Белок фикобилисомы | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | |||||||||
Символ | Фикобилисома | ||||||||
Пфам | ПФ00502 | ||||||||
ИнтерПро | IPR001659 | ||||||||
СКОП2 | 1cpc / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
|
Фикоцианин — это пигментно -белковый комплекс из семейства фикобилипротеинов , собирающих свет , наряду с аллофикоцианином и фикоэритрином . [1] Это вспомогательный пигмент хлорофилла . Все фикобилипротеины водорастворимы, поэтому они не могут существовать внутри мембраны, как каротиноиды . Вместо этого фикобилипротеины агрегируют, образуя кластеры , которые прилипают к мембране, называемые фикобилисомами . Фикоцианин имеет характерный светло-голубой цвет, поглощает оранжевый и красный свет, особенно 620 нм (в зависимости от конкретного типа), и испускает флуоресценцию около 650 нм (также в зависимости от типа). Аллофикоцианин поглощает и испускает на более длинных волнах, чем фикоцианин C или фикоцианин R. Фикоцианины встречаются в цианобактериях (также называемых сине-зелеными водорослями ). [2] Фикобилипротеины обладают флуоресцентными свойствами, которые используются в наборах для иммуноанализа . Фикоцианин происходит от греческого слова phyco, означающего « водоросли », а цианин — от английского слова « cyan », которое обычно означает оттенок сине-зеленого (близко к «aqua») и происходит от греческого слова « kyanos », что означает несколько другой цвет: «темно-синий». Продукт фикоцианин, производимый Aphanizomenon flos-aquae и Spirulina , например, используется в пищевой промышленности в качестве натурального красителя «Lina Blue» или «EXBERRY Shade Blue» и содержится в сладостях и мороженом. Кроме того, флуоресцентное обнаружение пигментов фикоцианина в образцах воды является полезным методом мониторинга биомассы цианобактерий. [3]
Фикобилипротеины состоят из двух субъединиц (альфа и бета), имеющих белковый остов, с которым ковалентно связаны 1–2 линейных тетрапиррольных хромофора.
C-фикоцианин часто встречается в цианобактериях, которые процветают вокруг горячих источников, так как он может быть стабильным до температуры около 70 °C, с идентичным спектроскопическим (поглощающим свет) поведением при 20 и 70 °C. Термофилы содержат немного отличающиеся аминокислотные последовательности, что делает его стабильным в этих более высоких условиях. Молекулярная масса составляет около 30 000 Да. Было показано, что стабильность этого белка in vitro при этих температурах существенно ниже. Фотоспектральный анализ белка после 1 мин воздействия условий 65 °C в очищенном состоянии показал 50% потерю третичной структуры.
Фикоцианин имеет общую структурную тему со всеми фикобилипротеинами . [4] Структура начинается со сборки мономеров фикобилипротеина, которые представляют собой гетеродимеры, состоящие из α- и β-субъединиц, и их соответствующих хромофоров, связанных тиоэфирной связью.
Каждая субъединица обычно состоит из восьми α-спиралей . Мономеры спонтанно агрегируют, образуя кольцеобразные тримеры (αβ) 3 , которые имеют вращательную симметрию и центральный канал. Тримеры агрегируют попарно, образуя гексамеры (αβ) 6 , иногда с помощью дополнительных линкерных белков. Каждый стержень фикобилисомы обычно имеет два или более гексамеров фикоцианина. Несмотря на общее сходство в структуре и сборке фикобилипротеинов, существует большое разнообразие конформаций гексамеров и стержней, даже если рассматривать только фикоцианины. В более крупном масштабе фикоцианины также различаются по кристаллической структуре , хотя биологическая значимость этого является спорной.
Например, структура C-фикоцианина из Synechococcus vulcanus была уточнена до разрешения 1,6 ангстрема . [5] Мономер (αβ) состоит из 332 аминокислот и 3 тиосвязанных молекул кофактора фикоцианобилина (PCB) . Как α-, так и β-субъединицы имеют PCB в аминокислоте 84, но β-субъединица также имеет дополнительный PCB в позиции 155. Этот дополнительный PCB обращен к внешней стороне тримерного кольца и, следовательно, участвует в межстержневом переносе энергии в комплексе фикобилисомы. Помимо кофакторов, существует множество предсказуемых нековалентных взаимодействий с окружающим растворителем (водой), которые, как предполагается, способствуют структурной стабильности.
R-фикоцианин II (R-PC II) обнаружен в некоторых видах Synechococcus . [6] R-PC II считается первым PEB, содержащим фикоцианин, который происходит от цианобактерий. [6] Его очищенный белок состоит из альфа- и бета-субъединиц в равных количествах. [6] R-PC II имеет PCB в бета-84 и фикоэритробиллин (PEB) в альфа-84 и бета-155. [6]
По состоянию на 21 марта 2023 года в Банке данных белков депонировано 310 кристаллических структур фикоцианина . [7]
C-фикоцианин имеет один пик поглощения при ~621 нм, [8] [9] который немного варьируется в зависимости от организма и условий, таких как температура, pH и концентрация белка in vitro . [10] [11] Его максимум излучения составляет ~642 нм. [8] [9] Это означает, что пигмент поглощает оранжевый свет и излучает красноватый свет. R-фикоцианин имеет максимумы поглощения при 533 и 544 нм. [6] Максимум флуоресцентного излучения R-фикоцианина составляет 646 нм. [6]
Свойство | C-Фикоцианин | R-Фикоцианин |
---|---|---|
Максимум поглощения (нм) | 621 | 533, 544 |
Максимум эмиссии (нм) | 642 | 646 |
Коэффициент экстинкции (ε) | 1,54x10 6 М −1 см −1 | - |
Квантовый выход | 0,81 | - |
Фикоцианин вырабатывается многими фотоавтотрофными цианобактериями. [12] Даже если цианобактерии имеют большие концентрации фикоцианина, продуктивность в океане все равно ограничена из-за условий освещенности. [12]
Фикоцианин имеет экологическое значение в индикации цветения цианобактерий. Обычно хлорофилл а используется для индикации количества цианобактерий, однако, поскольку он присутствует во многих группах фитопланктона, это не идеальная мера. [13] Например, исследование в Балтийском море использовало фикоцианин в качестве маркера нитчатых цианобактерий во время токсичных летних цветений. [13] Некоторые нитчатые организмы в Балтийском море включают Nodularia spumigena и Aphanizomenon flosaquae .
Важная цианобактерия, называемая спирулина ( Arthrospira platensis ), представляет собой микроводоросль, которая производит C-PC. [14]
Существует множество различных методов производства фикоцианина, включая фотоавтотрофное, миксотрофное, гетеротрофное и рекомбинантное производство. [15] Фотоавтотрофное производство фикоцианина происходит при выращивании культур цианобактерий в открытых прудах в субтропических или тропических регионах. [15] Миксотрофное производство водорослей происходит при выращивании водорослей на культурах, имеющих источник органического углерода, такой как глюкоза . [15] Использование миксотрофного производства обеспечивает более высокие темпы роста и более высокую биомассу по сравнению с простым использованием фотоавтотрофной культуры. [15] В миксотрофной культуре сумма гетеротрофного и автотрофного роста по отдельности была равна миксотрофному росту. [16] Гетеротрофное производство фикоцианина не ограничено светом, согласно его определению. [15] Galdieria sulphuraria — одноклеточный родофит , содержащий большое количество C-PC и небольшое количество аллофикоцианина . [15] G. sulphuraria — пример гетеротрофного производства C-PC, поскольку его среда обитания — горячие кислые источники, а для роста он использует ряд источников углерода. [15] Рекомбинантное производство C-PC — еще один гетеротрофный метод, включающий генную инженерию. [15]
Грибы, образующие лишайники, и цианобактерии часто имеют симбиотические отношения, и поэтому маркеры фикоцианина могут быть использованы для демонстрации экологического распределения цианобактерий, связанных с грибами. Как показано в высокоспецифичной ассоциации между видами Lichina и штаммами Rivularia , фикоцианин имеет достаточно филогенетического разрешения, чтобы разрешить эволюционную историю группы по всей северо-западной прибрежной полосе Атлантического океана . [17]
Два гена cpcA и cpcB, расположенные в опероне cpc и транслируемые с одного и того же транскрипта мРНК, кодируют α- и β-цепи C-PC соответственно. [18] Дополнительные элементы, такие как линкерные белки и ферменты, участвующие в синтезе фикобилина и фикобилипротеинов, часто кодируются генами в соседних кластерах генов, а оперон cpc Arthrospira platensis также кодирует линкерный белок, помогающий в сборке комплексов C-PC. [19] У красных водорослей гены фикобилипротеина и линкерного белка расположены в пластидном геноме. [20]
Фикоцианобилин синтезируется из гема и вставляется в апопротеин C-PC тремя ферментативными шагами. [21] Циклический гем окисляется до линейного биливердина IXα гемоксигеназой и далее преобразуется в 3Z-фикоцианобилин, доминирующий изомер фикоцианобилина, 3Z-фикоцианобилин:ферредоксин оксидоредуктазой. Вставка 3Z-фикоцианобилина в апопротеин C-PC посредством образования тиоэфирной связи катализируется фикоцианобилинлиазой. [22]
Промотор для оперона cpc расположен в 427-пн вышестоящей области гена cpcB. В A. platensis в этой области было идентифицировано шесть предполагаемых промоторных последовательностей, четыре из которых демонстрируют экспрессию зеленого флуоресцентного белка при трансформации в E. coli . [23] Также было продемонстрировано присутствие других положительных элементов, таких как элементы, реагирующие на свет, в той же области. [24]
Множественные последовательности промотора и элемента ответа в опероне cpc позволяют цианобактериям и красным водорослям корректировать свою экспрессию в ответ на множественные условия окружающей среды. Экспрессия генов cpcA и cpcB регулируется светом. Низкая интенсивность света стимулирует синтез CPC и других пигментов, в то время как синтез пигмента подавляется при высокой интенсивности света. [25] Было также показано, что температура влияет на синтез, при этом определенные концентрации пигмента показывают четкий максимум при 36 °C в Arthronema africanum, цианобактерии с особенно высоким содержанием C-PC и APC. [26]
Ограничение азота и железа вызывает деградацию фикобилипротеина. Органические источники углерода стимулируют синтез C-PC в Anabaena spp., но, по-видимому, не оказывают почти никакого эффекторного отрицательного эффекта в A. platensis . [27] [28] У родофитов Cyanidium caldarium и Galdieria sulphuraria продукция C-PC подавляется глюкозой, но стимулируется гемом. [29]
Чистые извлечения фикоцианина могут быть выделены из водорослей. Основной порядок разделения следующий. Разрыв клеточной стенки механическими силами (замораживание-оттаивание) или химическими агентами (ферментами). Затем C-PC выделяется центрифугированием и очищается осаждением сульфатом аммония или хроматографией - ионной или гель-фильтрацией . После этого образец замораживается и высушивается . [15]
Фикоцианин может использоваться во многих практиках, особенно в медицине и пищевых продуктах. Он также может использоваться в генетике, где он действует как трассер из-за своей естественной флуоресценции. [30]
Этот раздел нуждается в более надежных медицинских ссылках для проверки или слишком полагается на первоисточники . ( март 2018 г. ) |
Фикоцианин обладает как антиоксидантными, так и противовоспалительными свойствами. [31] [32] [33] Пероксильные, гидроксильные и алкоксильные радикалы являются окислителями, которые удаляются C-PC. Однако C-PC оказывает большее влияние на пероксильные радикалы. C-PC является антиоксидантом, связывающим металлы, поскольку он предотвращает перекисное окисление липидов. [34] Пероксильные радикалы стабилизируются хромофором (субъединицей C-PC). [35] Для удаления гидроксильных радикалов это должно происходить при слабом освещении и высоких уровнях C-PC. [36] Гидроксильные радикалы находятся в воспаленных частях тела. [34] C-PC, будучи антиоксидантом, удаляет эти радикалы, вызывающие повреждения, следовательно, являясь противовоспалительным средством.
Избыток кислорода в мозге генерирует активные формы кислорода (ROS). ROS вызывают повреждение нейронов мозга, что приводит к снижению неврологической функции. C-фикоцианин удаляет перекись водорода, тип видов ROS, изнутри астроцитов , снижая окислительный стресс. [37] Астроциты также увеличивают выработку факторов роста, таких как BDNF и NDF, поэтому усиливают регенерацию нервов. C-PC также предотвращает астроглиоз и глиальное воспаление. [37] [38]
Обнаружено, что C-фикоцианин обладает защитой от гепатотоксичности. [31] [39] Vadiraja et al. (1998) обнаружили увеличение сывороточной глутаматпировиноградной трансаминазы (SGPT), когда C-PC обрабатывается от гептатоксинов, таких как четыреххлористый углерод (CCl4) или R-(+)-пулегон. C-PC защищает печень с помощью системы цитохрома P450 . [39] Он может либо нарушить выработку ментофурана, либо нарушить образование α, β-ненасыщенного-γ-кетоальдегида. Оба они являются ключевыми компонентами системы цитохрома P-450, которая производит реактивный метаболит, который производит токсины, когда он связывается с тканями печени. Другим возможным механизмом защиты C-PC может быть очистка реактивных метаболитов (или свободных радикалов, если причиной является CCl4).
C-фикоцианин (C-PC) обладает противораковыми эффектами. Рак возникает, когда клетки продолжают бесконтрольно расти. Было обнаружено, что C-PC предотвращает рост клеток. [40] C-PC останавливает образование опухоли до фазы S. Синтез ДНК не выполняется из-за того, что опухолевая клетка входит в фазу G0, что приводит к отсутствию пролиферации опухоли. [41] Кроме того, C-PC вызывает апоптоз. Когда клетки обрабатываются C-PC, образуются ROS (радикальные формы кислорода). Эти молекулы снижают выработку BCl-2 (регулятора апоптоза). Здесь BCl-2 ингибирует белки, называемые каспазами. Каспазы являются частью пути апоптоза. Когда BCl-2 снижается, экспрессия каспаз увеличивается. В результате происходит апоптоз. [42] [41] Одного C-PC недостаточно для лечения рака, необходимо использовать другие препараты, чтобы преодолеть персистенцию опухолевых клеток.
C-фикоцианин (C-PC) можно использовать в качестве натурального синего пищевого красителя. [43] Этот пищевой краситель можно использовать только для продуктов, приготовленных при низкой температуре, из-за его неспособности сохранять синий цвет при высоких температурах, если только не добавлены консерванты или сахара. [43] [44] Тип сахара не имеет значения, C-PC стабилен при высоком содержании сахара. Зная это, C-PC можно использовать для множества типов продуктов, одним из которых являются сиропы. C-PC можно использовать для сиропов от зеленого до синего цвета. Он может иметь различные зеленые оттенки при добавлении желтых пищевых красителей.
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на май 2024 г. ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на апрель 2024 г. ( ссылка )