Las hemocianinas (también escritas haemocyanins y abreviadas Hc ) son proteínas que transportan oxígeno por todo el cuerpo de algunos animales invertebrados . Estas metaloproteínas contienen dos átomos de cobre que se unen reversiblemente a una sola molécula de oxígeno (O 2 ). Son superadas solo por la hemoglobina en frecuencia de uso como molécula de transporte de oxígeno. A diferencia de la hemoglobina en 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 Cu(I) incolora y la forma oxigenada 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 los moluscos y artrópodos , incluidos los cefalópodos y los 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 en muchos insectos parecen derivar de las hemocianinas. [5]
La superfamilia de hemocianinas de los 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 inmunitaria humoral. Las fenoloxidasas son sintetizadas por zimógenos y se activan al escindir 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 los ciclos de muda o las condiciones nutricionales. [8]
Las secuencias genéticas de las pseudohemocianinas y las criptocianinas están estrechamente relacionadas con las hemocianinas de los crustáceos. Estas proteínas tienen una estructura y una función similares, pero carecen de los sitios de unión del cobre . [9]
Los cambios evolutivos dentro de la filogenia de la superfamilia de las hemocianinas están estrechamente relacionados con la aparición de estas diferentes proteínas en varias especies. La comprensión de las proteínas dentro de esta superfamilia no sería bien entendida sin los estudios exhaustivos de la hemocianina en los artrópodos. [10]
Aunque la función respiratoria de la hemocianina es similar a la de la hemoglobina, existen un número significativo de diferencias en su estructura molecular y mecanismo. Mientras que la hemoglobina lleva sus átomos de hierro en anillos de porfirina ( grupos hemo ), los átomos de cobre de la hemocianina están unidos como grupos prostéticos coordinados por residuos de histidina . Cada monómero de hemocianina mantiene un par de cationes de cobre (I) en su lugar a través de 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 en el transporte de oxígeno por cantidad de sangre. La hemoglobina se une al oxígeno de forma 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 Hill varían según la especie y la configuración de medición del laboratorio. La hemoglobina, a modo de comparación, tiene un coeficiente de Hill de normalmente 2,8 a 3,0. En estos casos de unión cooperativa , la hemocianina se dispuso en subcomplejos proteicos de 6 subunidades (hexámeros) cada uno con un sitio de unión al oxígeno; la unión del oxígeno en una unidad del complejo aumentaría la afinidad de las unidades vecinas. Cada complejo de hexámeros se dispuso junto para formar un complejo más grande de docenas de hexámeros. En un estudio, se descubrió que la unión cooperativa dependía de que los hexámeros estuvieran dispuestos juntos en el complejo más grande, lo que sugiere una unión cooperativa entre hexámeros. El perfil de unión al 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 organizadas en dímeros o hexámeros según la especie; el complejo dímero o hexámero también está organizado en cadenas o racimos 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 los 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 espinosa Panulirus interruptus y el isópodo Bathynomus giganteus . [17] Las cadenas peptídicas en los crustáceos tienen alrededor de 660 residuos de aminoácidos de longitud, y en los quelicerados tienen alrededor de 625. En los grandes complejos hay una variedad de cadenas variantes, todas de aproximadamente la misma longitud; los componentes puros no suelen autoensamblarse. [ cita requerida ]
La hemocianina es homóloga a las fenol oxidasas (p. ej., tirosinasa ) ya que ambas proteínas tienen residuos de histidina , llamados centros de coordinación de unión al 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 puede realizar. [20] La hemocianina también exhibe actividad de fenol oxidasa , pero con una cinética ralentizada debido a un mayor volumen estérico en el sitio activo. La desnaturalización parcial en realidad mejora la actividad de 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 estos 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 coinciden con las observaciones experimentales para oxyHc. [22] La separación Cu-Cu en el complejo modelo es de 3,56 Å, la de oxyhemocianina es de aproximadamente 3,6 Å (deoxyHc: aproximadamente 4,6 Å). [22] [23] [24]
La hemocianina presente en la sangre de la oreja de mar chilena, Concholepas concholepas , tiene efectos inmunoterapéuticos contra el cáncer de vejiga en modelos murinos. Ratones tratados con hemocianina de C. concholepas antes de la implantación de células tumorales de vejiga (MBT-2) mostraron efectos antitumorales: prolongación de la supervivencia, disminución del crecimiento y la incidencia de tumores y ausencia de efectos tóxicos, y pueden tener un uso potencial en la inmunoterapia futura para el cáncer de vejiga superficial. [25]
La hemocianina de lapa (KLH) es un estimulante inmunológico derivado de las glicoproteínas circulantes del molusco marino Megathura crenulata . Se ha demostrado que la KLH es un tratamiento significativo 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 inhibe el crecimiento del cáncer de esófago de Barrett humano a través de mecanismos apópticos y no apópticos de muerte celular. [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 la oxihemocianina, se ven afectados por la dieta. El estudio comparó los niveles de oxihemocianina en la sangre del camarón blanco alojado en un estanque interior con una dieta comercial con los del camarón blanco alojado en un estanque exterior 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 exteriores. También se encontró que los niveles de metabolitos en sangre tendían a ser más bajos en las especies de bajo nivel de actividad, como cangrejos, langostas y el camarón interior en comparación con el camarón exterior. Esta correlación es posiblemente 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]
