Hémocyanine

C'est le physiologiste belge Léon Fredericq qui met en évidence l’hémocyanine (c'est lui qui en propose le nom, en 1878), deuxième transporteur d’oxygène utilisé par les êtres vivants, lors de ses travaux sur la physiologie des poulpes[4].

La superfamille de l'hémocyanine des arthropodes est composée des phénol oxydases, des hexamérines, des pseudohémocyanines ou cryptocyanines, et des récepteurs d'hexamérines.

• Les phénol oxydases sont des tyrosinases contenant du cuivre. Elles interviennent dans les processus de sclérotisation de la cuticule des arthropodes, dans la cicatrisation des plaies et dans le système immunitaire. Elles sont produites sous forme de proenzymes qui sont activés par clivage du peptide N-terminal.
• Les hexamérines sont des protéines de stockage courantes chez les insectes. Elles sont produites par le corps gras des larves et sont associées aux mues et aux conditions nutritionnelles.
• Les séquences des pseudohémocyanines et cryptocyanines sont étroitement apparentées à celle de l'hémocyanine des crustacés. Elles possèdent une structure et une fonction semblables, mais sont dépourvues de sites de liaison au cuivre.

Les changements observés dans la phylogénie de la superfamille de l'hémocyanine sont étroitement liés à l'émergence de ces différentes protéines à travers les différentes espèces. La compréhension de ces changements passe par l'étude approfondie des changements de l'hémocyanine chez les arthropodes[5].

Domaine contenant les cations cuivreux

Sous-unité d'hémocyanine de pieuvre montrant la paire de cations de cuivre, notés Cu.

Domaine protéique

Pfam	PF00372
InterPro	IPR000896
PROSITE	PDOC00184
SCOP	1lla
SUPERFAMILY	1lla

Domaine tout-α

Hexamère d'hémocyanine de Panulirus interruptus (PDB 1HCY)

Domaine protéique

Pfam	PF03722
InterPro	IPR005204
PROSITE	PDOC00184
SCOP	1lla
SUPERFAMILY	1lla

Domaine de type immunoglobuline

Hémocyanine de Limulus polyphemus (PDB 1OXY)

Domaine protéique

Pfam	PF03723
InterPro	IPR005203
PROSITE	PDOC00184
SCOP	1lla
SUPERFAMILY	1lla

Bien que la fonction respiratoire de l'hémocyanine soit semblable à celle de l'hémoglobine, sa structure moléculaire et son mécanisme de liaison à l'oxygène O₂ en diffèrent sensiblement. Ainsi, là où l'hémoglobine utilise un groupe prosthétique héminique contenant un cation de fer, l'hémocyanine utilise une paire de cations de cuivre directement coordonnés chacun à trois résidus d'histidine de son site actif[6].

• 
  Désoxyhémocyanine.
• 
  Oxyhémocyanine.

L'affinité de l'hémocyanine pour l'oxygène est supérieure à celle de l'hémoglobine, mais son efficacité globale comme transporteur d'oxygène est, dans la plupart des cas, plus faible que celle de l'hémoglobine. Elle est cependant supérieure dans les environnements froids[7]. On relève ainsi, parmi les organismes qui utilisent l'hémocyanine comme transporteur d'oxygène, des crustacés vivant dans des eaux froides à faible pression partielle d'oxygène ; il existe cependant également des arthropodes terrestres vivant dans des environnements chauds et oxygénés et qui utilisent malgré tout l'hémocyanine, comme les scorpions et les araignées[8].

L'hémocyanine est constituée de plusieurs sous-unités qui contiennent chacune une paire de cations de cuivre susceptible de se lier à une molécule d'oxygène. Chacune de ces sous-unités a une masse d'environ 75 kDa. Elles sont généralement homogènes, ou hétérogènes avec deux types de sous-unités. Elles s'organisent en dimères ou en hexamères selon les espèces, ces dimères et hexamères étant à leur tour organisés en chaînes ou en grappes dont la masse peut dépasser 1 500 kDa. En raison de la très grande taille de ces complexes, l'hémocyanine est généralement à l'état libre dans l'hémolymphe et non contenue dans des cellules sanguines, contrairement à l'hémoglobine[9].

Les hexamères sont caractéristiques de l'hémocyanine des arthropodes. Ainsi, celle de la tarentule Eurypelma californicum comprend quatre hexamères, soit 24 sous-unités, tandis que celle de la scutigère véloce, un chilopode, comprend six hexamères, soit 36 sous-unités, et celle des limules comprend huit hexamères, soit 48 sous-unités. On trouve des hexamères simples chez Panulirus interruptus, une langouste, et chez le bathynome géant. Les sous-unités d'hémocyanine de crustacés contiennent environ 660 résidus d'acides aminés, tandis que celles des chélicérates en contiennent 625.

La plupart des hémocyanines se lient à l'oxygène de manière non-coopérative et sont capables de transporter environ le quart de la quantité d'oxygène transportée par l'hémoglobine. On observe cependant un effet coopératif chez certaines espèces d'arthropodes, dont les limules, avec un coefficient de Hill (en) compris entre 1,6[10] - [11] chez Tachypleus gigas (une limule du Japon) et 3,0[12] chez Androctonus australis (un scorpion du Maghreb), valeurs qui dépendent également des conditions expérimentales ; à titre de comparaison, le coefficient de Hill de l'hémoglobine est généralement voisin de 3,0. L'hémocyanine présente dans ce cas une structure hexamérique, chaque sous-unité possédant un site de liaison à l'oxygène : la liaison d'une molécule d'oxygène à l'une de ces sous-unités accroît l'affinité des sous-unités voisines pour l'oxygène, selon un mécanisme allostérique. Ces études ont montré que les hexamères s'associent en complexes protéiques plus grands comprenant des douzaines d'hexamères. L'une de ces études suggère que l'effet coopératif est dépendant de ces arrangements de grande taille, de sorte que l'effet coopératif se propagerait entre hexamères[13]. Les profils de liaison de l'oxygène à l'hémocyanine sont affectés par la force ionique de la solution, et par son pH[14].

L'hémocyanine est homologue des phénol oxydases (comme la tyrosinase) dans la mesure où elle possède un site actif semblable, utilisant une paire de cations de cuivre comme groupe prosthétique[15]. Dans tous les cas, une proenzyme inactive telle que l'hémocyanine, la tyrosinase et la catéchol oxydase (en) doit être préalablement activée par clivage du résidu d'acide aminé qui bloque l'entrée du canal conduisant au site actif. Les différences conformationnelles déterminent le type d'activité catalytique susceptible d'être réalisée par l'hémocyanine[16]. L'hémocyanine possède également une activité phénol oxydase, mais cependant plus lente ; une dénaturation partielle a pour effet de favoriser cette activité enzymatique en dégageant l'accès au site actif[1] - [15].

L'hémocyanine de Concholepas concholepas (en) présente un effet thérapeutique contre le cancer de la vessie chez la souris, ce qui en fait un objet de recherche pour d'éventuels traitements du cancer superficiel de la vessie.

L'hémocyanine de Megathura crenulata, dite KLH, est un stimulant immunitaire dérivé de glycoprotéines de ce mollusque. Lorsqu'elle est administrée in vitro, elle présente une activité significative contre la prolifération des cellules de cancer du sein, de cancer du pancréas et de cancer de la prostate. Une étude de 2003 a également suscité un intérêt concernant l'effet de l'hémocyanine de Megathura crenulata contre l'adénocarcinome de l'endobrachyœsophage[17].