Hemocianina

Hemocianinas (también deletreadas 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 de forma reversible a una sola molécula de oxígeno (O₂). Son superados 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 los glóbulos, 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.

Distribución de especies

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. Las hemocianinas se encuentran en los moluscos y los artrópodos, incluidos los cefalópodos y crustáceos y utilizado por algunos artrópodos terrestres como la tarántula Eurypelma californicum, el escorpión emperador y el ciempiés Scutigera coleoptrata. Además, las proteínas de almacenamiento de las larvas en muchos insectos parecen derivar de las hemocianinas.

La superfamilia de las hemocianinas

La superfamilia de las hemocianinas de artrópodos está compuesta por fenoloxidasas, hexamerinas, pseudohemocianinas o criptocianinas y receptores de hexamerina (dípteros).

Las fenoloxidasas son tirosinasas que contienen cobre. Estas proteínas están implicadas en el proceso de esclerotización de la cutícula de los artrópodos, en la cicatrización de heridas y en la defensa inmunitaria humoral. La fenoloxidasa es sintetizada por zimógenos y se activa al escindir un péptido N-terminal.

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.

Las secuencias genéticas de las pseudohemocianinas y las criptocianinas están estrechamente relacionadas con las hemocianinas de los crustáceos. Estas proteínas tienen una estructura y función similares, pero carecen de los sitios de unión al cobre.

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 se entendería bien sin los extensos estudios de hemocianina en artrópodos.

Estructura y mecanismo

La desventaja del carapace de un cangrejo rojo (Producto de cáncer). La coloración púrpura es causada por hemociano.

Aunque la función respiratoria de la hemocianina es similar a la de la hemoglobina, existe una cantidad significativa 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 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. 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 por hemoglobina es menos eficiente que el transporte de oxígeno por hemocianina. Sin embargo, también existen 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.

La mayoría de las hemocianinas se unen al oxígeno de forma no cooperativa y son aproximadamente una cuarta parte más eficientes que la hemoglobina en el transporte de oxígeno por cantidad de sangre. La hemoglobina se une al oxígeno de manera cooperativa debido a los 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, en comparación, tiene un coeficiente de Hill generalmente 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 del oxígeno a una unidad del complejo aumentaría la afinidad de las unidades vecinas. Cada complejo de hexámeros se arregló 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 al oxígeno de la hemocianina también se ve afectado por los niveles de iones de sal disueltos y el pH.

La hemocianina está formada por muchas subunidades de proteínas individuales, cada una de las cuales contiene dos átomos de cobre y puede unirse a una molécula de oxígeno (O₂). Cada subunidad pesa alrededor de 75 kilodaltons (kDa). Las subunidades pueden organizarse en dímeros o hexámeros según la especie; el complejo dímero o hexámero está igualmente dispuesto 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, por lo general se encuentra flotando libremente en la sangre, a diferencia de la hemoglobina.

Los hexámeros son característicos de las hemocianinas de artrópodos. Una hemocianina de la tarántula Eurypelma californicum está formada por 4 hexámeros o 24 cadenas peptídicas. Una hemocianina del ciempiés doméstico Scutigera coleoptrata 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. Las cadenas peptídicas en los crustáceos tienen una longitud de unos 660 residuos de aminoácidos, y en los quelicerados tienen una longitud de unos 625. En los complejos grandes hay una variedad de cadenas variantes, todas de aproximadamente la misma longitud; los componentes puros no suelen autoensamblarse.

Actividad catalítica

La hemocianina es homóloga a las fenol oxidasas (p. ej., tirosinasa) ya que ambas proteínas tienen residuos de histidina, llamados "tipo 3" centros de coordinación de unión de cobre, al igual que las enzimas tirosinasa y catecol oxidasa. 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 hay otras modificaciones conocidas necesarias para activar la proenzima y permitir la actividad catalítica. Las diferencias conformacionales determinan el tipo de actividad catalítica que puede realizar la hemocianina. La hemocianina también exhibe actividad de fenol oxidasa, pero con una cinética más lenta debido a una mayor masa estérica en el sitio activo. La desnaturalización parcial en realidad mejora la actividad de la fenol oxidasa de la hemocianina al proporcionar un mayor acceso al sitio activo.

Propiedades espectrales

Un sitio activo de hemociano en ausencia de O₂ (cada centro Cu es una cation, cargos no mostrados).

O₂- forma de un sitio activo de hemociano (el Cu₂ centro es un dication, cargo no mostrado).

La espectroscopia de oxihemocianina muestra varias características destacadas:

1. Resonancia La espectroscopia Raman muestra que O2 está ligada en un entorno simétrico (V(O-O) no está permitido por IR).
2. OxyHc es EPR-silent indicando la ausencia de electrones no pagados
3. Espectroscopía infrarroja muestra ν(O-O) de 755 cm⁻¹

Se ha dedicado mucho trabajo a la preparación de análogos sintéticos del sitio activo de la hemocianina. Uno de estos modelos, que presenta un par de centros de cobre unidos lateralmente por un ligando peroxo, muestra ν(O-O) a 741 cm⁻¹ y un espectro UV-Vis con absorbancias a 349 y 551 nm. Ambas medidas concuerdan con las observaciones experimentales de oxyHc. La separación Cu-Cu en el complejo modelo es de 3,56 Å, la de la oxihemocianina es ca. 3,6 Å (desoxiHc: aprox. 4,6 Å).

Efectos anticancerígenos

La hemocianina encontrada en la sangre del abulón chileno, Concholepas concholepas, tiene efectos inmunoterapéuticos contra el cáncer de vejiga en modelos murinos. Ratones cebados con C. concholepas antes de la implantación de células tumorales vesicales (MBT-2). Ratones tratados con C. concholepas hemocianina mostró efectos antitumorales: supervivencia prolongada, disminución del crecimiento y la incidencia de tumores, y ausencia de efectos tóxicos y puede tener un uso potencial en la inmunoterapia futura para el cáncer de vejiga superficial.

La hemocianina de lapa californiana (KLH) es un estimulante inmunitario 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 apópticos y no apópticos de muerte celular.

Estudios de caso: impacto ambiental en los niveles de hemocianina

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 disponible (alimento vivo natural) también. Los niveles de oxihemocianina y glucosa en sangre fueron más altos en los camarones alojados en estanques al aire libre. También se encontró 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 es posiblemente indicativa de la evolución morfológica y fisiológica de los crustáceos. Los niveles de estas proteínas y metabolitos sanguíneos parecen depender de las demandas energéticas y la disponibilidad de esas fuentes de energía.