молекулу кислорода. Молекула эритрокруорина состоит из 12 субъединиц.

Много общего с эритрокруорином имеет хлорокруорин — зеленый пигмент многощетинковых кольчатых червей (Spirographis и родственных им видов). Он содержится в растворенном состоянии в плазме крови.

Хлорокруорин — гемсодержащий белок, гем к-рого отличается от гема гемоглобина наличием формильной группы при втором углеродном атоме протопорфиринового кольца; он носит название спирографиспорфирина или спирографисгемина. Мол. вес хлорокруорина колеблется от 2 750 000 до 3 500 000, содержание железа в нем находится в пределах 0,45—1,2%, молекула состоит из 12 субъединиц и содержит 190 групп хлорокруорогема. Хлорокруорин обладает высоким сродством к кислороду и незначительным — к окиси углерода; кислородная емкость крови кольчатых червей составляет 10%.

Гемэритрин — коричнево-красный Д. п. с мол. весом 66 000, находится внутри клеток, циркулирующих в полостной жидкости некоторых видов беспозвоночных (морские кольчатые черви, гл. обр. Sipunculidae, и др.). Гемэритрин отличается от других дыхательных белков тем, что не содержит гема. Молекула гемэритрина состоит из 8 субъединиц, в каждой из которых находится по 2 атома железа, которые, по всей вероятности, соединяются с атомами серы, входящей в состав белка. Содержание железа колеблется от 0,8 до 1,01%, кислородная емкость составляет ок. 1,6%. Свойство гемэритрина обратимо соединяться с кислородом (каждые 2 атома железа связывают одну молекулу кислорода) обусловлено особым расположением полипептидных цепей в его молекуле.

К Дыхательным пигментам относят также гемсодержащий красный пигмент виноградной улитки — геликорубин, способный к обратимому окислению — восстановлению.

Дыхательные пигменты, содержащие в своей молекуле медь, называются гемоцианинами. Они содержатся в плазме крови многих моллюсков и членистоногих, придавая ей голубую окраску. Гемоцианины представляют собой высокомолекулярные белки (мол. вес колеблется от 500 000 до 10 000 000), содержание меди в них составляет 0,17—0,18% (моллюски) и 0,24—0,26% (членистоногие). Молекулы гемоцианинов имеют одинаковую форму и состоят из 3—6 субъединиц, содержащих значительное количество атомов меди (у гемоцианина омара их 20), которые располагаются парами. Гемоцианины отличаются один от другого по своей растворимости, цвету (от пурпурно-синего до зеленого) и форме кристаллов. Они способны обратимо соединяться с кислородом, причем одна молекула кислорода связывается с двумя атомами одновалентной меди, которые при этом окисляются. Кислородная емкость крови таких моллюсков и членистоногих пропорциональна содержанию в ней меди и количественно меньше, чем кислородная емкость крови позвоночных животных. В крови, ткани печени и других тканях животных обнаружены медьсодержащие белки, не участвующие в переносе кислорода. К таким белкам, являющимся Д. п., относятся гемокупреин и гепатокупреин. Они представляют собой синие пигменты идентичной структуры, в результате чего эти Д. п. получили общее название цитокупреины. Цитокупреин — это белок с мол. весом 32 000; молекула цитокупреина состоит из двух субъединиц, каждая из которых содержит один атом меди и один атом цинка в двухвалентном состоянии. Установлено, что фермент супероксиддисмутаза, катализирующий реакцию дисмутации супероксидных радикалов H2O-, накапливающихся в тканях в ходе окислительных процессов, представляет собой цитокупреин.

Поскольку супероксидные радикалы и некоторые продукты их превращения чрезвычайно токсичны, супероксид-дисмутаза является жизненно необходимым ферментом.

Другой медьсодержащий белок — церулоплазмин (см. Кровь) — играет главную роль в резервировании и транспорте меди у позвоночных животных и человека. Церулоплазмин является не только нетоксическим резервом меди в организме, но и способен также ускорять окисление двухвалентных ионов железа в трехвалентные, т. е. обладает ферроксидазными свойствами, участвует в синтезе гемоглобина и трансферрина (железосвязывающего белка плазмы крови; нормальное содержание его у человека — 250 мг%, при поражении паренхимы печени эта цифра уменьшается).

Церулоплазмин является медьсодержащим альфа-1-глобулином сыворотки крови человека с мол. весом 151 000; на его долю приходится до 0,5% от общего количества белка в плазме крови человека и 90% всей меди плазмы крови. У здорового человека общее содержание меди в плазме крови составляет 70— 140 мкг%. Гиперкупремия и гиперцерулоплазминемия наблюдаются в остром периоде инфекций, протекающих с лихорадкой и распадом клеточных элементов, при заболеваниях печени — гепатитах, циррозах и механических желтухах, при карциноме, лейкемии, анемиях. Гиперцерулоплазминемия отмечается также при беременности.

В сыворотке крови количественное определение церулоплазмина проводят в клин, лабораториях по Равину. Метод основан на том. что церулоплазмин является единственным компонентом сыворотки крови, обладающим оксидазными свойствами, поэтому он катализирует окисление некоторых аминов, в т. ч. парафенилендиаминдигидрохлорида, в результате окисления к-рого образуется вещество сине-фиолетового цвета. Оптическая плотность (см. Колориметрия) р-ра измеряется при 530 нм, и концентрация церулоплазмина, пропорциональная степени окисления используемого субстрата, вычисляется по калибровочной кривой. Зная количество меди в плазме крови, можно также рассчитать содержание церулоплазмина по формуле:

церулоплазмин(мг%) = Cu(мкг%)• 100/0,32

т. к. теоретически содержание меди в церулоплазмине составляет 0,32%.

К Дыхательным пигментам относится также обширная группа флавоновых пигментов, окрашенных в желтый или желто-коричневый цвет и содержащих в своей молекуле ядро флавона (см. Флавоны). Эти пигменты содержатся в основном в растениях. Для животных и человека особое значение имеют производные флавона, близкие по своему хим. строению и биол, активности и являющиеся компонентами капилляроукрепляющего витамина Р. К таким Д. п. относятся гесперидин, рутин, катехин, эпикатехин и их галловые эфиры. Витамин P в животных клетках участвует в окислительно-восстановительных процессах вместе с аскорбиновой к-той, а также является ингибитором ряда ферментов, особенно гиалуронидазы (см.). Рутин способен в определенных условиях стимулировать процессы тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования в митохондриях и, по-видимому, участвует в биосинтезе убихинона. Возможно, что катехин, рутин и гесперидин обладают адреналиноподобным действием.

Библиография: Верболович П. А. и Утешев А. Б. Железо в животном организме, Алма-Ата, 1967, библиогр.; Карнаухов В. Н. Функции каротиноидов в клетках животных, М., 1973, библиогр.; Молекулы и клетки, пер. с англ., под ред. Г. М. Франка, в. 4, с. 136, М., 1969; Fridoyieh I. Superoxide dismutases, Ann. Rev. Biochem., v. 44, p. 147, 1975, bibliogr.; Кlotz J.M., Langerman N. R. a. Dаrnall D. W. Quaternary structure of proteins, ibid., v. 39, p. 25, 1970, bibliogr.; MalmstromB. G. a. Neilands J. B. Metalloproteins, ibid., v. 33, p. 331, 1964, bibliogr.; Mellema J. E.a. KlugA. Quaternary structure of gastropod haemocyanin, Nature (Lond.), v. 239, p. 146, 1972.

П. А. Верболович.

Гемоцианин (от др.-греч. αἷμα — кровь и др.-греч. κυανoῦς — лазурный, голубой) — дыхательный пигмент из группы металлопротеинов, является медьсодержащим функциональным аналогом гемоглобина[1]. Встречается в крови моллюсков, членистоногих[2] и онихофор[3]. В пределах типа моллюсков гемоцианин широко распространён среди головоногих и некоторых брюхоногих. В пределах типа членистоногих — среди мечехвостов, ракообразных, паукообразных[4] и многоножек[5], а в 2003 году обнаружен и у представителя класса насекомых[6]. Следует отметить, что гемоцианин моллюсков и членистоногих различается по структуре и некоторым свойствам, кроме того, существуют гемоцианины, выполняющие иные функции помимо переноса кислорода тканям — не только (и не столько) дыхания, а прежде всего в процессах питания[2][7]. Так что можно говорить о гемоцианинах как о группе сходных металлопротеинов[2].

Восстановленная форма гемоцианина бесцветна. Окисленная форма окрашивается в голубой цвет, наблюдается флуоресценция[2].

История открытия и изучения[править | править код]

Уже в конце XVIII века было замечено, что кровь моллюсков имеет голубой цвет. В частности, это отмечал знаменитый французский естествоиспытатель Жорж Кювье (1795)[8].

В 1833 году венецианский химик Бартоломео Бицио (it:Bartolomeo Bizio) обнаружил медь в составе крови морских брюхоногих моллюсков семейства иглянок[9].

В 1878 году бельгийский физиолог Леон Фредерик (фр. Léon Fredericq) выделил голубой пигмент из крови осьминога Octopus vulgaris. Было отмечено, что при прохождении крови через жабры бесцветная кровь приобретала голубой цвет. Фредерик предположил, что это вещество переносит кислород к органам и тканям. Он же предложил название этого пигмента — «гемоцианин», по аналогии с гемоглобином (от др.-греч. κυανoῦς — лазурный, голубой). Фредерик выдвинул предположение, что гемоцианин — полный структурный и функциональный аналог гемоглобина, в котором медь включена в комплекс с порфириновым кольцом, аналогично гему гемоглобина[9][8].

В первой половине XX века были открыты различия в структуре гемоглобина и гемоцианина. В частности, было установлено, что гемоцианин не имеет порфиринового кольца. Предполагаемая простетическая группа гемоцианина была названа «гемокуприн»[8]. Позднее стало известно, что медь в субъединице гемоцианина связана непосредственно с белковыми цепями, и простетическая группа как таковая отсутствует[9][8].

Во второй половине XX века изучались различные уровни структуры гемоцианина, его свойства, различия гемоцианинов у различных видов. Исследовалась и генетическая последовательность гемоцианинов, на основе чего были выдвинуты новые предположения о родстве различных групп членистоногих и моллюсков. Изучается возможность применения гемоцианина в медицине[9].

Строение[править | править код]

Субъединица гемоцианина членистоногих имеет молекулярный вес около 72 килодальтон и подразделяется на 3 домена, каждый из которых характеризуются разной третичной структурой: домен I содержит 5 или 6 альфа-спиралей, домен Il — 4 альфа-спирали и активный центр, домен III — антипараллельный бета-баррель (en:beta-barrel), состоящий из 7 бета-листов[11][12]. Молекулярный вес субъединицы гемоцианина моллюсков значительно выше, чем у членистоногих, и в среднем составляет 350—400 кДа[2], однако может достигать и 550 кДа[10]. Субъединица содержит 7 или 8 функциональных элементов. Каждый функциональный элемент подразделяется на 2 домена. Домен α содержит 4 альфа-спирали и активный центр, домен β — состоящий из 7 Β-листов антипараллельный бета-баррель[13]. Таким образом, α-домен и β-домен гемоцианина моллюсков функционально соответствуют доменам II и III гемоцианина членистоногих.

Строение активного центра одинаково у гемоцианинов членистоногих и моллюсков. Он содержит два близко расположенных друг к другу катиона меди, которые обратимо связывают молекулу кислорода в комплекс. Каждый катион меди координирован тремя имидазольными группами (гистидиновыми остатками), при оксигенации молекула кислорода оказывается зажатой между этими катионами. Пептидная цепь образует петли, то приближаясь к активному центру, то удаляясь от него, самая большая петля (разделяющая гистидиновые остатки His204 и His324) состоит из 119 аминокислотных остатков[14].

В неокисленной форме катионы меди находятся в степени окисления +1, отстоят друг от друга на расстояние 4,6 Å, химическое связывание между ними отсутствует. Конфигурация N—Cu—N близка к треугольной, расстояния Cu—N находятся в пределах 1,9—2,1 Å. При оксигенации ионы меди приобретают степень окисления +2. Катионы меди сближаются друг с другом и расстояние Cu—Cu составляет 3,6 Å, а расстояния Cu—O — 1,8—1,9 Å. В результате сближения ионов меди углы N—Cu—N приближаются к тетраэдрическим. Кроме того, связи Cu—N становятся неравными по длине: в окружении каждого иона две связи имеют длину 1,9—2,0 Å, а третья связь удлиняется до 2,3 Å[14].

Субъединица гемоцианина представляет собой комплекс меди и белка. В отличие от гемоглобина, атомы металла связаны непосредственно с аминокислотой, а не с простетической группой[15].

Мономер гемоцианина членистоногих состоит из 6 субъединиц и имеет октаэдрическую форму. У членистонигих гемоцианин представлен в виде мономеров (1×6), димеров (2×6), тетрамеров (4×6), гексамеров (6×6) и октамеров (8×6)[2][4].

Субъединица гемоцианина моллюсков, как уже отмечалось, состоит из 7 или 8 активных центров, в отличие от гемоцианина членистоногих, субъединица которого имеет лишь один активный центр. Форма молекулы напоминает полый цилиндр[2]. Гемоцианин у моллюсков может быть представлен в виде декамеров (1×10) и дидекамеров (2×10), однако нередко соединяется в очень большие ансамбли[2]. Так, молекулы гемоцианина виноградной улитки могут достигать молекулярной массы свыше 9 миллионов дальтон, являясь одним из самых больших органических соединений[16]. Такие большие размеры гемоцианина позволяют лучше проявляться его кооперативным свойствам.

В 2002 году гемоцианин был обнаружен у представителя типа онихофор[3]. По строению это вещество аналогично гемоцианину членистоногих[3].

Физиология[править | править код]

Гемоцианин, как и гемоглобин, проявляет кооперативность, то есть при присоединении молекулы кислорода одной субъединицей увеличивает сродство к кислороду соседних субъединиц. Кооперативность гемоцианина моллюсков сравнительно невелика (коэффициент Хилла составляет около 2), кооперативность гемоцианина членистоногих значительно выше (значение коэффициента Хилла может достигать 9)[2].

В отличие от гемоглобина, входящего в состав эритроцитов, молекулы гемоцианина растворены в гемолимфе[2]. Благодаря этому мономеры гемоцианина могут объединяться в очень большие комплексы, что позволяет лучше проявляться его кооперативным свойствам и в целом лучше переносить кислород. Это особенно важно для организмов, живущих в условиях с малым содержанием кислорода. Содержание гемоцианина в гемолимфе моллюсков колеблется от 1—3 % у хитона en:Cryptochiton stelleri до 11 % у осьминога Octopus vulgaris[17]. Содержание в гемолимфе ракообразных также варьирует у разных видов в довольно широких пределах, от 3 до 10 %[18]. При хронической гипоксии концентрация гемоцианина в гемолимфе значительно растёт, компенсируя нехватку кислорода в воде[18]. Анализ содержания гемоцианина в крови морских ракообразных может использоваться для наблюдения за состоянием окружающей среды[18].

На профиль связывания кислорода значительно влияет содержание ионов в гемолимфе и pH-фактор[19][20]. Установлено, что изменение температуры тела членистоногих приводит к изменению pH-фактора гемолимфы. Рост температуры на 10 градусов уменьшает pH на 0,3[19][20]. Таким образом, через изменения pH гемолимфы членистоногие адаптируют способность к переносу кислорода и кооперативные свойства гемоцианина к условиям среды[2]. Исследования показали, что почти весь гемоцианин камчатского краба, живущего в воде с температурой +1…+5°, находится в неокисленной форме, в то время как гемоцианин тарантула Eurypelma californicum, живущего в пустынях юго-запада США при температурах от +30°, оксигенирован более чем на 90 %[2][21].

Гемоцианин может связываться не только с кислородом, но и с угарным газом, образуя карбоксигемоцианин. При этом также обнаруживается кооперативный эффект[22].

Синтез гемоцианина у брюхоногих моллюсков осуществляется поровыми клетками соединительной ткани. У головоногих моллюсков местом синтеза гемоцианина являются стенки жаберных сердец[23].

Гемопоэз членистоногих изучен более подробно. Специализированные органы кроветворения у них отсутствуют, отдельные очаги кроветворения могут находиться в соединительной ткани и в стенках кровеносных сосудов. У ракообразных синтез гемоцианина осуществляется особыми клетками крови — цианоцитами, развивающимися из цианобластов. Зрелые цианоциты выделяют гемоцианин в гемолимфу[24]. У мечехвостов очаги кроветворения представляют собой разобщённые группы гемоцитов в соединительной ткани и синусных пространствах, там же из них формируются цианоциты, аналогичные цианоцитам ракообразных[25][26].

Другие функции гемоцианинов[править | править код]

Гемоцианин может выступать не только в качестве переносчика кислорода, но и выполнять другие функции.

Иногда гемоцианины выполняют функции тирозиназы — фермента, катализирующего окисление тирозина. В составе таких гемоцианинов отсутствуют аминокислоты, препятствующие подходу фенолов к активным центрам фермента. Следует отметить, что гемоцианины и тирозиназы имеют общее происхождение и разделились около 700 миллионов лет назад. Хелицеровые, такие как пауки и скорпионы, могут катализировать синтез меланина с помощью гемоцианина[27]. Можно предположить существование подобного механизма и у других членистоногих, а также моллюсков. У некоторых паукообразных имеется сразу два вида гемоцианинов. Один задействован в переносе кислорода, а другой катализирует окисление тирозина[2].

У некоторых ракообразных обнаружено близкое к гемоцианину соединение, названное криптоцианин (англ. cryptocyanin). Криптоцианин утратил способность связывать кислород и является структурным белком, управляющим процессами линьки ракообразных[28].

В организме насекомых присутствует белок гексамерин. Предполагается, что он произошёл от гемоцианина, однако утратил атомы меди и, как следствие, способность связывать кислород[29]. Гексамерин насекомых служит в качестве резерва питательных веществ[29]. Интересно отметить, что в 2003 году гемоцианин — переносчик кислорода обнаружен и у насекомого — веснянки Perla marginata. При этом структура этого гемоцианина отличается от гемоцианина остальных членистоногих — его субъединица содержит два активных центра и, соответственно, 4 атома меди[6].

Эволюция гемоцианинов[править | править код]

Гемоцианины как членистоногих, так и моллюсков происходят от тирозиназ[30]. Однако их эволюционный путь в этих типах животных различается. На первом этапе эволюции гемоцианина членистоногих произошла дупликация гена тирозиназы (или подобного ей фермента), благодаря чему появился белок, имеющий 2 атома меди и способный связывать кислород. Впоследствии этот белок приобрёл способность к полимеризации, что было важно для проявления кооперативных свойств[31]. Гемоцианин моллюсков прошёл через 3 дупликации гена, в результате чего субъединица гемоцианина моллюсков содержит 8 активных центров[31]. Гемоцианины членистоногих и моллюсков имеют значительные различия как по четвертичной структуре, так по своей генетической последовательности. Это позволяет предположить, что они возникли в этих группах независимо друг от друга[30].

Расхождение гемоцианинов хелицеровых и ракообразных произошло около 600 миллионов лет назад. Гемоцианин хелицеровых имеет достаточно консервативную структуру. Дивергенция гемоцианина паукообразных от остальных хелицеровых произошла 550—450 миллионов лет назад. Возраст дивергенции гемоцианинов высших раков (Malacostraca) и гексамеринов насекомых оценивается в 430—440 миллионов лет. Расхождение гемоцианинов внутри группы ракообразных началось гораздо позже, около 200 миллионов лет назад. Криптоцианины десятиногих раков (Decapoda), не выполняющие функции переносчиков кислорода, отделились от основной линии примерно 215 миллионов лет назад. Время дивергенции гемоцианинов в различных группах членистоногих может свидетельствовать в пользу теории общего происхождения шестиногих и высших раков[32][29][33]. Можно отметить тенденцию к уменьшению количества мономеров гемоцианина в субъединице в процессе эволюции[30].

Открытый в 2002 году гемоцианин онихофор отделился от общей ветви членистоногих раньше, чем началась дивергенция внутри группы членистоногих, тем не менее эти гемоцианины имеют общее происхождение[3].

Изучение эволюции гемоцианинов позволило уточнить родственные отношения различных групп членистоногих и моллюсков[29].

Использование[править | править код]

Изучается возможность применения гемоцианина в медицине как компонента противоопухолевых вакцин. При образовании конъюгатов с опухолевыми антигенами он существенно повышает их иммуногенность. Этот адъювант 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[34][35]. Предполагается, что 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[36][37].

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Алякринская И. О. Гемоглобины и гемоцианины беспозвоночных. — Москва: Наука, 1979. — 155 с.
• Житенева Л. Д., Макаров Э. В., Рудницкая О. В. Эволюция крови. — Ростов-на-Дону: Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства (АзНИИРХ), 2001. — 104 с.
• Стид Дж. В., Этвуд Дж. Л. Супрамолекулярная химия. — Москва: Академкнига, 2007. — 896 с. — ISBN 978-5-94628-303-8.
• Яценко А. В. Комплексные соединения в процессах дыхания живых существ (рус.).
• Heinz Decker, Nadja Hellmann, Elmar Jaenicke, Bernhard Lieb, Ulrich Meissner, and Jürgen Markl. Minireview: Recent progress in hemocyanin research (англ.) // Integrative and Comparative Biology. — 2007. — Vol. 47, no. 4. — P. 631—644.
• Van Holde K. E., Miller K. I. Hemocyanins (англ.) // Adv Protein Chem. — 1995. — No. 47. — P. 1—81.
• Bernhard Lieb, Benjamin Altenhein and Jürgen Markl. The Sequence of a Gastropod Hemocyanin (HtH1 from Haliotis tuberculata) (англ.) // The Journal of Biological Chemistry. — 2000. — Vol. 275. — P. 5675—5681.
• C. P. Mangum, J. L. Sc