الهيموسيانين

الهيموسيانين (يُكتب أيضًا هيموسيانين ويُختصر إلى Hc ) هي بروتينات تنقل الأكسجين في جميع أنحاء أجسام بعض اللافقاريات . تحتوي هذه البروتينات المعدنية على ذرتي نحاس ترتبطان بشكل عكسي بجزيء أكسجين واحد (O₂ ₎ . وهي ثاني أكثر البروتينات استخدامًا كناقل للأكسجين بعد الهيموجلوبين . على عكس الهيموجلوبين الموجود في خلايا الدم الحمراء لدى الفقاريات ، لا يقتصر وجود الهيموسيانين على خلايا الدم، بل ينتشر مباشرةً في اللمف الدموي . يؤدي التأكسج إلى تغير اللون بين الشكل عديم اللون Cu(I) غير المؤكسج والشكل الأزرق Cu(II) المؤكسج. ^{[ 1 ]}

اكتُشف الهيموسيانين لأول مرة في الأخطبوط الشائع (Octopus vulgaris) على يد ليون فريدريك عام 1878. وقد رُصد وجود النحاس في الرخويات قبل ذلك، وتحديدًا عام 1833، على يد بارتولوميو بيزيو. [2] يوجد الهيموسيانين في الرخويات والمفصليات ^{، بما في} ذلك رأسيات الأرجل والقشريات ، وتستخدمه بعض المفصليات البرية مثل الرتيلاء الكاليفورنية (Eurypelma californicum) ، ^{[ 3 ]} والعقرب الإمبراطوري ، ^{[ 4 ]} وأم أربعة وأربعين (Scutigera coleoptrata) . كما يبدو أن بروتينات التخزين في يرقات العديد من الحشرات مشتقة من الهيموسيانين. ^{[ 5 ]}

تتكون عائلة الهيموسيانين الفائقة في المفصليات من الفينول أوكسيداز ، والهيكساميرين ، والهيموسيانين الزائف أو الكريبتوسيانين ، ومستقبلات الهيكساميرين ( في ذوات الجناحين ). ^{[ 6 ]}

الفينول أوكسيداز هي إنزيمات تيروزيناز تحتوي على النحاس. تشارك هذه البروتينات في عملية تصلب غلاف المفصليات، وفي التئام الجروح، وفي الاستجابة المناعية الخلطية. يتم تصنيع الفينول أوكسيداز بواسطة ^{الزيموجينات} ويتم تنشيطه عن طريق شطر ببتيد طرفي N. [ ^{7 ]}

الهيكسامرينات هي بروتينات تخزين شائعة في الحشرات. يتم تصنيع هذه البروتينات بواسطة الجسم الدهني لليرقات وترتبط بدورات الانسلاخ أو الظروف الغذائية. ^{[ 8 ]}

تتشابه التسلسلات الجينية للهيموسيانين الكاذب والكريبتوسيانين مع الهيموسيانين في القشريات. وتتشابه هذه البروتينات في بنيتها ووظيفتها، لكنها تفتقر إلى مواقع ارتباط النحاس . ^{[ 9 ]}

ترتبط التغيرات التطورية ضمن السلالة الوراثية لعائلة الهيموسيانين ارتباطًا وثيقًا بظهور هذه البروتينات المختلفة في أنواعٍ متعددة. ولن يكون فهم البروتينات ضمن هذه العائلة أمرًا جيدًا لولا الدراسات المكثفة للهيموسيانين في المفصليات. ^{[ 10 ]}

على الرغم من تشابه وظيفة الهيموسيانين التنفسية مع وظيفة الهيموجلوبين، إلا أن هناك اختلافات جوهرية في بنيته الجزيئية وآليته. فبينما يحمل الهيموجلوبين ذرات الحديد في حلقات البورفيرين ( مجموعات الهيم )، ترتبط ذرات النحاس في الهيموسيانين كمجموعات اصطناعية منسقة بواسطة بقايا الهيستيدين . ويحمل كل مونومر من الهيموسيانين زوجًا من كاتيونات النحاس الأحادي (Cu⁺) عبر تفاعلات مع حلقات الإيميدازول لستة بقايا هيستيدين. ^{[ 11 ]} وقد لوحظ أن الكائنات التي تستخدم الهيموسيانين لنقل الأكسجين تشمل القشريات التي تعيش في بيئات باردة ذات ضغط أكسجين منخفض. في هذه الظروف، يكون نقل الأكسجين بواسطة الهيموجلوبين أقل كفاءة من نقله بواسطة الهيموسيانين. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، توجد أيضًا مفصليات أرضية تستخدم الهيموسيانين، ولا سيما العناكب والعقارب، التي تعيش في مناخات دافئة. الجزيء مستقر من الناحية التركيبية ويعمل بكامل طاقته عند درجات حرارة تصل إلى 90 درجة مئوية. ^{[ 13 ]}

ترتبط معظم الهيموسيانينات بالأكسجين بشكل غير تعاوني ، وتكون كفاءتها في نقل الأكسجين لكل وحدة دم أقل بنحو الربع من كفاءة الهيموجلوبين. يرتبط الهيموجلوبين بالأكسجين بشكل تعاوني نتيجة لتغيرات في البنية الفراغية للمركب البروتيني ، مما يزيد من ألفة الهيموجلوبين للأكسجين عند تأكسجه جزئيًا. في بعض الهيموسيانينات الموجودة في سرطان حدوة الحصان وبعض أنواع المفصليات الأخرى ، يُلاحظ ارتباط تعاوني، بمعاملات هيل تتراوح بين 1.6 و3.0. تختلف معاملات هيل باختلاف الأنواع وظروف القياس المختبري. وللمقارنة، يبلغ معامل هيل للهيموجلوبين عادةً 2.8-3.0. في حالات الارتباط التعاوني هذه ، رُتبت الهيموسيانينات في مركبات بروتينية فرعية مكونة من 6 وحدات فرعية (سداسي)، تحتوي كل منها على موقع ارتباط واحد بالأكسجين؛ ويؤدي ارتباط الأكسجين بوحدة واحدة في المركب إلى زيادة ألفة الوحدات المجاورة. رُتبت كل مجموعة سداسية معًا لتشكيل مركب أكبر يتكون من عشرات السداسيات. في إحدى الدراسات، وُجد أن الارتباط التعاوني يعتمد على ترتيب السداسيات معًا في المركب الأكبر، مما يشير إلى ارتباط تعاوني بين السداسيات. كما يتأثر نمط ارتباط الهيموسيانين بالأكسجين بمستويات أيونات الملح الذائبة ودرجة الحموضة . ^{[ 14 ]}

يتكون الهيموسيانين من العديد من البروتينات الفرعية، تحتوي كل منها على ذرتي نحاس وتستطيع الارتباط بجزيء أكسجين واحد (O₂ ₎ . يبلغ وزن كل وحدة فرعية حوالي 75 كيلودالتون (kDa). قد تترتب الوحدات الفرعية في ثنائيات أو سداسيات حسب النوع؛ وبالمثل، يترتب معقد الثنائي أو السداسي في سلاسل أو عناقيد بأوزان تتجاوز 1500 كيلودالتون. عادةً ما تكون الوحدات الفرعية متجانسة ، أو غير متجانسة مع نوعين مختلفين من الوحدات الفرعية. نظرًا لكبر حجم الهيموسيانين، فإنه يوجد عادةً طافيًا في الدم، على عكس الهيموجلوبين. ^{[ 15 ]}

تُعدّ السداسيات سمة مميزة للهيموسيانين في المفصليات. ^{[ 17 ]} يتكون هيموسيانين العنكبوت الرتيلاء Eurypelma californicum ^{[ 3 ]} من 4 سداسيات أو 24 سلسلة ببتيدية. ويتكون هيموسيانين حريش المنزل Scutigera coleoptrata ^{[ 18 ]} من 6 سداسيات أو 36 سلسلة. أما سرطان حدوة الحصان فيحتوي على هيموسيانين مكون من 8 سداسيات (أي 48 سلسلة). وتوجد سداسيات بسيطة في جراد البحر الشوكي Panulirus interruptus وفي قمل الخشب Bathynomus giganteus . ^{[ 17 ]} يبلغ طول السلاسل الببتيدية في القشريات حوالي 660 حمضًا أمينيًا، وفي الكليسرية حوالي 625 حمضًا أمينيًا. وفي المركبات الكبيرة، توجد مجموعة متنوعة من السلاسل المتغيرة، جميعها تقريبًا بنفس الطول. لا تقوم المكونات النقية عادةً بالتجميع الذاتي.

يُعدّ الهيموسيانين متماثلاً مع أوكسيدازات الفينول (مثل التيروزيناز ) لاحتوائهما على بقايا الهيستيدين ، والتي تُسمى مراكز التنسيق الرابطة للنحاس من النوع 3، كما هو الحال في إنزيمي التيروزيناز وأوكسيداز الكاتيكول . ^{[ 19 ]} في كلتا الحالتين، يجب تنشيط السلائف غير النشطة للإنزيمات (وتُسمى أيضًا الزيموجينات أو الإنزيمات الأولية) أولاً. ويتم ذلك عن طريق إزالة الحمض الأميني الذي يسد قناة الدخول إلى الموقع النشط عندما يكون الإنزيم الأولي غير نشط. لا توجد حاليًا أي تعديلات أخرى معروفة ضرورية لتنشيط الإنزيم الأولي وتمكين النشاط التحفيزي. وتُحدد الاختلافات التركيبية نوع النشاط التحفيزي الذي يستطيع الهيموسيانين القيام به. ^{[ 20 ]} يُظهر الهيموسيانين أيضًا نشاط أوكسيداز الفينول ، ولكن بحركية أبطأ نتيجةً لزيادة الحجم الفراغي في الموقع النشط. يؤدي التمسخ الجزئي في الواقع إلى تحسين نشاط إنزيم فينول أوكسيداز في الهيموسيانين من خلال توفير وصول أكبر إلى الموقع النشط. ^{[ 1 ] [ 19 ]}

يُظهر التحليل الطيفي للأوكسي هيموسيانين العديد من السمات البارزة: ^{[ 21 ]}

1. تُظهر مطيافية رامان الرنينية أن الأكسجين₂ مرتبط في بيئة متناظرة (ν(OO) غير مسموح به في الأشعة تحت الحمراء).
2. لا يُظهر OxyHc أي إشارة في طيف الرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR) ، مما يدل على عدم وجود إلكترونات غير مزدوجة.
3. يُظهر التحليل الطيفي الراماني قيمة ν(OO) تساوي ⁷⁵⁵  سم⁻¹

بُذلت جهودٌ كبيرةٌ لإعداد نظائر اصطناعية للموقع النشط للهيموسيانين. ^{[ 21 ]} أحد هذه النماذج، الذي يتميز بزوج من مراكز النحاس المتصلة جانبيًا برابطة بيروكسو، يُظهر ترددًا ν(OO) عند 741  سم⁻¹ وطيف امتصاص للأشعة فوق البنفسجية والمرئية عند 349 و551 ^{نانومتر}  . تتوافق هاتان القياستان مع الملاحظات التجريبية للهيموسيانين المؤكسد. ^{[ 22 ]} تبلغ المسافة بين ذرتي النحاس في المركب النموذجي 3.56 أنغستروم، بينما تبلغ في الهيموسيانين المؤكسد حوالي 3.6 أنغستروم (في الهيموسيانين غير المؤكسد: حوالي 4.6 أنغستروم). ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

يُظهر الهيموسيانين الموجود في دم أذن البحر التشيلي، Concholepas concholepas ، تأثيرات علاجية مناعية ضد سرطان المثانة في نماذج الفئران . تم تحفيز الفئران بـ C. concholepas قبل زرع خلايا ورم المثانة (MBT-2). أظهرت الفئران المعالجة بهيموسيانين C. concholepas تأثيرات مضادة للأورام: إطالة أمد البقاء، وانخفاض نمو الورم وانتشاره، وانعدام الآثار السامة، وقد يكون له استخدام محتمل في العلاج المناعي المستقبلي لسرطان المثانة السطحي. ^{[ 25 ]}

يُعدّ هيموسيانين المحار ذي الثقب المفتاحي (KLH) مُحفزًا مناعيًا مُستخلصًا من البروتينات السكرية الدائرة في دم الرخويات البحرية من نوع ميغاثورا كرينولاتا . وقد أظهرت الدراسات فعالية KLH كعلاجٍ مُهم ضد تكاثر خلايا سرطان الثدي ، وسرطان البنكرياس ، وسرطان البروستاتا عند استخدامه في المختبر. كما يُثبّط هيموسيانين المحار ذي الثقب المفتاحي نمو سرطان باريت المريئي لدى الإنسان من خلال آليات موت الخلايا المبرمج وغير المبرمج. ^{[ 26 ]}

أظهرت دراسة أجريت عام ٢٠٠٣ حول تأثير ظروف الاستزراع على مستقلبات الدم والهيموسيانين في الروبيان الأبيض (Litopenaeus vannamei) أن مستويات الهيموسيانين، وخاصةً أوكسي هيموسيانين، تتأثر بالنظام الغذائي. قارنت الدراسة مستويات أوكسي هيموسيانين في دم الروبيان الأبيض المُربى في أحواض داخلية مع نظام غذائي تجاري، مع مستوياته في دم الروبيان الأبيض المُربى في أحواض خارجية مع مصدر بروتين متوفر بسهولة أكبر (غذاء حي طبيعي). كانت مستويات أوكسي هيموسيانين وسكر الدم أعلى في الروبيان المُربى في الأحواض الخارجية. كما وُجد أن مستويات مستقلبات الدم تميل إلى الانخفاض في الأنواع ذات النشاط المنخفض، مثل السرطانات وجراد البحر والروبيان المُربى في الأحواض الداخلية، مقارنةً بالروبيان المُربى في الأحواض الخارجية. قد يشير هذا الارتباط إلى التطور المورفولوجي والفسيولوجي للقشريات. ويبدو أن مستويات بروتينات الدم ومستقلباتها تعتمد على الاحتياجات الطاقية وتوافر مصادر الطاقة. ^{[ ٢٧ ]}

• الميوغلوبين
• صبغة الجهاز التنفسي

• هياكل الهيموسيانين ثلاثية الأبعاد في بنك بيانات EM (EMDB)
• نظرة عامة على جميع المعلومات الهيكلية المتاحة في قاعدة بيانات البروتينات (PDB) لـ UniProt : P04253 (Hemocyanin II) في PDBe-KB .