Phycocyanin
| Phycobilisome protein | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Allophycocyanin 12-mer PDB 1all
| |||||||||
| Identifiers | |||||||||
| Symbol | Phycobilisome | ||||||||
| Pfam | PF00502 | ||||||||
| InterPro | IPR001659 | ||||||||
| SCOP2 | 1cpc / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
Phycocyanin är ett pigment -proteinkomplex från ljusskördande phycobiliprotein- familjen, tillsammans med allofycocyanin och phycoerythrin . Det är ett tillbehörspigment till klorofyll . Alla phycobiliproteins är vattenlösliga, så de kan inte existera i membranet som karotenoider kan. Istället aggregerar fykobiliproteiner för att bilda kluster som fäster vid membranet som kallas phycobilisomes . Phycocyanin är en karakteristisk ljusblå färg som absorberar orange och rött ljus, särskilt nära 620 nm (beroende på vilken specifik typ det är), och avger fluorescens vid cirka 650 nm (även beroende på vilken typ det är). Allofycocyanin absorberar och avger vid längre våglängder än phycocyanin C eller phycocyanin R. Phycocyaniner finns i cyanobakterier (även kallade blågröna alger) . Fykobiliproteiner har fluorescerande egenskaper som används i immunanalyssatser . Phycocyanin kommer från grekiskan phyco som betyder " alger " och cyanin kommer från det engelska ordet " cyan ", som konventionellt betyder en nyans av blågrönt (nära "aqua") och kommer från grekiskan " kyanos " som betyder något annan färg: "mörkblå". Produkten phycocyanin, producerad av Aphanizomenon flos-aquae och Spirulina , används till exempel inom livsmedels- och dryckesindustrin som det naturliga färgmedlet 'Lina Blue' eller 'EXBERRY Shade Blue' och finns i godis och glass. Dessutom är fluorescensdetektion av phycocyaninpigment i vattenprover en användbar metod för att övervaka cyanobakteriers biomassa.
Fykobiliproteinerna är gjorda av två subenheter (alfa och beta) som har en proteinryggrad till vilken 1-2 linjära tetrapyrrolkromoforer är kovalent bundna.
C-phycocyanin finns ofta i cyanobakterier som trivs runt varma källor, eftersom det kan vara stabilt upp till cirka 70 °C, med identiska spektroskopiska (ljusabsorberande) beteenden vid 20 och 70 °C. Termofiler innehåller något olika aminosyrasekvenser som gör den stabil under dessa högre förhållanden. Molekylvikten är cirka 30 000 Da. Stabiliteten för detta protein invitro vid dessa temperaturer har visat sig vara avsevärt lägre. Fotospektral analys av proteinet efter 1 min exponering för 65 °C förhållanden i renat tillstånd visade en 50% förlust av tertiär struktur.
Strukturera
Phycocyanin delar ett gemensamt strukturellt tema med alla phycobiliproteins . Strukturen börjar med sammansättningen av fykobiliproteinmonomerer, som är heterodimerer sammansatta av α- och β-subenheter, och deras respektive kromoforer kopplade via tioeterbindning .
Varje subenhet är typiskt sammansatt av åtta a-helixar . Monomerer aggregerar spontant för att bilda ringformade trimerer (αβ) 3 , som har rotationssymmetri och en central kanal. Trimerer aggregeras i par för att bilda hexamerer (αβ) 6 , ibland assisterad med ytterligare länkproteiner. Varje phycobilisome stav har i allmänhet två eller flera phycocyanin hexamerer. Trots den övergripande likheten i struktur och sammansättning av fykobiliproteiner, finns det en stor mångfald i hexamer- och stavkonformationer, även om man bara tar hänsyn till fykocyaniner. I en större skala varierar phycocyaniner också i kristallstruktur , även om den biologiska relevansen av detta är diskutabel.
Som ett exempel har strukturen av C-phycocyanin från Synechococcus vulcanus förfinats till 1,6 Ångströms upplösning. (αβ) monomeren består av 332 aminosyror och 3 tiokopplade phycocyanobilin (PCB) kofaktormolekyler . Både α- och β-subenheterna har ett PCB vid aminosyra 84, men β-subenheten har ett ytterligare PCB vid position 155 också. Denna ytterligare PCB är vänd mot utsidan av den trimera ringen och är därför inblandad i energiöverföring mellan stavar i fykobilisomkomplexet. Förutom kofaktorer finns det många förutsägbara icke-kovalenta interaktioner med det omgivande lösningsmedlet (vatten) som antas bidra till strukturell stabilitet.
R-phycocyanin II (R-PC II) finns i vissa Synechococcus -arter. R-PC II sägs vara den första PEB-innehållande phycocyanin som har sitt ursprung i cyanobakterier. Dess renade protein består av alfa- och beta-subenheter i lika stora mängder. R-PC II har PCB vid beta-84 och phycoerythrobillin (PEB) vid alfa-84 och beta-155.
Den 7 mars 2018 finns det 44 kristallstrukturer av phycocyanin deponerade i proteindatabanken .
Spektrala egenskaper
C-phycocyanin har en enda absorptionstopp vid ~621 nm, varierande något beroende på organismen och förhållanden som temperatur, pH och proteinkoncentration in vitro . Dess emissionsmaximum är ~642 nm. Det betyder att pigmentet absorberar orange ljus, och avger rödaktigt ljus. R-phycocyanin har ett absorptionsmaxima vid 533 och 544 nm. Den maximala fluorescensemissionen för R-phycocyanin är 646 nm.
| Fast egendom | C-Phycocyanin | R-Phycocyanin |
|---|---|---|
| Absorptionsmaximum (nm) | 621 | 533, 544 |
| Maximal utsläpp (nm) | 642 | 646 |
| Extinktionskoefficient (ε) | 1,54x10 6 M −1 cm −1 | - |
| Kvantutbyte | 0,81 | - |
Ekologisk relevans
Phycocyanin produceras av många fotoautotrofa cyanobakterier. Även om cyanobakterier har stora koncentrationer av phycocyanin, är produktiviteten i havet fortfarande begränsad på grund av ljusförhållandena.
Phycocyanin har ekologisk betydelse för att indikera blomning av cyanobakterier. Normalt används klorofyll a för att indikera antalet cyanobakterier, men eftersom det finns i ett stort antal växtplanktongrupper är det inte ett idealiskt mått. Till exempel använde en studie i Östersjön phycocyanin som en markör för filamentösa cyanobakterier under giftiga sommarblomningar. Några trådliknande organismer i Östersjön inkluderar Nodularia spumigena och Aphanizomenon flosaquae .
En viktig cyanobakterie som heter spirulina ( Arthrospira platensis ) är en mikroalg som producerar C-PC.
Det finns många olika metoder för fykocyaninproduktion inklusive fotoautotrofisk, mixotrofisk och heterotrofisk och rekombinant produktion. Fotoautotrofisk produktion av phycocyanin är där kulturer av cyanobakterier odlas i öppna dammar i antingen subtropiska eller tropiska regioner. Mixotrofisk produktion av alger är där algerna odlas i kulturer som har en organisk kolkälla som glukos . Att använda mixotrofisk produktion ger högre tillväxthastigheter och högre biomassa jämfört med att helt enkelt använda en fotoautotrof kultur. I den mixotrofa kulturen var summan av heterotrofisk och autotrofisk tillväxt separat lika med den mixotrofa tillväxten. Heterotrofisk produktion av phycocyanin är inte ljusbegränsad, enligt dess definition. Galdieria sulphuraria är en encellig rhodofyt som innehåller en stor mängd C-PC och en liten mängd allophycocyanin . G. sulphuraria är ett exempel på den heterotrofa produktionen av C-PC eftersom dess livsmiljö är varma, sura källor och använder ett antal kolkällor för tillväxt. Rekombinant produktion av C-PC är en annan heterotrofisk metod och involverar genteknik.
Lavbildande svampar och cyanobakterier har ofta ett symbiotiskt förhållande och därmed kan phycocyaninmarkörer användas för att visa den ekologiska fördelningen av svampassocierade cyanobakterier. Som visas i den mycket specifika kopplingen mellan Lichina- arter och Rivularia -stammar, har phycocyanin tillräckligt med fylogenetisk upplösning för att lösa gruppens evolutionära historia över kustmarginalen i nordvästra Atlanten .
Biosyntes
De två generna cpcA och cpcB, belägna i cpc-operonet och translaterade från samma mRNA-transkript, kodar för C-PC-a- respektive β-kedjorna. Ytterligare element som länkproteiner och enzymer involverade i fykobilinsyntes och fykobiliproteinerna kodas ofta av gener i intilliggande genkluster, och cpc-operonet av Arthrospira platensis kodar också för ett länkprotein som hjälper till vid sammansättningen av C-PC-komplex. Hos röda alger är generna phycobiliprotein och linkerprotein lokaliserade på plastidgenomet.
Phycocyanobilin syntetiseras från hem och sätts in i C-PC apo-proteinet genom tre enzymatiska steg. Cyklisk hem oxideras till linjär biliverdin IXα av hemoxygenas och omvandlas vidare till 3Z-fykocyanobilin, den dominerande fykocyanobilin-isomeren, av 3Z-fykocyanobilin:ferredoxinoxidoreduktas. Insättning av 3Z-fykocyanobilin i C-PC apo-proteinet via tioeterbindningsbildning katalyseras av fykocyanobilinlyas.
Promotorn för cpc-operonet är belägen inom 427-bp uppströmsregionen av cpcB-genen. I A. platensis har 6 förmodade promotorsekvenser identifierats i regionen, varav fyra av dem visar uttryck av grönt fluorescerande protein när de transformerats till E. coli . Närvaron av andra positiva element såsom ljusresponselement i samma region har också visats.
De multipla promotor- och responselementsekvenserna i cpc-operonen gör det möjligt för cyanobakterier och röda alger att justera sitt uttryck som svar på flera miljöförhållanden. Uttryck av cpcA- och cpcB-generna regleras av ljus. Låga ljusintensiteter stimulerar syntesen av CPC och andra pigment, medan pigmentsyntesen undertrycks vid höga ljusintensiteter. Temperatur har också visat sig påverka syntesen, med specifika pigmentkoncentrationer som visar ett tydligt maximum vid 36 °C i Arthronema africanum, en cyanobakterie med särskilt höga C-PC- och APC-innehåll.
Kväve och även järnbegränsning inducerar fykobiliproteinnedbrytning. Organiska kolkällor stimulerar C-PC-syntes i Anabaena spp., men verkar ha nästan ingen effektornegativ effekt i A. platensis. Hos rhodofyterna Cyanidium caldarium och Galdieria sulphuraria undertrycks C-PC-produktionen av glukos men stimuleras av hem.
Bioteknik
Rena phycocyaninextraktioner kan isoleras från alger. Den grundläggande segregationsordningen är följande. Bristningen av cellväggen, med mekaniska krafter (frysupptining) eller kemiska medel (enzymer). Sedan isoleras C-PC med centrifugering och renas med ammoniumsulfatfällning eller kromatografi - antingen jon- eller gelfiltrering . Därefter fryses provet och torkas . .
Ansökningar
Phycocyanin kan användas i många metoder, det är särskilt använt medicin och livsmedel applikationer. Det kan också användas inom genetik, där det fungerar som ett spårämne på grund av sin naturliga fluorescens.
Medicin
Antioxidation och antiinflammation
Phycocyanin har både antioxidant- och antiinflammationsegenskaper. Peroxyl-, hydroxyl- och alkoxylradikaler är alla oxidanter som avlägsnas av C-PC. C-PC har dock en större effekt på peroxylradikaler. C-PC är en metallbindande antioxidant eftersom den förhindrar att lipidperoxidation uppstår. Peroxylradikalerna stabiliseras av kromoforen (en subenhet av C-PC). För att hydroxylradikaler ska kunna avlägsnas måste det göras i svagt ljus och med höga C-PC-nivåer. Hydroxylradikaler finns på inflammerade delar av kroppen. C-PC, som är en antioxidant, rensar bort dessa skadeframkallande radikaler och är därför ett antiinflammationsmedel.
Neuroskydd
Överskott av syre i hjärnan genererar Reactive Oxygen Species (ROS). ROS orsakar skador på hjärnans nervceller, vilket leder till stroke. C-phycocyanin avlägsnar väteperoxid, en typ av ROS-arter, från insidan av astrocyten , vilket minskar oxidativ stress. Astrocyter ökar också produktionen av tillväxtfaktorer som BDNF och NDF, och förbättrar därför nervregenerering. C-PC förebygger även astroglios och gliainflammation.
Hepatoskydd
C-phycocyanin har visat sig ha hepatotoxicitetsskydd. Vadiraja et al. (1998) fann en ökning av serum glutaminsyra pyrodruvstransaminas (SGPT) när C-PC behandlas mot heptatoxiner såsom koltetraklorid (CCl4) eller R-(+)-pulegon. C-PC skyddar levern med hjälp av Cytochrome-P450- systemet. Det kan antingen störa produktionen av mentofuran eller störa bildningen av α, β-omättad-γ-ketoaldehyd. Båda är nyckelkomponenter i cytokrom P-450-systemet som producerade en reaktiv metabolit som producerar toxiner när den binder till levervävnader. En annan möjlig skyddsmekanism med C-PC kan vara rensningen av reaktiva metaboliter (eller fria radikaler om orsaken är CCl4).
Anti-cancer
C-phycocyanin (C-PC) har anti-cancereffekter. Cancer uppstår när celler fortsätter att växa okontrollerat. C-PC har visat sig förhindra celltillväxt. C-PC stoppar bildandet av tumör före S-fasen. DNA-syntes utförs inte på grund av att tumörcellen går in i G0, vilket resulterar i ingen tumörproliferation. Dessutom inducerar C-PC apoptos. När celler behandlas med C-PC skapas ROS (Radical Oxygen Species). Dessa molekyler minskar produktionen av BCl-2 (regulator av apoptos). Här hämmar BCl-2 proteiner som kallas kaspaser. Kaspaser är en del av apoptosvägen. När BCl-2 minskar ökar uttrycket av kaspaser. Som ett resultat uppstår apoptos. Enbart C-PC räcker inte för att behandla cancer, det måste fungera med andra läkemedel för att övervinna tumörcellernas persistens.
Mat
C-phycocyanin (C-PC) kan användas som en naturlig blå livsmedelsfärg. Detta livsmedelsfärgämne kan endast användas för lågtemperaturberedda varor på grund av dess oförmåga att bibehålla sin blå färg vid hög värme om det inte finns tillsatser av konserveringsmedel eller socker. Typen av socker är irrelevant, C-PC är stabil när det är högt sockerinnehåll. Genom att veta det kan C-PC användas för många typer av livsmedel, varav en är sirap. C-PC kan användas för sirap som sträcker sig från gröna till blå färger. Den kan ha olika gröna nyanser genom att lägga till gula matfärger.
Vidare läsning
- Barsanti L (2008). "Konstigheter och kuriosa i algvärlden" . I Evangelista V, Barsanti L, Frassanito AM, Passarelli V, Gualtieri P (red.). Alggifter: Natur, förekomst, effekt och upptäckt . NATO Science for Peace and Security Series A: Kemi och biologi. Dordrecht: Springer. s. 353–391. doi : 10.1007/978-1-4020-8480-5_17 . ISBN 978-1-4020-8479-9 .