헤모시아닌

3. 헤모시아닌 슈퍼패밀리

절지동물 헤모시아닌 슈퍼패밀리는 페놀 산화 효소, 헥사메린, 가짜 헤모시아닌 또는 크립토시아닌, 그리고 (쌍시류의) 헥사메린 수용체로 구성된다.^[6]

페놀 산화 효소는 구리를 함유하는 티로시나제이다. 이 단백질은 절지동물 큐티클의 경화 과정, 상처 치유, 체액성 면역 방어에 관여한다. 페놀 산화 효소는 지모겐에 의해 합성되며, N-말단 펩타이드를 절단하여 활성화된다.^[7]

헥사메린은 곤충에서 흔히 발견되는 저장 단백질이다. 이 단백질은 유충의 지방체에서 합성되며 탈피 주기 또는 영양 상태와 관련이 있다.^[8]

가짜 헤모시아닌과 크립토시아닌의 유전자 염기 서열은 갑각류의 헤모시아닌과 밀접한 관련이 있다. 이 단백질은 유사한 구조와 기능을 가지고 있지만, 구리 결합 부위가 없다.^[9]

4. 구조 및 메커니즘

헤모시아닌의 호흡 기능은 헤모글로빈과 유사하지만, 분자 구조와 메커니즘에서 상당한 수의 차이점이 있다. 헤모글로빈은 철 원자를 포르피린 고리(헴 그룹)에 가지고 있는 반면, 헤모시아닌의 구리 원자는 히스티딘 잔기에 의해 배위된 보결 분자단으로 결합되어 있다. 각 헤모시아닌 단량체는 여섯 개의 히스티딘 잔기의 이미다졸 고리와의 상호 작용을 통해 두 개의 구리(I) 양이온을 제자리에 고정한다.^[11] 헤모시아닌을 산소 수송에 사용하는 종에는 낮은 산소 압력을 가진 차가운 환경에 사는 갑각류가 포함된다. 이러한 상황에서 헤모글로빈의 산소 수송은 헤모시아닌의 산소 수송보다 효율성이 떨어진다.^[12] 온난한 기후에 사는 육상 절지동물(거미, 전갈 등)도 헤모시아닌을 사용한다.

대부분의 헤모시아닌은 산소와 비협동적 결합으로 결합하며, 혈액량당 산소 수송 효율이 헤모글로빈의 약 1/4 정도이다. 말굽게 및 일부 다른 절지동물 종의 일부 헤모시아닌에서는 1.6–3.0의 힐 계수로 협동적 결합이 관찰된다. 비교를 위해 헤모글로빈은 일반적으로 2.8–3.0의 힐 계수를 갖는다.^[14]

헤모시아닌은 각각 두 개의 구리 원자를 포함하고 하나의 산소 분자(O₂)를 결합할 수 있는 많은 개별 소단위 단백질로 구성된다. 각 소단위는 약 75 킬로달톤 (kDa)의 무게를 갖는다. 소단위는 종에 따라 단백질 이량체 또는 육량체로 배열될 수 있으며, 이량체 또는 육량체 복합체는 마찬가지로 1500 kDa을 초과하는 무게를 가진 사슬 또는 클러스터로 배열된다. 헤모시아닌의 큰 크기 때문에, 헤모글로빈과는 달리 일반적으로 혈액 내에서 자유롭게 떠다니는 형태로 발견된다.^[15]

5. 촉매 활성

헤모시아닌은 히스티딘 잔기를 가지고 있다는 점에서 티로시나아제와 같은 페놀 산화 효소와 상동성을 갖는다. 이는 "3형" 구리 결합 배위 중심이라고 불린다. 티로시나아제와 카테콜 산화 효소 또한 마찬가지이다.^[19] 두 경우 모두 효소의 비활성 전구체(자이모겐 또는 프로효소라고도 함)를 먼저 활성화해야 한다. 이는 프로효소가 활성화되지 않은 경우 활성 부위로의 입구 채널을 막는 아미노산을 제거하여 수행된다. 현재 프로효소를 활성화하고 촉매 활성을 가능하게 하는 데 필요한 다른 알려진 수정 사항은 없다. 입체 차이는 헤모시아닌이 수행할 수 있는 촉매 활성의 유형을 결정한다.^[20] 헤모시아닌은 페놀 산화 효소 활성을 나타내지만, 활성 부위에서의 더 큰 입체 벌어짐으로 인해 속도가 느려진다. 부분적인 변성은 실제로 활성 부위에 더 쉽게 접근할 수 있게 하여 헤모시아닌의 페놀 산화 효소 활성을 향상시킨다.^[1][19]

6. 분광학적 특성

• 공명 라만 분광법은 O|2^영어가 대칭적인 환경에서 결합되어 있음을 보여준다. (ν(O-O)는 IR 활성이 아님)
• 옥시Hc는 EPR 비활성이며, 이는 짝을 이루지 않은 전자가 없음을 나타낸다.
• 적외선 분광법은 755 cm⁻¹의 ν(O-O)를 보여준다.

7. 항암 효과

칠레 전복 ''콩코레파스 콘콜레파스''의 헤모시아닌은 생쥐 모델에서 방광암에 대한 면역 치료 효과가 있다.^[25] 방광 종양 세포 이식을 하기 전에 ''C. 콘콜레파스''로 전처치한 생쥐는 ''C. 콘콜레파스'' 헤모시아닌으로 치료했을 때 생존 기간 연장, 종양 성장 및 발병률 감소, 독성 효과 없음과 같은 항종양 효과를 보였다. 이는 표재성 방광암의 미래 면역 요법에 잠재적으로 사용될 수 있다.^[25]

키홀 삿갓 조개 헤모시아닌 (KLH)은 해양 연체동물 ''메가투라 크레눌라타''에서 추출한 면역 자극제이다. KLH는 시험관 내에서 투여했을 때 유방암, 췌장암, 전립선암 세포의 증식에 대한 유의미한 치료 효과를 보이는 것으로 나타났다. 키홀 삿갓 조개 헤모시아닌은 세포 사멸의 아폽토시스 및 비아폽토시스 기전을 통해 인간 바렛 식도암의 성장을 억제한다.^[26]

8. 환경 영향 연구 사례

2003년 흰다리새우 ''Litopenaeus vannamei''의 혈액 대사 물질 및 헤모시아닌이 배양 조건에 따라 받는 영향에 대한 연구에 따르면, 특히 옥시헤모시아닌을 포함한 헤모시아닌의 수준은 식단에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다.^[27] 이 연구에서는 실내 연못에서 상업용 사료를 먹는 흰다리새우와, 야외 연못에서 자연 활성 먹이와 같이 보다 쉽게 구할 수 있는 단백질원을 섭취하는 흰다리새우의 옥시헤모시아닌 수준을 비교했다. 옥시헤모시아닌과 혈당 수치는 야외 연못의 새우에서 더 높게 나타났다.^[27] 또한 게, 바닷가재, 실내 새우와 같이 활동 수준이 낮은 종들의 혈액 대사 물질 수치는 야외 새우에 비해 낮은 경향을 보였다.^[27] 이러한 상관관계는 갑각류의 형태적, 생리학적 진화를 나타내는 것일 수 있다. 이러한 혈액 단백질 및 대사 물질의 수치는 에너지 요구량과 이러한 에너지원의 가용성에 따라 달라지는 것으로 보인다.^[27]

참조

_[1] 논문 Diverse immune functions of hemocyanins 2014-07
_[2] 논문 The pre-history of hemocyanin. The discovery of copper in the blood of molluscs http://link.springer[...] 1992
_[3] 논문 Complete sequence of the 24-mer hemocyanin of the tarantula Eurypelma californicum. Structure and intramolecular evolution of the subunits 2000-12
_[4] 논문 Crystallization and preliminary analysis of crystals of the 24-meric hemocyanin of the emperor scorpion (Pandinus imperator)
_[5] 논문 Evolution of arthropod hemocyanins and insect storage proteins (hexamerins) 1994-05
_[6] 논문 Origin and evolution of arthropod hemocyanins and related proteins 2002-02
_[7] 논문 The prophenoloxidase-activating system in invertebrates 2004-04
_[8] 논문 Hemolymph Proteins and Molting in Crustaceans and Insects 1999
_[9] 논문 Cryptocyanin, a crustacean molting protein: evolutionary link with arthropod hemocyanins and insect hexamerins 1999-03
_[10] 논문 Molecular evolution of the arthropod hemocyanin superfamily 2001-02
_[11] 논문 Solvation of copper ions by imidazole: structures and sequential binding energies of Cu+(imidazole)x, x = 1-4. Competition between ion solvation and hydrogen bonding 2005-03
_[12] 논문 Influence of temperature, hypercapnia, and development on the relative expression of different hemocyanin isoforms in the common cuttlefish Sepia officinalis https://epic.awi.de/[...] 2012-12
_[13] 논문 Extreme thermostability of tarantula hemocyanin 1995-05
_[14] 논문 Influence of antibody binding on oxygen binding behavior of Panulirus interruptus hemocyanin 1997-05
_[15] 논문 The structure of arthropod and mollusc hemocyanins 1975-05
_[16] 논문 Crystal Structure of the 3.8-MDa Respiratory Supermolecule Hemocyanin at 3.0 Å Resolution 2015
_[17] 서적 Advances in Protein Chemistry Academic Press
_[18] 논문 Complete subunit sequences, structure and evolution of the 6 x 6-mer hemocyanin from the common house centipede, Scutigera coleoptrata 2003-07
_[19] 논문 Tyrosinase/catecholoxidase activity of hemocyanins: structural basis and molecular mechanism 2000-08
_[20] 논문 Similar enzyme activation and catalysis in hemocyanins and tyrosinases 2007-08
_[21] 논문 Copper-Oxygen Complexes Revisited: Structures, Spectroscopy, and Reactivity 2017-02
_[22] 논문 A new model for dioxygen binding in hemocyanin. Synthesis, characterization, and molecular structure of the μ-η2:η2 peroxo dinuclear copper(II) complexes, [Cu(BH(3,5-R2pz)3)]2(O2) (R = i-Pr and Ph) 1992
_[23] 논문 3.2 Å structure of the copper-containing, oxygen-carrying protein Panulirus interruptus haemocyanin
_[24] 논문 Crystal Structure and Reversible O2-Binding of a Room Temperature Stable μ-η2:η2-Peroxodicopper(II) Complex of a Sterically Hindered Hexapyridine Dinucleating Ligand 1999
_[25] 논문 This Month in Investigative Urology
_[26] 논문 Keyhole limpet hemocyanin, a novel immune stimulant with promising anticancer activity in Barrett's esophageal adenocarcinoma 2003-11
_[27] 논문 Blood metabolites and hemocyanin of the white shrimp, Litopenaeus vannamei: The effect of culture conditions and a comparison with other crustacean species
_[28] 간행물 血液の話：血液の色 http://www.csj.jp/ch[...] 日本化学会