Билипротеин

Кристаллическая структура B-фикоэритрина, разновидности фикобилипротеина.

Билипротеины — это пигментные белковые соединения, которые находятся в фотосинтезирующих организмах, таких как водоросли , а иногда и у некоторых насекомых. Они относятся к любому белку, который содержит хромофор билина . процесс накопления света, необходимого для фотосинтеза У растений и водорослей основная функция билипротеинов — сделать более эффективным ; у насекомых они играют роль в росте и развитии. Некоторые из их свойств, в том числе светочувствительность, светособирание и флуоресценция, сделали их пригодными для применения в биовизуализации и в качестве индикаторов ; в то время как другие свойства фикобилипротеинов, такие как антиоксидантные , омолаживающие и противовоспалительные свойства, дали им потенциал для использования в медицине, косметике и пищевых технологиях. Хотя исследования билипротеинов начались еще в 1950 году, это было затруднено из-за проблем со структурой билипротеина, отсутствия доступных методов для выделения отдельных компонентов билипротеина, а также ограниченной информации о лиазных реакциях (которые необходимы для соединения белков с их хромофорами). Исследования билипротеинов также были в первую очередь сосредоточены на фикобилипротеинах; но достижения в технологии и методологии, наряду с открытием различных типов лиаз, возобновили интерес к исследованиям билипротеинов, открыв новые возможности для изучения процессов билипротеинов, таких как сборка/разборка и сворачивание белка .

Функции

В растениях и водорослях

Билипротеины, обнаруженные в растениях и водорослях, служат системой пигментов, целью которой является обнаружение и поглощение света, необходимого для фотосинтеза. Спектры поглощения билипротеинов дополняют спектры других фотосинтетических пигментов, таких как хлорофилл или каротин . Пигменты обнаруживают и поглощают энергию солнечного света; энергия позже передается хлорофиллу посредством внутренней передачи энергии. Согласно статье Такаши Хирата и др., написанной в 2002 году, хромофоры некоторых фикобилипротеинов отвечают за антиоксидантную активность этих билипротеинов, а фикоцианин также обладает противовоспалительными свойствами благодаря своему ингибирующему апопротеину. индуцируется как коллагеном , так и аденозинтрифосфатом (АДФ) , он подавляет агрегацию тромбоцитов в фикоцианине, соответствующем ему фикобилипротеине. Когда хромофор фикоцианобилин

У насекомых

У насекомых билипротеиновые липокалины обычно способствуют изменению цвета во время маскировки, но обнаружены и другие роли билипротеинов у насекомых. Такие функции, как предотвращение клеточного повреждения, регуляция гуанилилциклазы с помощью биливердина , а также другие роли, связанные с поддержанием метаболизма, были выдвинуты гипотезами, но еще не доказаны. Было обнаружено, что у табачного рогатого червя билипротеин инсектицианин (INS) играет решающую роль в эмбриональном развитии, поскольку наблюдалось всасывание INS в яйца моли.

Структура

Химическая структура молекулы фикоцианобилина (характеризуется тетрапиррольными кольцами); билиновый хромофор фикоцианинового билипротеина

Фикобилисома, состоящая из стопок субъединиц фикобилипротеина, соединенных вместе.

Структура билипротеинов обычно характеризуется наличием билиновых хромофоров, расположенных в виде линейного тетрапиррольного образования, причем билины ковалентно связаны с апопротеинами посредством тиоэфирных связей. Каждый тип билипротеина имеет свой уникальный билин (например, фикоэритробилин — это хромофор фикоэритрина, а фикоцианобилин — это хромофор фикоцианина). Хромофоры билина образуются в результате окислительного расщепления гемового кольца и катализируются гемоксигеназами по одному из четырех метиновых мостиков , что позволяет образоваться четырем возможным изомерам билина. У всех организмов, о которых известно, что они имеют билипротеины, расщепление обычно происходит по α-мостику с образованием биливердина IXα.

Фикобилипротеины группируются в отдельные кластеры диаметром около 40 нм, известные как фикобилисомы . Структурные изменения, возникающие при образовании билинов из их изомера биливердина IXα, определяют спектральный диапазон поглощения света.

Структура билипротеинов насекомых несколько отличается от таковой у растений и водорослей; они имеют кристаллическую структуру, и их хромофоры не связаны ковалентно с апопротеинами. В отличие от фикобилипротеинов, хромофоры которых удерживаются в расширенном расположении за счет специфических взаимодействий между хромофорами и белками, хромофор в билипротеинах насекомых имеет циклическую спиральную кристаллическую структуру в связанном с белком состоянии, как было обнаружено в исследованиях билипротеина, экстрагированного из большой белой бабочки.

Классы билипротеинов

Фикобилипротеины

Основная статья: Фикобилипротеин

Фикобилипротеины обнаружены в цианобактериях (также известных как сине-зеленые водоросли) и таких группах водорослей, как родофиты (красные водоросли) и криптофиты . Основные фикобилипротеины включают варианты фикоцианина (синий пигмент), варианты фикоэритрина (красный пигмент) и аллофикоцианина (голубой пигмент); каждый из них обладает разными спектральными свойствами. Эти водорастворимые билипротеины не необходимы для функционирования клеток. Некоторые особые свойства фикобилипротеинов включают антиоксидантные свойства и высокую флуоресценцию, а их хромофоры придают этим белкам сильный пигмент. Фикобилипротеины подразделяются на две категории в зависимости от их аминоконцевых последовательностей: последовательности «α-типа» и «β-типа». В билипротеинах, где количество билинов в двух субъединицах неравномерно, субъединица с большим количеством билинов имеет аминопоследовательность β-типа.

Фикохромы

Фикохромы представляют собой подкласс фикобилипротеинов, который первоначально был признан у цианобактерий только как светочувствительные пигменты. В настоящее время считается, что они представляют собой все возможные фотообратимо фотохромные пигменты, независимо от их функции. Они также встречаются в красных водорослях. В серии журнальных статей, написанных Г.С. и Л.О. Бьернами, сообщалось, что фикохромы a, b, c и d были открыты учеными, фракционировавшими образцы сине-зеленых водорослей с помощью электрофокусирования . Фракции с изоэлектрической точкой 4,6 или около нее казались аналогичными фитохромам в том смысле, что они обладали фотохромными свойствами, но были чувствительны к свету с более короткими длинами волн. Все четыре фикохрома, кроме фикохрома с, были выделены из сине-зеленых водорослей Tolypothrix ignoreta ; тогда как фикохром а был также обнаружен у Phormidium luridum , Nostoc muscorum 1453/12 и Anacystis nidulans ; а фикохром с был экстрагирован из Nostoc muscorum A и Tolypothrix tenuis .

Фитохромы

Основная статья: Фитохром

Фитохромы (также известные как физ) были первоначально обнаружены в зеленых растениях в 1945 году. Фотообратимый пигмент был позже обнаружен в грибах, мхах и других группах водорослей благодаря развитию полногеномного секвенирования , как объяснено в журнале Питера Х. Куэйла за 2010 год. статья Фитохромы . Как описано в журнальной статье Хьюго Шира 1981 года «Билипротеины», фитохромы функционируют как датчик интенсивности света в «высокоэнергетических» реакциях, то есть в высших растениях (например, подземных сеянцах), во время трансформации гетеротрофного бланширующего роста в автотрофный фотосинтетический рост. Они выполняют эту функцию, отслеживая различные параметры световых сигналов (такие как наличие/отсутствие, цвет, интенсивность и фотопериодичность ). Затем эта информация передается через внутриклеточные сигнальные пути, которые вызывают реакции, специфичные для организма и состояния его развития как на клеточном, так и на молекулярном уровне, как объяснил Перепел. Фитохромы также отвечают за регулирование многих аспектов роста, развития и размножения растения на протяжении его жизненного цикла.

Липокалины (билипротеины насекомых)

Основная статья: Липокалин

Большая белая бабочка ( Pieris Brassicae ), из которой был извлечен билипротеин, известный как «билин-связывающий белок».

Липокалины, которые были идентифицированы как билипротеины, были обнаружены у самых разных насекомых, но главным образом у отряда Lepidoptera . Ученые обнаружили их у большой белой бабочки и ряда видов бабочек и шелкопрядов, в том числе у айланта и домашнего шелкопряда, гигантского тутового шелкопряда , табачного бражника, сотового шелкопряда и кошачьего шелкопряда . Билипротеины, связанные с этими видами насекомых, представляют собой билин-связывающие белки, биливердин-связывающие белки, бомбирин, липокалины 1 и 4, инсектицианин, галлерин и CV-билин соответственно. Билипротеины, обнаруженные у табачного бражника и мотылька, составляют основную часть гемолимфической жидкости насекомых.

Билипротеины, обнаруженные у других отрядов насекомых, кроме чешуекрылых, до сих пор имеют неизвестные последовательности, поэтому их липокалиновая природа все еще остается открытой.

Сравнение билипротеинов разных организмов

В исследовании 1988 года, проведенном Хьюго Широм и Хармутом Кайзером, билипротеины были извлечены из большой белой бабочки и кошачьей моли и изучены их соответствующие свойства. Их свойства сопоставлены со свойствами билипротеинов растений и водорослей и учтены их отличительные особенности.

В отличие от билипротеинов растений и водорослей, билины которых обычно происходят только из изомера биливердина IXα, билины билипротеинов насекомых также происходят из изомера IXγ, который почти исключительно встречается у чешуекрылых. В исследовании цитируется М. Буа-Шусси и М. Барбье, что эти желчные пигменты IXγ-серии образуются в результате расщепления предшественников порфирина мостику C-15 (ранее γ) по метиновому , что нехарактерно для других билипротеинов млекопитающих и растений. Когда ученые исследовали билипротеины как большой белой бабочки, так и кошачьей моли, они обнаружили, что их полипептиды имеют низкое содержание α-спиралей по сравнению с фикобилипротеинами.

Было высказано предположение, что роль билипротеинов у насекомых также будет связана с поглощением света, аналогичная роли билипротеинов растений и водорослей. Однако, когда фотохимические свойства, необходимые для поглощения света, были обнаружены в билипротеине большой белой бабочки, эта гипотеза была отвергнута, после чего было сделано предположение, что эти фотохимические свойства также не встречаются ни в каких билипротеинах других насекомых.

На основании этих исследований был сделан вывод, что билипротеины насекомых лишь слабо связаны с билипротеинами растений и водорослей из-за большого количества различий, которые они имеют в отношении структуры, химического состава, образования билинов и общих функций.

Приложения

Биовизуализация

Флуоресцентные белки оказали существенное влияние на биовизуализацию, поэтому билипротеины стали подходящими кандидатами для применения благодаря своим свойствам флуоресценции, светособирания, светочувствительности и фотопереключения (последнее происходит только в фитохромах). Фикобилипротеины, обладающие высокой флуоресценцией, используются во внешних целях биовизуализации с начала 1980-х годов. Это применение требует, чтобы хромофор билина был синтезирован из гема , после чего необходима лиаза для ковалентной связи билина с соответствующим апопротеином. Альтернативный метод: вместо этого используются фитохромы; некоторым фитохромам требуется только один фермент — гемоксигеназа для синтеза хромофоров . Еще одним преимуществом использования фитохромов является то, что они автокаталитически связываются со своими билинами. Хотя существуют фотохромные пигменты с плохой флуоресценцией, эта проблема была решена за счет разработки вариантов белка, которые уменьшают фотохимию и усиливают флуоресценцию.

Продукты питания, лекарства и косметика

Свойства фикобилипротеинов, такие как их природный антиоксидант, противовоспалительное действие, пищевой краситель, сильный пигмент и антивозрастное действие, предоставили им значительный потенциал для использования в пищевых продуктах, косметике и медицинских целях. Они также доказали свою эффективность при лечении таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и рак. Учитывая широкий спектр их применения и потенциального использования, исследователи пытаются найти и разработать способы производства и очистки фикобилипротеинов, чтобы удовлетворить растущий спрос на них. Одним из таких фикобилипротеинов является C-фикоцианин (C-PC), который содержится в спирулине . Ограничивающим фактором использования C-PC в этих приложениях является стабильность его белка, учитывая, что в своей естественной форме C-PC очень чувствителен к свету и теплу в водном растворе из-за его светочувствительного хромофора фикоцианобилина (PCB), который также делает его склонным к свободнорадикальному окислению. Как и другие натуральные пищевые красители, C-PC также чувствителен к кислой среде и воздействию окислителей. Это побудило исследования разработать методы стабилизации C-PC/PCB и расширить их применение на другие продовольственные системы.

Более подробную информацию о применении фикоцианина в продуктах питания и медицине можно найти здесь .

Индикатор качества питьевой воды

Сигналы флуоресценции, излучаемые фикоэритрином и фикоцианином, сделали их пригодными для использования в качестве индикаторов для обнаружения цианотоксинов, таких как микроцистины, в питьевой воде. В исследовании изучалась природа сигналов флуоресценции билипротеинов с точки зрения их характера в реальном времени, чувствительности и поведения билипротеинов на разных стадиях обработки (воды) по сравнению с микроцистинами. Характер сигналов флуоресценции в реальном времени был подтвержден измерениями флуоресценции, поскольку их можно проводить без необходимости предварительной концентрации билипротеинов. Если соотношение билипротеина к микроцистину превышает 1, сигналы флуоресценции позволяют оценить очень низкие концентрации микроцистинов. Тест, проведенный в 2009 году, сравнил поведение билипротеинов и отдельных микроцистинов MC-LR и MC-RR во время обработки воды. Результаты испытаний показали, что билипротеины выполняют функцию раннего предупреждения против микроцистинов на традиционных этапах лечения, в которых используется предварительное окисление перманганатом . , активированный уголь и хлорирование . Однако функция раннего предупреждения не срабатывает, когда диоксид хлора используется в качестве предварительного окислителя или окончательного дезинфектанта. Важно знать соотношение билипротеинов/токсинов в сырой воде, чтобы использовать билипротеины для контрольных измерений при очистке питьевой воды.

См. также

• Хромопротеины
• Фоторецепторный белок

Дальнейшее чтение

• Бьёрн, Г.С. и Бьорн, Л.О. (1976). «Фотохромные пигменты сине-зеленых водорослей: фикохромы a, b и c». Физиология Плантарум . 36 (4): 297–304. дои : 10.1111/j.1399-3054.1976.tb02246.x .
• Бьёрн, Г.С. и Бьорн, Л.О. (1978). «Фикохром d, новый фотохромный пигмент сине-зеленой водоросли Tolypothrix Distorta ». Физиология Плантарум . 42 (3): 321–323. дои : 10.1111/j.1399-3054.1978.tb04089.x .
• Шропшир, В. и Мор, Х. (1983). Фотоморфогенез (1-е изд.). Берлин, Гейдельберг: Springer. ISBN   978-3-642-68918-5 .
• Шеер, Х.; Ян, X.; Чжао, К.-Х. (2015). «Билипротеины и их применение в биовизуализации». Процедия химии . 14 : 176–185. дои : 10.1016/j.proche.2015.03.026 .
• Станич-Вучинич, Д.; Минич, С.; Николич, MR; Великович, ТК (2018). «7. Фикобилипротеины спирулины как пищевые компоненты и добавки». В Якоб-Лопесе, Эдуардо (ред.). Микроводорослевая биотехнология . Нордерштедт, Германия: Книги по запросу. стр. 129–148. ISBN   978-1-78923-333-9 .
• Шмидт, В.; Петцольдт, Х.; Борнманн, К.; Имхоф, Л.; Молдаенке, К. (2009). «Использование определения цианопигментов как индикатора цианотоксинов в питьевой воде». Водные науки и технологии . 59 (8): 1531–1540. дои : 10.2166/wst.2009.448 .