¿Qué es la ficocianina?

espirulina is a genus of the cyanobacteria phylum, cyanophyceae class, segmental organisms order, and trematophyceae family. It is a filamentous, multicellular, spiral prokaryotic algae with high protein content and fast reproduction [1, 2]. Spirulina includes various strains such as Arthrospira platensis, Arthrospira maxima, and Arthrospira salina. Spirulina is rich in protein, fat, vitamins, minerals, chlorophyll, β-carotene, and polysaccharides, and is an ideal food and medicine resource for humans [3].

Spirulina contains phycocyanin, an important light-harvesting pigment protein, which is mainly composed of phycocyanin (PC), allophycocyanin (APC) and phycoerythrin (PE). Phycobiliproteins are a safe and non-toxic protein resource. Not only are they a valuable edible and feed protein resource in nature, but they also have advantages in the research of the original theory of photosynthesis. Spirulina polysaccharides and phycocyanin are important active substances in spirulina [4]. In recent years, research conducted both domestically and abroad has shown that spirulina has a variety of functions, including anti-fatigue, anti-radiation, anti-viral, anti-tumor, anti-allergy and immunity-enhancing properties, which means that spirulina and its active ingredients have broad application prospects in the research and development of functional foods [5].

Phycocyanin is a type of photosynthetic auxiliary pigment commonly found in cyanobacteria cells. It is a special pigment protein composed of an open-chain tetrapyrrole compound and a dehydrogenase protein bound together by a sulfur chain bond [6]. Its theoretical research and applications have received widespread attention in recent years. The content of phycocyanin in spirulina is as high as 10% to 20%, and it is an important natural pigment for photosynthesis in spirulina cells. It can preferentially transfer light energy to photosystem II with almost 100% efficiency during photosynthesis [7, 8]. Phycocyanin can be widely used as a natural pigment in industries such as food, cosmetics, and dyes. Phycocyanin also has strong fluorescence and can be used to make fluorescent reagents, fluorescent probes, fluorescent tracers, etc., which are used in clinical medicine, immunochemistry, and biological engineering research fields [9, 10]. As an important physiologically active ingredient, it can also be made into medicines for healthcare. Phycocyanin is also an ideal photosensitizer with no toxic side effects [8].

Debido a las buenas perspectivas de desarrollo de ficobiliproteínas y su alto contenido en espirulina, la investigación sobre ficobiliproteínas en espirulina se ha convertido en un punto caliente en la investigación de proteínas de algas. Este documento presenta el progreso de la investigación de espirulina ficobiliproteínas en los últimos años en términos de extracción, purificación, propiedades fisicoquímicas, actividad fisiológica, etc.

1

La extracción despirulina phycocyaninA menudo se divide en dos procesos: disolución de proteínas y precipitación de proteínas. Ficocianina es una proteína intracelular. Para disolverlo, la pared celular y la membrana celular deben romperprimero para que se disuelva en la solución de extracción en un estado disuelto. La investigación actual indica que la extracción de espirulina proteína está todavía en la etapa de investigación experimental, y los métodos de extracción no son los mismos. Zheng Jiang [11] resumió los métodos de interrupción celular como: congelación y descongelación repetida, tratamiento con reactivos químicos, hinchazón, ultrasonidos y métodos de triturde tejidos. Hay 5 métodos, y los métodos de precipitación de proteínas son: salado, crist, precipitación de punto isoeléctrico y métodos de ultrafiltración.

1.1 Among the cell disruption methods, the swelling method has a long extraction cycle, and the ultrasonic method has a poor extraction rate. Therefore, the more commonly used methods are the repeated freezing and thawing method and the chemical reagent treatment method, but there are also certain differences between the two. Lin Hongwei [12] et al. used sodium dodecyl sulfate (SDS) to destroy the cell membrane of Arthrospira platensis to Extractos extractos extractosphycobiliproteins, with an extraction rate of up to 98%, which was significantly better than the control group extracted by the freeze-thaw method. Zhang Yifang [13] and others used a combination of KCl and lysozyme to extract phycocyaninDe las paredes celulares de espirulina, logrando una tasa de rotura de paredes de más del 95%. En comparación con el método de congelación y descongelación, llegaron a la conclusión de que el método de congelación y descongelación sólo es adecuado para la preparación de pequeñas cantidades de muestras, y es difícil congelar y descongelar rápidamente grandes cantidades de muestras. El método de reactivo químico hace más difícil purila proteína más tarde debido a la adición de reactivos químicos, y una operación inadecuada puede causar fácilmente la desnaturalización de proteínas. El método de congelación y deshielo es simple y cómodo de operar. Por lo tanto, el método de congelación y descongelación es más comúnmente utilizado en experimentos para extraer pequeñas cantidades dephycocyanin.

1.2 En el funcionamiento real, varios métodos se utilizan a menudo en combinación para disolverphycocyaninTanto como sea posible. Por ejemplo, Gao Tianrong [14] y Wang Yong [15] utilizado repetidas congelación y descongelación y ultrasonido para romper las paredes celulares de espirulina. Lin Hongwei [12] y otros utilizaron un método de lavado y congelación y descongelación cíclica para extraer espirulina ficobiliproteínas. Los resultados mostraron que el rendimiento de extracción utilizando Tween 20 como reactivo de extracción fue del 65,1%, superior al método de congelación y descongelación cíclica en solución buffer.

Después de la interrupción celular, elphycocyaninSe disuelve en la solución de extracción. En este momento, es muy importante elegir un método apropiado para la precipitación. El método de precipitación de punto isoeléctrico utiliza la propiedad de las proteínas que tienen la solubilidad más baja en su punto isoeléctrico. Ajustando el pH de la solución al punto isoeléctrico de laphycocyaninLa solubilidad de la ficobiliproteína se reduce y precip. Zhang Yifang [13] y Tang Zhaohui [16] han utilizado este método para precipficocianina. Sin embargo, se cree generalmente que ficocianina es sensible al pH, y un pobre control del pH durante la precipitación puede causar fácilmente la desnaturalización de proteínas. La literatura informa más sobre el uso de la salsalada para precipitar ficocianina, y su efecto de precipitación también es generalmente reconocido.

Ammonium sulfate solution is a commonly used salt solution. Zhang Yifang [13] and others have also used salt solutions such as magnesium sulfate, diammonium hydrogen phosphate, and ammonium dihydrogen phosphate to compare with ammonium sulfate solution for salting out. The results showed that ammonium sulfate salting out was effective, while the other salting out methods were less effective. However, there are various opinions on the salting out concentration of ammonium sulfate. Mostly, a 50% saturated ammonium sulfate solution is used for precipitation [4, 12, 17], but some use a 30% to 60% saturation [15, 18], and Lin Hongwei [19, 20] even uses 70% or 80% ammonium sulfate solutions. Hu Yibing [21] and others used ammonium sulfate solutions of different concentrations to establish a stepwise gradient salting-out method to separate and purify the phycocyaninDel dinoflagellato, con buenos resultados. H. W. Siegleman [22] cree que salar con soluciones de sulfato de amonio de diferentes concentraciones también puede separar ficobiliproteínas de otrasphycocyaninMientras que Peng Weimin [23] cree que es imposible separar ficobiliproteínas de otras ficobiliproteínas por sulfato de amonio salar. Sin embargo, la extracción dephycocyaninDesde espirulina siempre implica tratamiento con sulfato de amonio para obtener un extracto de ficobiliproteína crudo.

2 métodos de purificación

El extracto de espirulina proteína tiene un alto contenido de proteínas de impurezas, y la relación de pureza (A620/A280) de ficocianina debe estar por encima de 4,0 para ser de valor práctico [11]. Por lo tanto, el extracto crudo debe ser separado y puripara eliminar las proteínas de impurezas y aumentar la pureza de ficocianina. Los métodos de purificación actualmente reportados en la literatura incluyen la cromatode columna de hidroxiapati, cromatode gel, intercambio iónico, y la menos utilizada cromatode columna de tierra diatomeas. En aplicaciones prácticas, a menudo es necesario utilizar dos o más métodos al mismo tiempo para lograr mejores resultados.

Wei Ping [18] et al. pasaron el extracto crudo de ficocianina a través de columnas de adsorde DEAE-Sephadex A-25 e hidroxiapati(HA), respectivamente, y luego elula la fracción de ficocianina una vez más a través de una columna de HA y la pasó a través de una columna de G-150 para extraer ficocianina de Arthrospira maxima. Los resultados muestran que una ficocianina de grado de reacción con una relación de pureza de hasta 4,18 se puede obtener mediante el uso de una columna de hidroxiapatisecundaria casera, y una ficocianina con un solo componente se puede obtener mediante una posterior cromatode columna G-150.

Hu Yibing [21] and others used hydroxyapatite chromatography and Sephadex G-100 gel chromatography to obtain phycocyanin with a purity ratio greater than 5.0. Yin Gang [24] and others used Sephacryl S-200 gel chromatography and hydroxyapatite column chromatography to isolate and purify phycocyanin from artificially cultivated Spirulina platensis, obtaining pure phycocyanin. Zhang Chengwu [4] and others purified the phycobiliprotein twice by HA column chromatography and then purified it once more by Sephadex G-100 column chromatography and filtration to obtain electrophoretically pure phycobiliprotein. Yin Gang [25] and others also studied the use of DEAE Sepharose F F ion exchange and hydroxyapatite adsorption to isolate and purify phycobiliproteins from Spirulina platensis. The phycobiliproteins were identified as electrophoretically pure by isoelectric focusing. Yin Gang [26] and others used hydroxyapatite and Sephadex G-100 for column chromatography to isolate and purify phycobiliprotein with a purity ratio of 4.71.

Peng Weimin [23] y otros utilizaron cromatode columna de hidroxiapatipara purificobiliproteína de espirulina para obtener ficobiliproteína con alta pureza. Lin Hongwei [19,20] et al. primero utilizó una columna de diatomita 545 para eluir fraccionalmente y luego utilizó el intercambio iónico de diá-celulpara puriespirulina para obtener ficocianina con una relación de pureza de 4,1. Zhang Jianping [27] y otros usaron por primera vez la cromatode columna de hidroxiapatiy luego la cromatoen gel de dextrande de Sephadex G-150 para obtener una ficocianina más pura. Wang Yong [15] y otros estudiaron y establecieron un procedimiento de separación y purificación para Sephadex G-200, diae-sephadex A-25, HA, y Sephadex G-200. Los resultados de este método fueron ideales, con electroforesis en gel de poliacrilamida (PAGE) mostrando una sola banda electroforética, y una relación de pureza de hasta 14, rompiel valor máximo anterior de 10 reportado tanto a nivel nacional como internacional. Este es también un ejemplo típico del uso combinado de múltiples métodos de purificación.

3. Physical cochemical property Research (en inglés)

Debido a las amplias perspectivas de aplicación dephycocyaninEl estudio de sus propiedades fisicoquímicas se ha convertido en un tema importante en el desarrollo de la espirulina. En los últimos años, la investigación sobre ficobiliproteínas ha profundizado en la composición molecular, y se ha hecho un progreso significativo en el estudio de otras propiedades fisicoquímicas.

3.1 investigación de la propiedad espectral

La espectroscopia es una de las características importantes dephycocyaninY el estudio de las propiedades espectroscópicas proporciona una base importante para la identificación de espirulina ficobiliproteínas. Al mismo tiempo, la absorción máxima también se puede utilizar para la determinación del contenido proteico, proporcionando un método simple y eficaz para el control de calidad de productos ficobiliproteicos. Sin embargo, debido a las diferencias en ficobiliproteína entre diferentes cepas de espirulina y la diferente pureza de las muestras de ficobiliproteína utilizados por los investigadores, también hay diferencias en las propiedades espectroscópicas reportados.

Yin Gang [26] y otros han demostrado que el espectro ultravioleta visible de espirulina platensis phycocyanin tiene picos característicos de absorción en longitudes de onda de 278 nm, 360 nm, y 620 nm. Wei Ping [18] y otros encontraron que después de la purificación, elPhycocyanin of Spirulina (en inglés)Maxima tiene picos de absorción característicos a 620 nm y 348 nm después de escancon UV-Vis. Zhang Chengwu [4] y otros midieron la longitud de onda máxima de absorción de ficocianina puride Spirulina platensis a 620 nm mediante el escaneo con UV-Vis. Peng Weimin [17] et al. midió el pico máximo de absorción visible de la ficocianina de Spirulina platensis a 620 nm usando un espectrofotómetro de UV visible, y midió su pico de emisión de fluoresca temperatura ambiente a 645 nm usando un espectrofotómetro de fluoresc.

Wang Yong [15] y otros encontraron que la longitud de onda de absorción de ficocianina en espirulina tolerante a la sal a pH 7.0 es de 615 nm, y que a medida que el pH disminuye, el máximo pico de absorción visible de ficocianina se desplaza a una longitud de onda azul, y un cambio al rojo cuando el pH aumenta; El pico de excitación de fluorescencia de ficocianina bajo condiciones neutiene dos picos a 590 nm y 635 nm, y el pico de emisión de fluoresctiene sólo un pico a 650 nm. Zhang Erxian [28] y otros determinaron que el pico máximo de absorción de ficocianina está en 625 nm, y su pico de emisión de fluorescencia está en 648 nm. Yin Gang [24, 26] y otros también realizaron espectroscopia infrarroja en ficobiliproteínas y encontraron que las ficobiliproteínas tienen picos de absorción en 3200, 1650, 1550, 1100, 1050 y 650 cm-1, que proporciona una base más rica para la identificación de ficobiliproteínas.

3.2 composición de aminoácidos de ficobiliproteínas

El estudio de la composición de aminoácidos de la proteína es propicio para seguir explorando la estructura interna y los grupos activos de ficobiliproteínas, y también proporciona una base teórica para otras propiedades de ficobiliproteínas. Yin Gang [24, 26], Liu Qifang [29], Li Jianhong [9], y otros han estudiado la composición de aminoácidos de ficobiliproteínas en espirulina. Los resultados muestran que el aminoácidoComposición delphycocyanin in spirulina of different strains is basically the same.

Zhang Chengwu [4] y otros analizaron la composición de aminoácidos y el contenido de la espirulina platensis ficobiliproteína y concluyó que, a excepción de triptófano, que no se midió, ficobiliproteína contiene 14 aminoácidos, sólo trazcantidades de histidina y prolina, y carece de metionina. Peng Weimin [17] utilizó cromatolíquida de alto rendimiento para analizar la composición de aminoácidos de ficocianina en Spirulina platensis. Los resultados mostraron que la composición de aminoácidos de ficocianina y ficocianina era similar, siendo la fenilalanina la más abundante, seguida por el ácido aspártico, ácido glutámico y tirosina, mientras que la prolina yla histidina eran menos abundantes. Al mismo tiempo, la relación de aminoácidos ácidos a aminoácidos básicos en ficocianina es de 2,14, que es mayor que el 1,92 en otras ficocianinas. Por lo tanto, ficocianina se considera una proteína ácida, lo que también explica por qué el punto isoeléctrico de ficocianina es menor que el de otras ficocianinas, como se informa en la literatura [29].

3.3 caracterización bioquímica

3.3.1 punto isoeléctrico

The isoelectric point is one of the most prominent properties of proteins. The reported isoelectric points of spirulina phycocyanin vary, but all are between 3.4 and 4.8 [4, 13, 24, 26, 29]. This may be due to the differences in the properties of phycocyanin in different strains of spirulina, and another reason is that phycocyanin of different purities affects the consistency of the measurement results. The research results also found that the isoelectric point of phycocyanin is generally lower than that of other phycocyanin, which may be related to the composition of amino acids in the protein [17].

3.3.2 estudio de las subunidades de ficocianina

La investigación actual sugiere quephycocyaninsSe componen de dos subunidades con diferentes pesos moleculares, − y −, y suelen ser hexámeros de dos subunidades (− −)6 [15]. Sin embargo, actualmente hay diferentes opiniones sobre el peso molecular de las subunidades. Zhang Chengwu [4] et al. usaron 12% de sodio dodecilo sulfatopoliacrilamida gel electroforesis (SDS-PAGE) para analizar ficobiliproteínas puri. Encontraron que la ficobiliproteína de Spirulina platensis consta de dos subunidades, − y −, y que sus pesos moleculares son de 14.500 α y 15.000 β, respectivamente. Zhang Erxian [28] midió los pesos moleculares de los dosphycocyaninSubunidades para ser 1 4900μ y 17200μ. Peng Weimin [17] realizó un análisis de regresión utilizando como parámetros la tasa de migración relativa (X) de una proteína estándar Y el logaritmo de su correspondiente peso molecular (Y). La ecuación de regresión resultante es: Y = 1.0228X + 5.1255 (R2 = 0.9889). El peso molecular calculado de la subunidad α de la ficobiliproteína en el blunt-cap espirulina es de aproximadamente 16,3 K D, y el peso molecular de la subunidad β es de aproximadamente 18,9 K D, que es similar a los informes en la literatura [30,31].

3.4 estabilidad de ficobiliproteína

Zhang Yifang [13] lo creephycocyanin is stable below 40°C. At 45°C, its pigment begins to decompose, the optical density of the solution gradually decreases, and at 50°C, the optical density decreases rapidly. At 70°C, the optical density of the solution is 75% lower than the original value. A sugar solution can improve the thermal stability of phycocyanin. Light has a relatively small effect on phycocyanin. After 60 hours of exposure to light at 5000 lux, the optical density of the pH 5 solution remains unchanged. Studies have also shown that phycobiliproteins are stable between pH 4.0 and 8.5, with no change in optical density. The color of the solution lightens when the pH is greater than 8.5 or less than 4.0. The above research results show that phycobiliproteins are sensitive to temperature and pH but not light. This finding is of great significance for controlling the conditions during the extraction, purification and preservation of phycocyanin.

4 investigación sobre la actividad fisiológica

PhycocyaninEs uno de los ingredientes activos importantes en espirulina. La investigación clínica lo ha demostradophycocyanin in spirulina can improve the body's promover la regeneración celular animal, e inhibir el crecimiento de células cancerosas [32]. Por lo tanto, es de gran importancia para seguir estudiando la actividad fisiológica de ficocianina. En la actualidad, la investigación se centra principalmente en el estudio de la actividad contra el cáncer, y se han hecho algunos progresos en el estudio de otras actividades.

4.1 investigación sobre la actividad contra el cáncer

Dong Qiang [33] y otros estudiaron la actividad anticancerosa de ficocianina (PC) en células HeLa usando dos métodos. El experimento demostró que el PC tiene un efecto inhibitorio significativo sobre el crecimiento de las células HeLa, y cuando la concentración de PC es de 80 mg·L-1, la tasa de inhibición de las células cancerosas alcanza el 31,0%. Shen Haiyan [34] y otros usaron un método de cultivo de agar semi-sólido y un ensayo MT T para determinar el efecto de la espirulina ficocianina en el crecimiento de las líneas celulares de leucemia humana HL-60, K-562 y − -937. Los 3 tipos de células tumorales se trataron con diferentes concentraciones de espirulina ficocianina en condiciones de cultivo in vitro. Los resultados mostraron que espirulina ficocianina tenía un grado variable de efecto inhibiten los 3 tipos de células tumorales, y hubo un efecto de dosis de concentración, con un fuerte efecto inhibitorio en concentraciones altas. Guo Baojiang [35] y otros estudiaron el efecto inhibitde la ficocianina selenizada extrade espirulina platensis cultivada enriqucon selenio en células de cáncer de hígado. Guo Baojiang [36] y otros también estudiaron el efecto inhibitde la ficocianina fotoinmovilizen la línea celular de cáncer de hígado 7402 in vitro. El experimento demostró que cuando la concentración inicial de ficocianina inmovilizera 20μg/w ell, la tasa de inhibición de 7402 células alcanzaba el 55%. A medida que la concentración seguía aumentando, la tasa de inhibición de las células cancerosas disminuía. Cuando la concentración de ficocianina alcanzó 0.5mg/w ell y 1mg/w ell, la tasa de inhibise recuperó a 55% y 66%.

Otras actividades investigación

Espirulina ficocianina también tiene cierta actividad en otras áreas. Wang Yuanxun [37] y otros encontraron que la alimentación de ratones con espirulina ficocianina extraído mejoró significativamente la resistencia al ejercicio. Zhang Chengwu [38] demostró en un experimento con animales que la espirulina ficocianina tiene efectos antirradiación, y los resultados también mostraron que la ficocianina puede promover la recuperación de la función hematopoyética en los animales irradiados. Tang Mei [39] y otros encontraron que la ficocianina puede promover la proliferación inducida por la fase de los linfocitos esplénicos normales de ratón, mejorar la capacidad hemolíde las células formadoras de spoy el contenido de hemolsina en el suero, y resistir significativamente el daño de hidrocortisona para el cuerpo 's función inmune.

Zhao Jingquan [40] and others used competitive reaction kinetics to study the scavenging effect of phycocyanin in spirulina against hydroxyl radicals. The results showed that phycocyanin has a strong scavenging effect on hydroxyl radicals, and the measured scavenging reaction rate constant was between (2.8–5.6) × 109L ·mol–1 ·S–1. Tang Mei [41] and others studied the effect of spirulina phycocyanin (PC) on the function of human peripheral lymphocytes. The results showed that PC can promote the effect of PHA on stimulating lymphocyte transformation, and there is a dose-dependent relationship. PC can restore the ability of T cells to form E rosettes after cyclophosphamide damage, especially the ability to form active E rosettes (Ea).

Los estudios experimentales han demostrado que la espirulina ficocianina tiene actividades fisiológicas tales como anti-tumor, anti-radiación, anti-fatiga, mejora de la inmunidad y la eliminación de radicales libres, lo que proporciona una base importante para la toma de decisiones en el desarrollo de espirulina en los campos de alimentos funcionales y productos farmacéuticos.

5 investigación sobre productos de ficocianina [42,43]

Phycocyanin is an important active ingredient in spirulinaSus propiedades físicas y químicas únicas son valoradas en la investigación de desarrollo de productos. La escuela de ciencias de la vida de la universidad de Pekín utiliza espirulina lodos para preparar y purificianina monómeros, que se acoplcon anticuerpos DFI puri. Los conjugfueron purificados para obtener anticuerpos marcados con ficocianina como sondas fluoresc. El Instituto de metalurgia química de la Academia China de ciencias y el Instituto de oceanología de la Academia China de ciencias también han llevado a cabo investigaciones sobre el desarrollo de marcadores fluorescentes y reactivos de diagnóstico para ficobiliproteínas, y la investigación sobre reactivos de diagnóstico y kits de diagnóstico (detección, etiquetado y técnicas de detección de reactivos fluorescentes). Se espera obtener una tecnología y un popular kit de diagnóstico del antígeno de superficie del virus de la hepatitis B marcado con ficobiliproteína que pueda reemplazar a otros marcadores fluorescentes y marcadores enzim. Al mismo tiempo, espirulina proteína ha hecho un gran progreso en la investigación de alimentos, especialmente la investigación de alimentos funcionales. Ya hay más de 10 tipos de tabletas y cápsulas de espirulina en China, que han sido aprobados por el Ministerio de salud como productos para la salud de acuerdo con diferentes funciones. Sin embargo, dado que la extracción de espirulina proteína se encuentra todavía en la etapa de investigación experimental, no existe un método de proceso adecuado para la producción industrial, haciendo que la espirulina proteína sea cara y limitando su aplicación en cierta medida.

6

La investigación sobre espirulina en China comenzó en la década de 1970. Aunque se han producido avances significativos en los últimos 30 años, la mayor parte de la investigación se encuentra todavía en fase de laboratorio. Según informes de la literatura, es difícil extraer y puriel ingrediente activo espirulina ficocianina, y tomará algún tiempo para desarrollar un proceso de producción maduro. Tampoco hay muchos alimentos funcionales basados en espirulina ficocianina, y la investigación y el desarrollo en el campo farmacéutico está todavía en su infancia. Por lo tanto, en los próximos años, la investigación y el desarrollo de ficocianina se centrará en las siguientes áreas: 1. Explorar un método para la producción industrial de grandes cantidades de ficocianina para reducir su costo y promover su desarrollo y utilización generalizada. 2. Sobre la base de los resultados de la investigación sobre la actividad de la ficocianina, ampliar el desarrollo de ficocianina de alimentos funcionales a los productos farmacéuticos y el desarrollo de reactivos de diagnóstico médico para desarrollar aún más su valor de utilización. Tercero, continuar llevando a cabo investigaciones en profundidad sobre las propiedades físicas y químicas de la ficocianina y establecer un método de control de calidad sólido para proporcionar garantía de calidad para la investigación y la producción de productos de ficocianina, especialmente productos farmacéuticos.

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