헤모시아닌
1. 개요
헤모시아닌은 연체동물과 절지동물의 혈액에서 산소 운반 역할을 하는 구리 함유 단백질이다. 1878년 문어에서 처음 발견되었으며, 두족류, 갑각류, 일부 육지 절지동물에서 발견된다. 헤모시아닌 슈퍼패밀리는 페놀 산화 효소, 헥사메린, 가짜 헤모시아닌, 헥사메린 수용체로 구성된다. 헤모시아닌은 헤모글로빈과 유사하게 산소를 운반하지만, 분자 구조와 메커니즘에서 차이가 있으며, 산소 결합 프로파일은 용해된 염 이온 수준 및 pH의 영향을 받는다. 헤모시아닌은 촉매 활성을 가지며, 항암 효과가 연구되었고, 환경에 대한 연구 사례도 존재한다.
| 유형 | 호흡기 단백질 |
|---|---|
| 기능 | 산소 운반 |
| 발견 동물 | 일부 무척추동물 (갑각류, 거미류, 투구게 및 연체동물) |
| 색상 | 탈산소화 시 무색, 산소화 시 파란색 |
| 활성 부위 | 두 개의 구리 원자 |
| 아단위 | 최대 8개 (연체동물), 최대 6개 (절지동물) |
|---|---|
| 분자량 | 50 kDa ~ 1.3 MDa |
| 구리 함량 | 0.25 ~ 0.35% (질량 기준) |
| 산소 결합 부위 | 두 개의 구리 이온 (II) |
|---|---|
| 산소 결합 친화도 | pH, 이산화탄소, 염화물 이온, 젖산 및 칼슘 이온에 의해 조절됨 (보어 효과 및 힐 계수) |
| 면역 기능 | 자연 면역 반응 활성화 (절지동물 혈청 hemocyanin) |
| 참고 | 혈액이 파란색을 띄는 원인 |
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호흡 색소 -
헤메리트린
헤메리트린은 헴 없이 두 개의 철 원자를 활성 부위에 가진 산소 운반 단백질로, 철 원자가 특정 아미노산 잔기를 통해 단백질에 결합하며 산화 환원 상태에 따라 분류되고, 특이적인 이산소 결합 메커니즘과 낮은 일산화 탄소 친화성을 가진다. -
금속단백질 -
광계
광계는 틸라코이드 막에 위치하며 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 단백질 복합체로, 광수집 복합체에 둘러싸인 반응 중심을 가지며 물 분해를 통해 전자를 얻고 산소를 방출하는 광계 II와 NADPH를 생성하는 광계 I 두 가지 주요 유형으로 나뉜다. -
금속단백질 -
미오글로빈
미오글로빈은 근육 조직 내 산소 저장 단백질로, 헴기에 산소를 결합하며, 최초로 삼차 구조가 밝혀진 단백질이고, 헤모글로빈보다 산소 친화력이 높으며, 붉은 고기 색 결정, 대체육 활용, 근육 손상 진단 등과 관련된다. -
면역 자극제 -
인터페론 감마
인터페론 감마는 바이러스, 세균, 원충 감염에 대항하는 면역에 중요한 역할을 하는 제2형 인터페론 사이토카인으로, 대식세포 활성화, 항바이러스, 면역조절, 항종양 활성 등 다양한 기능을 수행하며 육아종 형성, 임신 유지, 암 면역 치료에도 관여한다. -
면역 자극제 -
종양괴사인자 알파
종양괴사인자 알파(TNF-α)는 면역세포에서 분비되는 사이토카인으로 염증 반응, 자가면역 질환, 암 등 다양한 질병 발병에 관여하며, 항-TNF 치료제 개발에 기여하여 자가면역 질환 치료에 사용되고 최근에는 TNF라고 불리자는 주장이 있다.
2. 종 분포
헤모시아닌은 1878년 레온 프레데릭에 의해 문어에서 처음 발견되었다. 연체동물 내 구리의 존재는 1833년 바르톨로메오 비지오에 의해 더 일찍 발견되었다. 헤모시아닌은 연체동물과 절지동물에서 발견되며, 두족류와 갑각류 외에도 Eurypelma californicum, 황제전갈, 지네인 Scutigera coleoptrata와 같은 일부 육지 절지동물에서도 발견된다. 또한, 많은 곤충 유충의 저장 단백질은 헤모시아닌에서 파생된 것으로 보인다.
3. 헤모시아닌 슈퍼패밀리
절지동물 헤모시아닌 슈퍼패밀리는 페놀 산화 효소, 헥사메린, 가짜 헤모시아닌 또는 크립토시아닌, 그리고 (쌍시류의) 헥사메린 수용체로 구성된다.
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.
헥사메린은 곤충에서 흔히 발견되는 저장 단백질이다. 이 단백질은 유충의 지방체에서 합성되며 탈피 주기 또는 영양 상태와 관련이 있다.
가짜 헤모시아닌과 크립토시아닌의 유전자 염기 서열은 갑각류의 헤모시아닌과 밀접한 관련이 있다. 이 단백질은 유사한 구조와 기능을 가지고 있지만, 구리 결합 부위가 없다.
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. 헤모시아닌을 산소 수송에 사용하는 종에는 낮은 산소 압력을 가진 차가운 환경에 사는 갑각류가 포함된다. 이러한 상황에서 헤모글로빈의 산소 수송은 헤모시아닌의 산소 수송보다 효율성이 떨어진다. 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.
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.
육량체는 절지동물 헤모시아닌의 특징이다. 타란툴라 Eurypelma californicum의 헤모시아닌은 4개의 육량체 또는 24개의 펩타이드 사슬로 구성된다. 집지네 Scutigera coleoptrata의 헤모시아닌은 6개의 육량체 또는 36개의 사슬로 구성된다. 말굽게는 8개의 육량체(즉, 48개 사슬) 헤모시아닌을 가지고 있다. 단순 육량체는 바위새우 Panulirus interruptus와 대왕 등각류 Bathynomus giganteus에서 발견된다.
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. 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. 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.
6. 분광학적 특성
옥시헤모시아닌의 분광학은 몇 가지 주요 특징을 보여준다.
* 공명 라만 분광법은 O영어가 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.
헤모시아닌 활성 부위의 합성 유사체를 준비하는 데 많은 노력이 기울여졌다. 그러한 모델 중 하나는 페록소 리간드에 의해 측면으로 연결된 한 쌍의 구리 중심을 특징으로 하며, 741 cm−1에서 ν(O-O)를 보여주고 349 및 551 nm에서 흡광도를 갖는 UV-Vis 스펙트럼을 보여준다. 이 두 가지 측정 모두 옥시Hc에 대한 실험적 관측과 일치한다. 모델 복합체의 Cu-Cu 분리는 3.56 Å이고, 옥시헤모시아닌의 Cu-Cu 분리는 약 3.6 Å이다(데옥시Hc: 약 4.6 Å).
7. 항암 효과
칠레 전복 콩코레파스 콘콜레파스의 헤모시아닌은 생쥐 모델에서 방광암에 대한 면역 치료 효과가 있다. 방광 종양 세포 이식을 하기 전에 C. 콘콜레파스로 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.
키홀 삿갓 조개 헤모시아닌 (KLH)은 해양 연체동물 메가투라 크레눌라타에서 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.
8. 환경 영향 연구 사례
2003년 흰다리새우 Litopenaeus vannamei의 혈액 대사 물질 및 헤모시아닌이 배양 조건에 따라 받는 영향에 대한 연구에 따르면, 특히 옥시헤모시아닌을 포함한 헤모시아닌의 수준은 식단에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다. 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. 또한 게, 바닷가재, 실내 새우와 같이 활동 수준이 낮은 종들의 혈액 대사 물질 수치는 야외 새우에 비해 낮은 경향을 보였다. 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.