Hemocianinas: qué son, características, funciones, usos

¿Qué son las hemocianinas?

Las hemocianinas son proteínas encargadas del transporte de oxígeno en invertebrados que incluyen, de manera exclusiva, a artrópodos y moluscos. Las hemocianinas en hemolinfa cumplen un papel análogo al de la hemoglobina en la sangre en aves y mamíferos. Sin embargo, su eficiencia como transportador es menor.

Como las hemocianinas son proteínas que usan cobre en lugar de hierro para atrapar oxígeno, adoptan un color azul al oxidarse. Puede decirse que los animales que la usan son animales de sangre azul.

Nosotros, al igual que otros mamíferos, por el contrario, somos animales de sangre roja. Para llevar a cabo esta función, cada molécula de esta metaloproteína requiere de dos átomos de cobre por cada oxígeno acomplejado.

Otra diferencia entre los animales de sangre azul y los de sangre roja es la forma de transportar el oxígeno. En los primeros, la hemocianina está directamente presente en la hemolinfa del animal. La hemoglobina, por el contrario, es portada por células especializadas llamadas eritrocitos o glóbulos rojos.

Algunas de las hemocianinas se encuentran entre las proteínas más conocidas y mejor estudiadas. Presentan una gran diversidad estructural y han demostrado ser muy útiles en una amplia gama de aplicaciones médicas y terapéuticas en humanos.

Características de las hemocianinas

– Las hemocianinas mejor caracterizadas son las que se han aislado de moluscos. Estas se encuentran entre las proteínas más grandes conocidas, con masas moleculares que oscilan entre los 3,3 y 13,5 MDa.

– Son enormes cilindros huecos de glicoproteínas multiméricas, las cuales, sin embargo, pueden encontrarse de manera soluble en la hemolinfa del animal.

– Una de las razones de su alta solubilidad es que las hemocianinas tienen una superficie con una muy alta carga negativa. Forman subunidades de decámeros o multidecámeros de entre 330 y 550 kDa, que comprenden unas siete unidades funcionales parálogas.

(Un gen parálogo es aquel que surge por un evento de duplicación genética: una proteína paráloga surge de la traducción de un gen parálogo. Dependiendo de la organización de sus dominios funcionales, estas subunidades interactúan entre sí para formar decámeros, didecámeros y tridecámeros).

– La hemocianina de los artrópodos, por el contrario, es hexamérica. En su estado nativo se puede encontrar como un íntegro de múltiplos de hexámeros (desde 2 x 6 hasta 8 X 6). Cada subunidad pesa entre 70 y 75 kDa.

– Son estructural y funcionalmente estables en un rango de temperaturas bastante amplio (desde -20 °C a más de 90 °C).

– Dependiendo del organismo, las hemocianinas pueden ser sintetizadas en órganos especializados del animal. En los crustáceos es el hepatopáncreas. En otros organismos, son sintetizadas en células particulares, como los cianocitos de los quelicerados, o los rogocitos de los moluscos.

Funciones

La función más conocida de las hemocianinas tiene que ver con su participación en el metabolismo energético. La hemocianina hace posible la respiración aeróbica en una significativa mayoría de invertebrados.

La reacción bioenergética más importante en animales es la respiración. A nivel celular, la respiración permite degradar de manera controlada y sucesiva moléculas de azúcares, por ejemplo, para obtener energía.

Para llevar este proceso a cabo se requiere de un aceptor final de electrones, que es el oxígeno. Las proteínas encargadas de su captura y transporte son variadas.

Muchas de ellas emplean un complejo de anillos orgánicos que acompleja hierro para poder interactuar con el oxígeno. La hemoglobina, por ejemplo, utiliza una porfirina (grupo hemo).

Otras emplean, para el mismo propósito, metales como el cobre. En este caso, el metal forma complejos temporales con residuos de aminoácidos del sitio activo de la proteína transportadora.

Aunque muchas proteínas con cobre catalizan reacciones oxidativas, las hemocianinas reaccionan con el oxígeno de manera reversible. La oxidación se verifica en un paso en el que el cobre pasa del estado I (incoloro) al estado II oxidado (azul).

Transporta oxígeno en la hemolinfa, en la cual representa del 50 al más del 90% de la proteína total.

Para dar cuenta de su importante papel fisiológico, aunque con baja eficiencia, la hemocianina puede encontrarse en concentraciones tan altas como 100 mg/mL.

Otras funciones

La evidencia acumulada a lo largo de los años indica que las hemocianinas cumplen otras funciones, aparte de actuar como transportadores de oxígeno.

Las hemocianinas participan tanto en procesos homeostáticos como fisiológicos. Estos incluyen la muda, el transporte de hormonas, la osmorregulación y el almacenamiento de proteínas.

Se ha comprobado, por otro lado, que las hemocianinas cumplen un papel fundamental en la respuesta inmune innata. Los péptidos de hemocianina, y péptidos relacionados, muestran actividad antiviral, así como actividad fenoloxidasa.

Esta última actividad, la fenoloxidasa respiratoria, está relacionada con procesos de defensa frente a patógenos.

Las hemocianinas también funcionan como proteínas precursoras de péptidos con actividad antimicrobiana y antifúngica. Se ha comprobado, por otro lado, que algunas hemocianinas presentan actividad antiviral intrínseca inespecífica.

Esta actividad no es citotóxica para el propio animal. En el combate contra otros patógenos, las hemocianinas pueden aglutinarse en presencia de, por ejemplo, bacterias y detener la infección.

Es importante señalar que las hemocianinas participan en la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS, por sus siglas en inglés).

Las ROS son moléculas fundamentales en el funcionamiento del sistema inmune, así como en las respuestas a patógenos en todos los eucariotas.

Usos

– Las hemocianinas son fuertes inmunoestimulantes en mamíferos. Por tal razón, se han empleado como transportadores hipoalergénicos de moléculas que son incapaces de despertar una respuesta inmune por sí mismas (haptenos).

– También se han empleado como transportadores eficientes de hormonas, drogas, antibióticos y toxinas.

– Se han ensayado como potenciales compuestos antivirales y como acompañantes en terapias químicas contra el cáncer.

– Se cuenta con evidencia de que las hemocianinas de ciertos crustáceos presentan actividad antitumoral en algunos sistemas experimentales animales. Los tratamientos contra cánceres que han sido sometidos a pruebas incluyen los de vejiga, ovario, mama, etc.

– Desde el punto de vista estructural y funcional, las hemocianinas poseen características propias que las hacen ideales para el desarrollo de nuevos nanomateriales biológicos. Se han empleado, por ejemplo, en la generación de biosensores electroquímicos con bastante éxito.

Referencias

1. Abid Ali, S., Abbasi, A. Scorpion hemocyanin: The blue blood. DM Verlag Dr. Müller, Alemania.
2. Coates, C. J., Nairn, J. Diverse immune functions of hemocyanins. Developmental and Comparative Immunology.