CYTOCHROME C OXIDASE: STRUKTUR, FUNKTIONER, HÆMMERE - BIOLOGI - 2025

Den cytochrom c-oxidase er et kompleks af enzymatiske proteiner, der kan krydse lipiddobbeltlaget af cellemembranen. Det er hæmosopløseligt og er hovedsageligt forbundet med den indre membran i mitokondrierne, som findes både i prokaryotiske organismer (bakterier) og i eukaryoter (unicellulære og multicellulære).

Dette enzym, der også kaldes kompleks IV, er vigtigt i de aerobe metaboliske funktioner hos organismer, da det er vigtigt i elektrontransportkæden, hvor cellen forbrænder sukker og fanger en del af den energi, der frigøres til opbevaring af adenosintriphosfat eller ATP.

Kugle-og-stick-model af heme, af et molekyle fundet i den krystallinske struktur af cytokrom c-oxidase i bovint hjerte. Taget og redigeret fra: Benjah-bmm27.

Navnet cytochrome betyder "cellulære pigmenter." Dette er blodproteiner, der bærer elektroner. Cytokromer blev opdaget af den irske læge Charles Alexander MacMunn i 1884. MacMunn var banebrydende for opdagelsen af ​​det åndedrætspigment i blodet, i dag kaldet cytokrom 1.

I 1920'erne genopdagede og karakteriserede den russiske entomolog og parasitolog David Keilin luftvejspigmenter og var den, der navngav dem cytokromer. Selvom MacMunn havde opdaget dem i 1884, havde det videnskabelige samfund glemt ham, og nogle havde endda forkert fortolket hans arbejde.

Generelle karakteristika

Generelt har åndedrætspigmenter karakteristiske synlige lysspektre. Det er kendt, at der er mindst fire integrerede membranproteinkomplekser, i hvilke der er 5 forskellige typer cytokromer: a, a3, b, c1 og c, klassificeret i henhold til bølgelængderne af spektrale absorptionsmaksima.

De findes generelt på den indre membran i mitokondrier. De er imidlertid også observeret i den endoplasmatiske retikulum og kloroplaster i eukaryote og prokaryote organismer.

De præsenterer den heme-protetiske gruppe, der indeholder jern (Fe). Hver af de kendte cytokromer virker i multienzymkomplekser i transport af elektroner i respirationsprocessen eller kæden.

Cytokromer har funktionen til at deltage i oxidationsreduktionsreaktioner. Reduktionsreaktioner, hvor de accepterer elektroner, forekommer forskelligt for hver type cytokrom, og deres værdi bestemmes af strømmen af ​​elektroner i åndedræts-kæden.

-Cytokrom c

Der kendes fire klasser af cytokrom c, som er som følger.

Klasse I

Inden for denne klasse er de opløselige lavspændte cytokromer c (lavspænding) til stede i bakterier og mitokondrier. De er oktaedrale. Det hemmebindende sted er ved N-terminalen af ​​histidin, og den sjette ligand tilføres af en methioninrest ved C-terminalen.

I denne klasse kan flere underklasser endda genkendes, hvis tredimensionelle struktur er bestemt.

Klasse II

Cytokrom c med højt spin og nogle cytokromer med lavt spin findes i denne klasse. De med høj sving har bindingsstedet tæt på C-terminalen, og i dem med lav drejning ser det ud til, at den sjette ligand er en methioninrest i nærheden af ​​N-terminalen. De koordineres med femte ligandhistidin.

Klasse III

Denne klasse er kendetegnet ved at præsentere cytochromer c med multiple heme (c3 og c7) og et lavt oxidationsreducerende potentiale med kun 30 aminosyrerester pr. Heme-gruppe. I repræsentanter for denne klasse har heme c-grupper ikke-ækvivalent struktur og funktioner ud over at præsentere forskellige redoxpotentialer. De er oktaedrale.

Klasse IV

Ifølge nogle forfattere blev denne klasse oprettet udelukkende for at inkludere komplekse proteiner, som andre protesegrupper præsenterer, såvel som heme c eller flavocytochrome c, blandt andre.

Cytochrome c oxidase eller kompleks IV

Cytochrome c oxidase er et mitochondrial enzym, der udfører den sidste fase af elektrontransport i cellulær respiration. Dette enzym katalyserer transporten af ​​elektroner fra reduceret cytochrom c til ilt.

Nogle kemiske forbindelser, såsom cyanid, kuldioxid og azid, kan hæmme funktionen af ​​dette enzym og forårsage den såkaldte cellulære kemiske asfyksi. Andre former for inhibering af kompleks IV er genetiske mutationer.

Fra et evolutionært synspunkt findes cytokrom c oxidase kun i aerobe organismer, og adskillige grupper af videnskabsmænd antyder, at tilstedeværelsen af ​​dette protein indikerer evolutionære forhold, hvor planter, svampe og også dyr delte en fælles stamfar.

Struktur

Cytochrome c-oxidase danner et homodimerisk kompleks, det vil sige sammensat af to lignende monomerer i mitokondriens indre membran. Enzymkomplekset består af 3 til 4 underenheder i prokaryotiske organismer og op til et maksimum på 13 (nogle antyder 14) polypeptider i organismer såsom pattedyr.

I disse organismer er 3 polypeptider af mitokondriel oprindelse, og resten stammer fra kernen. Hver monomer har 28 transmembrane helixer, der adskiller hydrofile domæner mod membranmatrixen og intermembranrummet.

Det har en enkelt katalytisk enhed, som findes i alle enzymer, der katalyserer oxidations- / reduktionsreaktioner, ved anvendelse af molekylært ilt (oxidaser, især hæm-kobber). Komplekset indeholder cytokromer a og a3 forbundet med underenhed I og to kobbercentre.

Den har en eller flere heme c-grupper bundet til den omgivende proteinstruktur ved hjælp af en eller flere (generelt to) thioetherbindinger. Andre forfattere antyder, at der er en enkelt heme C-gruppe, der er kovalent bundet til proteinet mellem porphyrinringen og to cysteinrester.

Den eneste heme c-gruppe nævnt ovenfor er omgivet af hydrofobe rester og er hexakoordineret med histidin i position 18 i polypeptidkæden og methionin i position 80.

Cytochrome c oxidase-underenhed F. Taget og redigeret fra: Jawahar Swaminathan og MSD-personalet ved European Institute of Bioinformatics

Funktioner

Cytochrome c-oxidaser er hovedpersoner i tre primære fysiologiske mekanismer, som vi vil se nedenfor.

Apoptose eller programmeret celledød

Apoptose er programmeret celleødelæggelse eller død, forårsaget af selve organismen, og hvis formål er at kontrollere vækst, udvikling, eliminering af beskadiget væv og regulering af immunsystemet. I denne fysiologiske proces deltager cytochrome c oxidase som et mellemprodukt.

Dette protein, der frigives af mitokondrierne, fører til en interaktion med den endoplasmatiske retikulum, der forårsager udskillelse eller frigivelse af calcium. Den progressive stigning i calcium udløser en massiv frigivelse af cytochrome c oxidase, indtil cytotoksiske niveauer af calcium er nået.

Cytotoksiske niveauer af calcium og frigivelse af cytokromer c forårsager kaskadeaktivering af flere caspaseenzymer, der er ansvarlige for ødelæggelse af celler.

Regenerering af celle eller væv

Flere undersøgelser indikerer, at når cytochrome c-oxidase udsættes for bølgelængder på 670 nanometer, deltager den i et funktionelt kompleks, der trænger igennem beskadiget eller såret væv og øger frekvensen af ​​cellegenerering.

Energimetabolisme

Dette er måske den mest kendte og den mest relevante funktion af cytochrome c oxidase. Det er netop oxidase-komplekset (i respiratorisk kæde), der er ansvarlig for at opsamle elektronerne fra cytokrom c og overføre dem til iltmolekylet, reducere det til to molekyler vand.

Forbundet med denne proces sker en protontranslokation gennem membranen, hvilket resulterer i dannelsen af ​​en elektrokemisk gradient, som ATP-syntetasekomplekset bruger til at fremstille eller syntetisere ATP (adenosintriphosphat).

hæmmere

Cytochrome c-oxidase hæmmes af forskellige kemiske forbindelser og processer. Den måde, det optræder på, kan opstå som en naturlig måde at regulere produktionen eller handlingen af ​​enzymet, eller det kan forekomme ved et uheld på grund af forgiftning.

I nærvær af azid, cyanid eller carbonmonoxid binder cytochrome c-oxidase sig til disse, og funktionen af ​​proteinkomplekset hæmmes. Dette medfører en forstyrrelse i den cellulære åndedrætsproces og forårsager således den kemiske kvælning af cellerne.

Andre forbindelser, såsom nitrogenoxid, hydrogensulfid, methanol og nogle methylerede alkoholer, forårsager også inhibering af cytochrome c-oxidase.

Mangel

Cytochrome c oxidase er et enzym, der styres af gener i både kernen og mitokondrierne. Der er genetiske ændringer eller mutationer, der kan føre til en mangel på cytochrom c oxidase.

Disse mutationer forstyrrer enzymets funktionalitet, da de ændrer dets enzymatiske struktur, hvilket medfører metabolske forstyrrelser under embryonal udvikling (ifølge humane undersøgelser), som senere vil påvirke organismen i de første leveår.

Cytochrom c oxidase mangel påvirker væv med stort energibehov, såsom hjerte, lever, hjerne og muskler. Symptomerne på disse mutationer afspejles inden de to leveår og kan manifestere sig som stærke eller milde tilstande.

Milde symptomer kan ses selv kort efter det første år, og personer med dem har normalt kun nedsat muskelspænding (hypotoni) og muskelatrofi (myopati).

På den anden side kan personer med stærkere symptomer have muskelatrofi og encephalomyopati. Andre tilstande forårsaget af fraværet af cytokrom c oxidase er hypertrofisk kardiomyopati, patologisk forstørrelse af leveren, Leighs syndrom og mælkesyreacidose.

Anvendelse i fylogeni

Filogeni er den videnskab, der er ansvarlig for studierne af organismernes oprindelse, dannelse og evolutionær udvikling fra forfader-efterkommer synspunkt. I de sidste årtier har phylogeny-undersøgelser med molekylær analyse været mere og mere hyppige, hvilket har givet meget information og løst taksonomiske problemer.

I denne forstand indikerer nogle fylogenetiske undersøgelser, at brugen af ​​cytochrome c-oxidaser kan hjælpe med at etablere evolutionære sammenhænge. Dette skyldes, at dette proteinkompleks er stærkt konserveret og findes i en lang række organismer, der spænder fra encellede protister til store hvirveldyr.

Eksempler på dette er de test, der blev udført med mennesker, chimpanser (Pan paniscus) og Rhesus macaques (Macaca mulatta). Sådanne tests afslørede, at de humane og chimpanse cytochrome c-oxidasemolekyler var identiske.

Det viste også, at cytochrome c-oxidasemolekylerne i Rhesus-makaksen adskiller sig med en aminosyre fra dem fra de første to, og bekræftede følgelig forfader-efterkommer-forhold mellem chimpanser og mennesker.

Referencer

1. RP Ambler (1991). Sekvensvariation i bakteriecytokromer c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetik.
2. Cytokrom c. Gendannes fra newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Biologiske roller af cytokrom c: mitokondriel elektrontransport, programmeret celledød og forøgelse i peroxidaktivitet. Annaler fra Det Medicinske Fakultet.
4. Cytochrome c oxidase-underenhed I. Genvundet fra ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Cytochrome c Oxidase-underenhed IV er essentiel for samling og åndedrætsfunktion af enzymkomplekset. Journal of Bioenergetics and Biomembranes.
6. Gengruppe: Mitochondrial kompleks IV: cytochrome c oxidase-underenheder (COX, MT-CO). Gendannes fra genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Opdagelsen af ​​cytokrom. Biokemisk uddannelse.
8. Cytokrom c oxidase, mangel på…. Gendannes fra ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biochemestry. 3. udgave. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.