Biliproteina
Biliproteiny to pigmentowe związki białkowe , które znajdują się w organizmach fotosyntetyzujących, takich jak glony i niektóre owady. Odnoszą się do każdego białka, które zawiera biliny . W roślinach i algach główną funkcją biliprotein jest usprawnienie procesu akumulacji światła potrzebnego do fotosyntezy ; podczas gdy u owadów odgrywają rolę we wzroście i rozwoju. Niektóre z ich właściwości, w tym światłochłonność, zbieranie światła i fluorescencja , sprawiły, że nadają się do zastosowań w bioobrazowaniu i jako wskaźniki ; podczas gdy inne właściwości fikobiliprotein, takie jak przeciwutlenianie , przeciwstarzeniowe i przeciwzapalne, dały im potencjał do zastosowania w medycynie, kosmetyce i technologii żywności. Chociaż badania nad biliproteinami sięgają 1950 roku, były one utrudnione ze względu na problemy związane z budową biliprotein, brak dostępnych metod izolacji poszczególnych składników biliprotein, a także ograniczone informacje na temat reakcji liazy ( potrzebnych do łączenia białek z ich chromoforami). . Badania nad biliproteinami również koncentrowały się głównie na fikobiliproteinach; ale postęp w technologii i metodologii, wraz z odkryciem różnych typów liaz, odnowił zainteresowanie badaniami nad biliproteinami, otwierając nowe możliwości badania procesów związanych z biliproteinami, takich jak składanie/rozkładanie i fałdowanie białek .
Funkcje
W roślinach i algach
Biliproteiny występujące w roślinach i algach służą jako system pigmentów, których zadaniem jest wykrywanie i pochłanianie światła potrzebnego do fotosyntezy. Widma absorpcyjne biliprotein uzupełniają widma innych pigmentów fotosyntetycznych, takich jak chlorofil lub karoten . Pigmenty wykrywają i pochłaniają energię światła słonecznego; energia jest później przenoszona do chlorofilu poprzez wewnętrzny transfer energii. Zgodnie z artykułem z 2002 roku napisanym przez Takashi Hirata i wsp. Chromofory niektórych fikobiliprotein są odpowiedzialne za działanie przeciwutleniające w tych biliproteinach, a fikocyjanina ma również właściwości przeciwzapalne dzięki swojej hamującej apoproteinie. Po indukowaniu zarówno przez kolagen , jak i trójfosforan adenozyny (ADP) , chromofor fikocyjanobilina hamuje agregację płytek krwi w fikocyjaninie, odpowiadającej jej fikobiliproteinie.
U owadów
U owadów lipokaliny biliproteinowe na ogół ułatwiają zmianę koloru podczas kamuflażu, ale stwierdzono również inne role biliprotein u owadów. Funkcje, takie jak zapobieganie uszkodzeniom komórkowym, regulacja cyklazy guanylowej za pomocą biliwerdyny , wśród innych ról związanych z utrzymaniem metabolizmu, zostały postawione hipotezy, ale jeszcze nie zostały udowodnione. Stwierdzono, że u robaczka tytoniowego biliproteina owadobójcza (INS) odgrywa kluczową rolę w rozwoju embrionalnym, ponieważ zaobserwowano wchłanianie INS do jaj ćmy.
Struktura
Strukturę biliprotein zazwyczaj charakteryzuje chromofor biliny ułożony w liniową formację tetrapirolową , a biliny są kowalencyjnie związane z apoproteinami poprzez wiązania tioeterowe. Każdy rodzaj biliproteiny ma unikalną bilinę, która do niego należy (np. fikoerytrobilina jest chromoforem fikoerytryny, a fikocyjanobilina jest chromoforem fikocyjaniny). Chromofory biliny powstają w wyniku utleniającego rozszczepienia pierścienia hemu i są katalizowane przez oksygenazy hemowe na jednym z czterech mostków metinowych , co pozwala na wystąpienie czterech możliwych izomerów biliny. We wszystkich organizmach, o których wiadomo, że mają biliproteiny, rozszczepienie zwykle zachodzi na mostku α, tworząc biliwerdynę IXα.
Fikobiliproteiny są zgrupowane w oddzielne klastry o średnicy około 40 nm, znane jako fikobilisomy . Zmiany strukturalne związane z wyprowadzaniem bilin z ich izomeru biliwerdyny IXα determinują zakres widmowy absorpcji światła.
Struktura biliprotein u owadów różni się nieco od struktury biliprotein u roślin i alg; mają strukturę krystaliczną, a ich chromofory nie są kowalencyjnie związane z apoproteinami. W przeciwieństwie do fikobiliprotein, których chromofory są utrzymywane w rozszerzonym układzie przez specyficzne interakcje między chromoforami i białkami, chromofor w biliproteinach owadów ma cykliczną spiralną strukturę krystaliczną w stanie związanym z białkiem, jak stwierdzono w badaniach biliproteiny wyekstrahowanej z dużego białego motyla.
Klasy biliprotein
Fikobiliproteiny
Fikobiliproteiny znajdują się w sinicach (znanych również jako niebiesko-zielone algi) i grupach alg, takich jak rhodophyta (algi czerwone) i kryptofity . Główne fikobiliproteiny obejmują odmiany fikocyjaniny (pigment niebieski), odmiany fikoerytryny (pigment czerwony) i allofikocyjaniny (pigment jasnoniebieski); każdy z nich ma inne właściwości widmowe. Te rozpuszczalne w wodzie biliproteiny nie są niezbędne do funkcjonowania komórek. Niektóre szczególne właściwości fikobiliprotein obejmują właściwości przeciwutleniające i wysoką fluorescencję, a to ich chromofory nadają tym białkom silny pigment. Fikobiliproteiny dzielą się na dwie kategorie w oparciu o ich sekwencje na końcu aminowym: sekwencje „typu α” i „typu β”. W biliproteinach, w których liczba bilin na dwóch podjednostkach jest nierówna, podjednostka z większą liczbą bilin ma sekwencję aminokwasową typu β.
Fikochromy
Fikochromy to podklasa fikobiliprotein, która początkowo była rozpoznawana tylko jako światłoczułe pigmenty u cyjanobakterii. Obecnie uważa się, że stanowią one wszystkie możliwe fotoodwracalne pigmenty fotochromowe, niezależnie od funkcji. Występują również w czerwonych algach. W serii artykułów w czasopismach napisanych przez GS i LO Björna doniesiono, że fikochromy a, b, c i d zostały odkryte przez naukowców, którzy frakcjonowali próbki niebiesko-zielonych alg za pomocą elektroogniskowania . Frakcje o punktach izoelektrycznych równych lub około 4,6 wydawały się analogiczne do fitochromów, ponieważ posiadały fotochromowe , ale były wrażliwe na światło o krótszych długościach fal. Wszystkie cztery fikochromy z wyjątkiem fikochromu c zostały wyekstrahowane z niebiesko-zielonych alg Tolypothrix distortiona ; mając na uwadze, że fikochrom a stwierdzono również w Phormidium luridum , Nostoc muscorum 1453/12 i Anacystis nidulans ; a fikochrom c ekstrahowano z Nostoc muscorum A i Tolypothrix tenuis .
Fitochromy
Fitochromy (znane również jako phys) zostały początkowo odkryte w roślinach zielonych w 1945 r. Fotoodwracalny pigment został później znaleziony w grzybach, mchach i innych grupach alg w wyniku rozwoju sekwencjonowania całego genomu, jak wyjaśniono w czasopiśmie Petera H. Quaila z 2010 r . artykuł Fitochromy . Jak opisano w artykule Hugo Scheera z 1981 r. w czasopiśmie Biliproteins, fitochromy funkcjonują jako czujniki natężenia światła w reakcjach „wysokoenergetycznych”, tj. u roślin wyższych (np. sadzonek podziemnych), podczas przekształcania heterotroficznego blanszującego wzrostu w autotroficzny wzrost fotosyntetyczny. Pełnią tę funkcję, monitorując różne parametry sygnałów świetlnych (takie jak obecność/nieobecność, barwa, intensywność i fotoperiodyczność ). Informacje te są następnie przekazywane za pośrednictwem wewnątrzkomórkowych szlaków sygnałowych, które wyzwalają reakcje specyficzne dla organizmu i jego stanu rozwojowego zarówno na poziomie komórkowym, jak i molekularnym, jak wyjaśnił Quail. Fitochromy są również odpowiedzialne za regulację wielu aspektów wzrostu, rozwoju i reprodukcji rośliny w całym jej cyklu życia.
Lipokaliny (biliproteiny owadów)
Lipokaliny, które zostały zidentyfikowane jako biliproteiny, zostały znalezione u wielu różnych owadów, ale głównie z rzędu Lepidoptera . Naukowcy odkryli je u dużego białego motyla oraz wielu gatunków ćmy i jedwabnika, w tym ailanthus i jedwabników domowych , gigantycznej ćmy jedwabnika , ćmy jastrzębia, ćmy o strukturze plastra miodu i ćmy puss . Biliproteiny związane z tymi gatunkami owadów to odpowiednio białka wiążące bilinę, białka wiążące biliwerdynę, bombyryna, lipokaliny 1 i 4, insektyjanina, galeryna i CV-bilina. Biproteiny występujące w jastrzębiu jastrzębiu i pussmothie stanowią główną część płynów hemolimficznych owadów.
Biproteiny, które znaleziono w innych rzędach owadów oprócz Lepidoptera, nadal mają nieznane sekwencje, więc ich lipokalinowy charakter jest nadal otwarty.
Porównanie biliprotein z różnych organizmów
W badaniu przeprowadzonym w 1988 roku przez Hugo Scheera i Harmuta Kaysera, wyekstrahowano biliproteiny z dużego białego motyla i ćmy kotka i zbadano ich odpowiednie właściwości. Ich właściwości porównano z właściwościami biliprotein roślinnych i algowych oraz uwzględniono ich cechy wyróżniające.
Oprócz biliprotein roślinnych i glonów, których biliny na ogół pochodzą tylko z izomeru biliwerdyny IXα, biliny biliprotein owadów również pochodzą z izomeru IXγ, który występuje prawie wyłącznie u Lepidoptera. W badaniu cytowano M. Bois-Choussy i M. Barbier, że te pigmenty żółciowe z serii IXγ pochodzą z rozszczepiania prekursorów porfiryny na mostku metynowym C-15 (dawniej γ) , co jest nietypowe dla innych biliprotein ssaków i roślin. Kiedy naukowcy zbadali biliproteiny zarówno z dużego białego motyla, jak i ćmy kotka, odkryli, że ich polipeptydy miały niską zawartość α-helisy w porównaniu z fikobiliproteinami.
Postawiono hipotezę, że rola biliprotein u owadów miałaby również rolę związaną z absorpcją światła, podobną do roli biliprotein roślin i alg. Kiedy jednak stwierdzono brak właściwości fotochemicznych wymaganych do absorpcji światła w biliproteinie dużego białego motyla, hipoteza ta została wyeliminowana, a następnie przyjęto założenie, że te właściwości fotochemiczne nie występują również w żadnych innych biliproteinach owadów.
Na podstawie tych badań stwierdzono, że biliproteiny owadów są tylko luźno spokrewnione z biliproteinami roślinnymi i algami, ze względu na dużą liczbę różnic, jakie mają pod względem budowy, składu chemicznego, pochodzenia bilin i ogólnych funkcji.
Aplikacje
Bioobrazowanie
Białka fluorescencyjne miały znaczący wpływ na bioobrazowanie, dlatego biliproteiny są odpowiednimi kandydatami do zastosowania, ze względu na ich właściwości fluorescencji, zbierania światła, światłoczułości i fotoprzełączania (ten ostatni występuje tylko w fitochromach). Fikobiliproteiny, które są wysoce fluorescencyjne, są używane w zewnętrznych zastosowaniach bioobrazowania od wczesnych lat 80-tych. To zastosowanie wymaga syntezy chromoforu biliny z hemu , po czym potrzebna jest liaza do kowalencyjnego związania biliny z odpowiadającą jej apoproteiną. Alternatywna metoda zamiast tego wykorzystuje fitochromy; niektóre fitochromy wymagają tylko jednego enzymu, oksygenazy hemowej , do syntezy chromoforów. Inną zaletą stosowania fitochromów jest to, że autokatalitycznie wiążą się one z bilinami. Chociaż istnieją pigmenty fotochromowe o słabej fluorescencji, problem ten został złagodzony dzięki inżynierii wariantów białek, które zmniejszają fotochemię i wzmacniają fluorescencję.
Żywność, lekarstwa i kosmetyki
Właściwości fikobiliprotein, takie jak ich naturalny przeciwutleniacz, działanie przeciwzapalne, barwiące, silnie pigmentujące i przeciwstarzeniowe, dały im znaczny potencjał do zastosowań w żywności, kosmetykach i medycynie. Udowodniono również, że są terapeutyczne w leczeniu chorób, takich jak choroba Alzheimera i rak. Biorąc pod uwagę ich szeroki zakres zastosowań i potencjalnych zastosowań, naukowcy próbują znaleźć i opracować sposoby produkcji i oczyszczania fikobiliprotein, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na nie. Jedną z takich fikobiliprotein jest C-fikocyjanina (C-PC), która znajduje się w spirulinie . Czynnikiem ograniczającym użycie C-PC w tych zastosowaniach jest stabilność białka, biorąc pod uwagę, że w swojej naturalnej postaci C-PC jest bardzo wrażliwy na światło i ciepło w roztworze wodnym, ze względu na światłoczuły chromofor fikocyjanobiliny (PCB), który również czyni go podatnym na utlenianie wolnorodnikowe. Podobnie jak inne naturalne barwniki spożywcze, C-PC jest również wrażliwy na działanie kwasów i utleniaczy. Skłoniło to do badań nad opracowaniem metod stabilizacji C-PC/PCB i rozszerzeniem ich zastosowań na inne systemy żywnościowe.
Więcej szczegółów na temat zastosowań fikocyjaniny w żywności i medycynie można znaleźć tutaj .
Wskaźnik jakości wody pitnej
Sygnały fluorescencyjne emitowane przez fikoerytrynę i fikocyjaninę sprawiły, że nadają się one do stosowania jako wskaźniki do wykrywania cyjanotoksyn , takich jak mikrocystyny , w wodzie pitnej. W badaniu zbadano naturę sygnałów fluorescencyjnych biliprotein pod kątem ich charakteru w czasie rzeczywistym, czułości i zachowania biliprotein na różnych etapach uzdatniania (wody) w porównaniu z mikrocystynami. Charakter sygnałów fluorescencyjnych w czasie rzeczywistym został potwierdzony pomiarami fluorescencyjnymi, ponieważ można je przeprowadzić bez konieczności wstępnego zatężania biliprotein. Jeśli stosunek biliproteiny do mikrocystyny jest większy niż 1, sygnały fluorescencyjne mogą oszacować bardzo niskie stężenia mikrocystyn. W badaniu przeprowadzonym w 2009 roku porównano zachowanie się zarówno biliprotein, jak i wybranych mikrocystyn MC-LR i MC-RR podczas uzdatniania wody. Wyniki testów wykazały, że biliproteiny pełnią funkcję wczesnego ostrzegania przed mikrocystynami w konwencjonalnych etapach leczenia, które wykorzystują wstępne utlenianie nadmanganianem , węglem aktywnym i chlorowanie . Jednak funkcja wczesnego ostrzegania nie występuje, gdy dwutlenek chloru jest stosowany jako środek do wstępnego utleniania lub końcowej dezynfekcji. Znajomość stosunku biliproteina/toksyna w wodzie surowej jest ważna w celu wykorzystania biliprotein do pomiarów kontrolnych w uzdatnianiu wody pitnej.
Zobacz też
Dalsza lektura
- Björn, GS i Björn, LO (1976). „Pigmenty fotochromowe z niebiesko-zielonych alg: fikochromy a, b i c”. Fizjologia Plantarum . 36 (4): 297–304. doi : 10.1111/j.1399-3054.1976.tb02246.x .
- Björn, GS & Björn, LO (1978). „Fikochrom d, nowy pigment fotochromowy z niebiesko-zielonej algi, Tolypothrix distortiona ”. Fizjologia Plantarum . 42 (3): 321–323. doi : 10.1111/j.1399-3054.1978.tb04089.x .
- Shropshire, W. & Mohr, H. (1983). Fotomorfogeneza (wyd. 1). Berlin, Heidelberg: Springer. ISBN 978-3-642-68918-5 .
- Scheer, H.; Yang, X.; Zhao, K.-H. (2015). „Biliproteiny i ich zastosowania w bioobrazowaniu”. Chemia Procedii . 14 : 176–185. doi : 10.1016/j.proche.2015.03.026 .
- Stanic-Vucinic, D.; Minic, S.; Nikolić, MR; Velickovic, TC (2018). „7. Spirulina Phycobiliproteins jako składniki żywności i dodatki”. W Jacob-Lopes, Eduardo (red.). Biotechnologia mikroglonów . Norderstedt, Niemcy: Książki na żądanie. s. 129–148. ISBN 978-1-78923-333-9 .
- Schmidt, W.; Petzoldt, H.; Bornmann, K.; Imhof, L.; Moldaenke, C. (2009). „Zastosowanie oznaczania cyjanopigmentu jako wskaźnika cyjanotoksyn w wodzie pitnej”. Nauka i technologia wody . 59 (8): 1531–1540. doi : 10.2166/wst.2009.448 .