Las hemocianinas (también escritas como hemocianinas y abreviadas como Hc ) son proteínas que transportan oxígeno por todo el cuerpo de algunos animales invertebrados. Estas metaloproteínas contienen dos átomos de cobre que se unen de forma reversible a una única molécula de oxígeno (O 2 ). Ocupan el segundo lugar después de la hemoglobina en frecuencia de uso como molécula de transporte de oxígeno. A diferencia de la hemoglobina de los glóbulos rojos que se encuentran en los vertebrados , las hemocianinas no están confinadas en las células sanguíneas, sino que están suspendidas directamente en la hemolinfa . La oxigenación provoca un cambio de color entre la forma desoxigenada de Cu(I) incolora y la forma oxigenada de Cu(II) azul . [1]
La hemocianina fue descubierta por primera vez en Octopus vulgaris por Leon Fredericq en 1878. La presencia de cobre en los moluscos fue detectada incluso antes por Bartolomeo Bizio en 1833. [2] Las hemocianinas se encuentran en moluscos y artrópodos , incluidos cefalópodos y crustáceos , y son utilizadas por algunos artrópodos terrestres. como la tarántula Eurypelma californicum , [3] el escorpión emperador , [4] y el ciempiés Scutigera coleoptrata . Además, las proteínas de almacenamiento larvario de muchos insectos parecen derivar de hemocianinas. [5]
La superfamilia de hemocianinas de artrópodos está compuesta por fenoloxidasas , hexamerinas, pseudohemocianinas o criptocianinas y receptores de hexamerina ( dípteros ). [6]
Las fenoloxidasas son tirosinasas que contienen cobre. Estas proteínas participan en el proceso de esclerotización de la cutícula de los artrópodos, en la cicatrización de heridas y en la defensa inmune humoral. La fenoloxidasa es sintetizada por zimógenos y se activa escindiendo un péptido N-terminal . [7]
Las hexamerinas son proteínas de almacenamiento que se encuentran comúnmente en los insectos. Estas proteínas son sintetizadas por el cuerpo graso de las larvas y están asociadas con ciclos de muda o condiciones nutricionales. [8]
Las secuencias genéticas de pseudohemocianinas y criptocianinas están estrechamente relacionadas con las hemocianinas de los crustáceos. Estas proteínas tienen una estructura y función similares, pero carecen de sitios de unión de cobre . [9]
Los cambios evolutivos dentro de la filogenia de la superfamilia de hemocianinas están estrechamente relacionados con la aparición de estas diferentes proteínas en diversas especies. La comprensión de las proteínas dentro de esta superfamilia no se entendería bien sin los extensos estudios de la hemocianina en artrópodos. [10]
Aunque la función respiratoria de la hemocianina es similar a la de la hemoglobina, existe un número significativo de diferencias en su estructura y mecanismo molecular. Mientras que la hemoglobina transporta sus átomos de hierro en anillos de porfirina ( grupos hemo ), los átomos de cobre de la hemocianina están unidos como grupos protésicos coordinados por residuos de histidina . Cada monómero de hemocianina mantiene un par de cationes de cobre (I) en su lugar mediante interacciones con los anillos de imidazol de seis residuos de histidina. [11] Se ha observado que las especies que utilizan hemocianina para el transporte de oxígeno incluyen crustáceos que viven en ambientes fríos con baja presión de oxígeno. En estas circunstancias, el transporte de oxígeno de la hemoglobina es menos eficiente que el transporte de oxígeno de la hemocianina. [12] Sin embargo, también hay artrópodos terrestres que utilizan hemocianina, en particular arañas y escorpiones, que viven en climas cálidos. La molécula es conformacionalmente estable y funciona completamente a temperaturas de hasta 90 grados C. [13]
La mayoría de las hemocianinas se unen al oxígeno de forma no cooperativa y son aproximadamente una cuarta parte tan eficientes como la hemoglobina para transportar oxígeno por cantidad de sangre. La hemoglobina se une al oxígeno de manera cooperativa debido a cambios de conformación estérica en el complejo proteico , lo que aumenta la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno cuando está parcialmente oxigenada. En algunas hemocianinas de cangrejos herradura y algunas otras especies de artrópodos , se observa unión cooperativa, con coeficientes de Hill de 1,6 a 3,0. Los coeficientes de colina varían según las especies y los entornos de medición del laboratorio. La hemoglobina, en comparación, tiene un coeficiente de Hill normalmente de 2,8 a 3,0. En estos casos de unión cooperativa, la hemocianina se dispuso en subcomplejos proteicos de 6 subunidades (hexámero), cada uno con un sitio de unión de oxígeno; La unión de oxígeno a una unidad del complejo aumentaría la afinidad de las unidades vecinas. Cada complejo de hexámeros se organizó para formar un complejo más grande de docenas de hexámeros. En un estudio, se descubrió que la unión cooperativa dependía de que los hexámeros se organizaran juntos en el complejo más grande, lo que sugiere una unión cooperativa entre hexámeros. El perfil de unión de oxígeno de la hemocianina también se ve afectado por los niveles de iones de sal disueltos y el pH . [14]
La hemocianina está formada por muchas subunidades proteicas individuales, cada una de las cuales contiene dos átomos de cobre y puede unirse a una molécula de oxígeno (O 2 ). Cada subunidad pesa alrededor de 75 kilodaltons (kDa). Las subunidades pueden estar dispuestas en dímeros o hexámeros según la especie; el complejo dímero o hexámero está igualmente dispuesto en cadenas o agrupaciones con pesos superiores a 1500 kDa. Las subunidades suelen ser homogéneas o heterogéneas con dos tipos de subunidades variantes. Debido al gran tamaño de la hemocianina, generalmente se encuentra flotando libremente en la sangre, a diferencia de la hemoglobina. [15]
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Los hexámeros son característicos de las hemocianinas de artrópodos. [17] Una hemocianina de la tarántula Eurypelma californicum [3] está formada por 4 hexámeros o 24 cadenas peptídicas. Una hemocianina del ciempiés doméstico Scutigera coleoptrata [18] está formada por 6 hexámeros o 36 cadenas. Los cangrejos herradura tienen una hemocianina de 8 hexámeros (es decir, 48 cadenas). Los hexámeros simples se encuentran en la langosta Panulirus interruptus y el isópodo Bathynomus giganteus . [17] Las cadenas peptídicas en los crustáceos tienen aproximadamente 660 residuos de aminoácidos de largo, y en los quelicerados tienen aproximadamente 625. En los complejos grandes hay una variedad de cadenas variantes, todas aproximadamente de la misma longitud; Los componentes puros no suelen montarse solos. [ cita necesaria ]
La hemocianina es homóloga a las fenol oxidasas (por ejemplo, tirosinasa ), ya que ambas proteínas tienen residuos de histidina , llamados centros de coordinación de unión de cobre "tipo 3", al igual que las enzimas tirosinasa y catecol oxidasa . [19] En ambos casos, los precursores inactivos de las enzimas (también llamados zimógenos o proenzimas) deben activarse primero. Esto se hace eliminando el aminoácido que bloquea el canal de entrada al sitio activo cuando la proenzima no está activa. Actualmente no se conocen otras modificaciones necesarias para activar la proenzima y permitir la actividad catalítica. Las diferencias conformacionales determinan el tipo de actividad catalítica que la hemocianina es capaz de realizar. [20] La hemocianina también exhibe actividad fenol oxidasa , pero con una cinética más lenta debido a un mayor volumen estérico en el sitio activo. La desnaturalización parcial en realidad mejora la actividad fenol oxidasa de la hemocianina al proporcionar un mayor acceso al sitio activo. [1] [19]
La espectroscopia de oxihemocianina muestra varias características destacadas: [21]
Se ha dedicado mucho trabajo a preparar análogos sintéticos del sitio activo de la hemocianina. [21] Uno de esos modelos, que presenta un par de centros de cobre unidos lateralmente por un ligando peroxo, muestra ν(OO) a 741 cm −1 y un espectro UV-Vis con absorbancias a 349 y 551 nm. Ambas mediciones concuerdan con las observaciones experimentales para oxiHc. [22] La separación Cu-Cu en el complejo modelo es de 3,56 Å, la de la oxihemocianina es de ca. 3,6 Å (desoxiHc: aprox. 4,6 Å). [22] [23] [24]
La hemocianina encontrada en la sangre del abulón chileno, Concholepas concholepas , tiene efectos inmunoterapéuticos contra el cáncer de vejiga en modelos murinos. Ratones preparados con C. concholepas antes de la implantación de células de tumor de vejiga (MBT-2). Los ratones tratados con hemocianina de C. concholepas mostraron efectos antitumorales: supervivencia prolongada, disminución del crecimiento y la incidencia del tumor y falta de efectos tóxicos y pueden tener un uso potencial en la inmunoterapia futura para el cáncer de vejiga superficial. [25]
La hemocianina de lapa californiana (KLH) es un estimulante inmunológico derivado de las glicoproteínas circulantes del molusco marino Megathura crenulata . Se ha demostrado que KLH es un tratamiento importante contra la proliferación de células de cáncer de mama, cáncer de páncreas y cáncer de próstata cuando se administra in vitro. La hemocianina de lapa californiana inhibe el crecimiento del cáncer de esófago de Barrett humano a través de mecanismos de muerte celular tanto apopticos como no apopticos. [26]
Un estudio de 2003 sobre el efecto de las condiciones de cultivo de los metabolitos sanguíneos y la hemocianina del camarón blanco Litopenaeus vannamei encontró que los niveles de hemocianina, en particular de oxihemocianina, se ven afectados por la dieta. El estudio comparó los niveles de oxihemocianina en la sangre de camarones blancos alojados en un estanque interior con una dieta comercial con los de camarones blancos alojados en un estanque al aire libre con una fuente de proteína más fácilmente disponible (alimento vivo natural). Los niveles de oxihemocianina y glucosa en sangre fueron más altos en los camarones alojados en estanques al aire libre. También se descubrió que los niveles de metabolitos en sangre tendían a ser más bajos en especies de bajo nivel de actividad, como cangrejos, langostas y camarones de interior, en comparación con los camarones de exterior. Esta correlación posiblemente sea indicativa de la evolución morfológica y fisiológica de los crustáceos. Los niveles de estas proteínas y metabolitos en sangre parecen depender de las demandas energéticas y la disponibilidad de esas fuentes de energía. [27]
