CYTOCHROM C OXIDÁZA: STRUKTURA, FUNKCE, INHIBITORY - BIOLOGIE - 2025

Cytochrom c oxidázy je komplex enzymatických proteinů, které mohou překračovat lipidové dvojvrstvy buněčné membrány. Je hemosolubulární a je spojován hlavně s vnitřní membránou mitochondrie, která se nachází jak v prokaryotických organismech (bakteriích), tak v eukaryotech (jednobuněčných a mnohobuněčných).

Tento enzym, nazývaný také komplex IV, je životně důležitý v aerobních metabolických funkcích organismů, protože je nezbytný v řetězci přenosu elektronů, ve kterém buňka spaluje cukry a zachycuje část uvolněné energie k ukládání adenosintrifosfátu nebo ATP.

Ball-and-stick model hemu, molekuly nalezené v krystalické struktuře oxidázy cytochromu c v hovězím srdci. Převzato a upraveno od: Benjah-bmm27.

Název cytochrom znamená „buněčné pigmenty“. Jedná se o krevní proteiny, které nesou elektrony. Cytochromy objevil irský lékař Charles Alexander MacMunn v roce 1884. MacMunn byl průkopníkem objevu respiračního pigmentu v krvi, dnes nazývaného cytochrom 1.

Ve dvacátých letech ruský entomolog a parazitolog David Keilin znovu objevil a charakterizoval respirační pigmenty a byl tím, kdo je pojmenoval cytochromy. Ačkoli je MacMunn objevil v roce 1884, vědecká komunita na něj zapomněla a někteří dokonce jeho práci interpretovali špatně.

Obecné vlastnosti

Respirační pigmenty mají obecně charakteristická spektra viditelného světla. Je známo, že existují alespoň čtyři integrální membránové proteinové komplexy, kde existuje 5 různých typů cytochromů: a, a3, b, cl a c, klasifikovaných podle vlnových délek spektrálních absorpčních maxim.

Obvykle se nacházejí na vnitřní membráně mitochondrie. Byly však také pozorovány v endoplazmatickém retikulu a chloroplastech, v eukaryotických a prokaryotických organismech.

Představují hemickou protetickou skupinu obsahující železo (Fe). Každý ze známých cytochromů působí v multienzymových komplexech při transportu elektronů v respiračním procesu nebo řetězci.

Cytochromy mají funkci účastní se oxidačně-redukčních reakcí. Redukční reakce, kde přijímají elektrony, se vyskytují odlišně pro každý typ cytochromu a jejich hodnota je určena tokem elektronů v respiračním řetězci.

-Cytochrom c

Jsou známy čtyři třídy cytochromu c, které jsou následující.

Třída I

Do této třídy patří rozpustné cytochromy c (lowspin) s nízkým spinem, přítomné v bakteriích a mitochondriích. Jsou oktaedrální. Hemové vazebné místo je na N-konci histidinu a šestý ligand je dodáván methioninovým zbytkem na C-konci.

Z této třídy lze dokonce rozeznat několik podtříd, jejichž trojrozměrná struktura byla stanovena.

Třída II

V této třídě se nacházejí cytochrom s vysokým spinem a některé cytochromy s nízkým spinem. Ti s vysokou zatáčkou mají vazebné místo blízko C-konce a u těch s nízkou zatáčkou se zdá, že šestý ligand je methioninový zbytek poblíž N konce (N-konec v angličtině). Jsou pentakoordinovány pátým ligandem histidinu.

Třída III

Tato třída je charakterizována prezentací cytochromů c s více hemem (c3 a c7) a nízkým oxidačním redukčním potenciálem, s pouze 30 aminokyselinovými zbytky na skupinu hem. V představitelích této třídy mají skupiny heme c neekvivalentní strukturu a funkce, kromě prezentace různých redoxních potenciálů. Jsou oktaedrální.

Třída IV

Podle některých autorů byla tato třída vytvořena pouze proto, aby zahrnovala komplexní proteiny, které přítomné jiné protetické skupiny, a také heme c nebo flavocytochrom c.

Cytochrom c oxidáza nebo komplex IV

Oxidáza cytochromu c je mitochondriální enzym, který provádí buněčnou dýchání poslední fázi transportu elektronů. Tento enzym katalyzuje transport elektronů z redukovaného cytochromu c do kyslíku.

Některé chemické sloučeniny, jako je kyanid, oxid uhličitý a azid, mohou inhibovat fungování tohoto enzymu a způsobit takzvanou buněčnou chemickou asfyxii. Jiné formy inhibice komplexu IV jsou genetické mutace.

Z evolučního hlediska se cytochrom c oxidáza nachází pouze u aerobních organismů a několik skupin vědců naznačuje, že přítomnost tohoto proteinu naznačuje vývojové vztahy, kde rostliny, houby a také zvířata sdílejí společného předka.

Struktura

Oxidáza cytochromu c tvoří homodimerní komplex, tj. Složený ze dvou podobných monomerů ve vnitřní membráně mitochondrie. Enzymatický komplex sestává ze 3 až 4 podjednotek v prokaryotických organismech a z maximálně 13 (některé naznačují 14) polypeptidy v organismech, jako jsou savci.

V těchto organismech jsou 3 polypeptidy mitochondriálního původu a zbytek pochází z jádra. Každý monomer má 28 transmembránových helixů, které oddělují hydrofilní domény proti membránové matrici a intermembránovému prostoru.

Má jednu katalytickou jednotku, která se nachází ve všech enzymech, které katalyzují oxidační / redukční reakce, za použití molekulárního kyslíku (oxidázy, zejména heme-měď). Komplex obsahuje cytochromy a a a3 spojené podjednotkou I a dvěma měděnými centry.

Má jednu nebo více hemových skupin spojených s okolní proteinovou strukturou jednou nebo více (obvykle dvěma) thioetherovými vazbami. Jiní autoři naznačují, že mezi proteinem mezi porfyrinovým kruhem a dvěma cysteinovými zbytky je kovalentně vázána jedna skupina C hem.

Jediná výše uvedená skupina heme c je obklopena hydrofobními zbytky a je hexacoordinated, s histidinem v poloze 18 polypeptidového řetězce a methioninem v poloze 80.

Cytochrom c oxidáza podjednotka F. Převzato a upraveno: Jawahar Swaminathan a zaměstnanci MSD v Evropském institutu bioinformatiky

Funkce

Oxidázy cytochromu c jsou protagonisty tří hlavních fyziologických mechanismů, které uvidíme níže.

Apoptóza nebo programovaná buněčná smrt

Apoptóza je naprogramovaná destrukce nebo smrt buněk, způsobená samotným organismem a jejímž účelem je kontrolovat růst, vývoj, odstranění poškozených tkání a regulaci imunitního systému. V tomto fyziologickém procesu se cytochrom c oxidáza účastní jako meziprodukt.

Tento protein, uvolňovaný mitochondriemi, vede k interakci s endoplazmatickým retikulem, které způsobuje sekreci nebo uvolňování vápníku. Postupné zvyšování vápníku vyvolává masivní uvolňování oxidázy cytochromu c, dokud není dosaženo cytotoxických hladin vápníku.

Cytotoxické hladiny vápníku a uvolňování cytochromů c způsobují kaskádovou aktivaci několika enzymů kaspázy, které jsou zodpovědné za destrukci buněk.

Regenerace buněk nebo tkání

Několik studií naznačuje, že když je cytochrom c oxidáza vystavena vlnové délce 670 nanometrů, účastní se funkčního komplexu, který proniká poškozenou nebo poškozenou tkání a zvyšuje rychlost regenerace buněk.

Metabolismus energie

Toto je možná nejznámější a nejdůležitější funkce cytochromové oxidázy. Je to právě oxidázový komplex (respiračního řetězce), který je zodpovědný za shromažďování elektronů z cytochromu c a jejich přenos do molekuly kyslíku, čímž se redukuje na dvě molekuly vody.

V souvislosti s tímto procesem dochází k membránové translokaci protonů, což vede k vytvoření elektrochemického gradientu, který komplex ATP syntetázy používá k produkci nebo syntéze ATP (adenosintrifosfát).

Inhibitory

Oxidáza cytochromu c je inhibována různými chemickými sloučeninami a procesy. Způsob, jakým k němu dochází, může nastat jako přirozený způsob regulace produkce nebo působení enzymu nebo může dojít náhodně v důsledku otravy.

V přítomnosti azidu, kyanidu nebo oxidu uhelnatého se k nim váže oxidáza cytochromu c a inhibuje se fungování proteinového komplexu. To způsobuje narušení buněčného respiračního procesu a tím způsobuje chemické udušení buněk.

Další sloučeniny, jako je oxid dusnatý, sirovodík, methanol a některé methylované alkoholy, také způsobují inhibici oxidázy cytochromu c.

Nedostatek

Oxidáza cytochromu c je enzym, který je řízen geny v jádru i mitochondrii. Existují genetické změny nebo mutace, které mohou vést k nedostatku cytochromové oxidázy.

Tyto mutace narušují funkčnost enzymu, protože mění jeho enzymatickou strukturu, což s sebou přináší metabolické poruchy během embryonálního vývoje (podle lidských studií), které později ovlivní organismus v prvních letech jeho života.

Deficit cytochromové oxidázy ovlivňuje tkáně s vysokou energetickou náročností, jako jsou srdce, játra, mozek a svaly. Příznaky těchto mutací se projevují před dvěma lety života a mohou se projevit jako silné nebo mírné podmínky.

Mírné příznaky lze pozorovat i krátce po prvním roce věku a jedinci s nimi mají obvykle pouze snížené svalové napětí (hypotonii) a svalovou atrofii (myopatii).

Na druhé straně jedinci se silnějšími příznaky mohou mít svalovou atrofii a encefalomyopatii. Jiné stavy způsobené nepřítomností oxidázy cytochromu c jsou hypertrofická kardiomyopatie, patologické zvětšení jater, Leighův syndrom a laktátová acidóza.

Použití ve fylogenii

Fylogeneze je věda, která je zodpovědná za studium původu, formování a evolučního vývoje organismů z hlediska předků-potomků. V posledních desetiletích byly fylogenní studie s molekulární analýzou stále častější, přinášely spoustu informací a řešily taxonomické problémy.

V tomto smyslu některé fylogenetické studie naznačují, že použití cytochromových oxidáz může pomoci navázat vývojové vztahy. Je tomu tak proto, že tento proteinový komplex je vysoce konzervovaný a je přítomen v celé řadě organismů, od jednobuněčných protistů až po velké obratlovce.

Příkladem jsou zkoušky prováděné na lidech, šimpanzích (Pan paniscus) a makakech rhesus (Macaca mulatta). Tyto testy odhalily, že molekuly lidské a šimpanze cytochromové oxidázy cytochromu c byly identické.

Ukázalo se také, že molekuly cytochromové oxidázy makaka Rhesus se lišily o jednu aminokyselinu od molekul prvních dvou, čímž znovu potvrdily vztahy předků a potomků mezi šimpanzy a lidmi.

Reference

1. RP Ambler (1991). C. Variabilita sekvence bakteriálních cytochromů Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika.
2. Cytochrom c. Obnoveno z newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Biologické role cytochromu c: mitochondriální transport elektronů, programovaná buněčná smrt a zisk v peroxidové aktivitě. Annals lékařské fakulty.
4. Podjednotka cytochromové oxidázy I. Získaná z ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong a B. Yidong (2007). Cytochrom c oxidáza podjednotka IV je nezbytná pro sestavení a respirační funkci enzymového komplexu. Žurnál bioenergetiky a biomembrány.
6. Genová skupina: mitochondriální komplex IV: podjednotky cytochromové oxidázy (COX, MT-CO). Obnoveno z genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Objev cytochromu. Biochemická výchova.
8. Oxidáza cytochromu c, nedostatek…. Obnoveno z adresy ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde a KG Ahern (2002). Biochemie. 3. vydání. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.