Citocrom c-oxidaza

Citocrom c-oxidaza ( citocrom oxidaza ) sau citocrom c-oxigen:oxidoreductaza , cunoscută și sub denumirea de citocrom aa 3 și complex IV , este o oxidază  terminală a lanțului respirator aerob de transport de electroni care catalizează transferul de electroni de la citocromul c la oxigen pentru a se forma apă [1] . Citocrom oxidaza este prezentă în membrana mitocondrială interioară a tuturor eucariotelor , unde este denumită în mod obișnuit complexul IV, precum și în membrana celulară a multor bacterii aerobe [2] .

Complexul IV oxidează secvenţial patru molecule de citocrom c şi, acceptând patru electroni, reduce O 2 la H 2 O. Când O 2 este redus, patru H + sunt captate din matricea mitocondrială pentru a forma două molecule de H 2 O şi încă patru H . + sunt pompate în mod activ prin membrană . Astfel, citocrom oxidaza contribuie la crearea unui gradient de protoni pentru sinteza ATP și face parte din calea de fosforilare oxidativă [3] . În plus, acest complex multiproteic joacă un rol cheie în reglarea activității întregului lanț respirator și a producției de energie de către celula eucariotă [4] .

Istoria studiului

Citocrom oxidaza a fost descoperită de medicul și om de știință irlandez C. A. McMann , care în 1885 a descris modificări reversibile ale spectrului de absorbție la o lungime de undă de 605 nm care apar în timpul oxidării în celulele animale, care este o semnătură spectrală caracteristică a citocrom oxidazei. Cu toate acestea, munca sa a fost criticată de influenții fiziologi Goppe-Seyler și Levy, care au postulat că McMann observa pur și simplu absorbția produselor de descompunere a hemoglobinei . Drept urmare, cercetările asupra acestei enzime au încetat timp de mai bine de 30 de ani, până când Hans Fischer a confirmat rezultatele lui McMann în 1923 [5] [6] [7] .

Cercetările ulterioare asupra acestei enzime au fost continuate de omul de știință german Otto Warburg . În munca sa, el a inhibat respirația într-o suspensie de drojdie cu CO și apoi a obținut spectre de absorbție prin eliminarea inhibiției prin iradierea cu un fascicul de lumină coerent cu lungimi de undă diferite . Din datele obținute a rezultat că enzima inhibată  este o hemoproteină în care hemul este în complex cu CO [8] [9] . Warburg a conectat o proteină nouă, necunoscută, cu funcția respirației celulare și i-a aplicat termenul Atmungsferment sau „enzimă respiratorie”, pe care a folosit-o din 1924. Lucrarea a fost publicată în 1929, iar în 1931 Warburg a primit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină pentru aceasta cu formularea „pentru descoperirea naturii și mecanismului de acțiune al enzimei respiratorii” [5] .

O contribuție semnificativă la înțelegerea naturii complexului IV a fost adusă de omul de știință britanic David Keilin . În 1939, în colaborare cu E. F. Hartree, a descoperit un citocrom necunoscut anterior, numit 3 , care avea capacitatea de a oxida citocromul c . Noul citocrom a avut același spectru de absorbție ca și misterioasa enzimă respiratorie Warburg și a fost, de asemenea, inhibat de CO și KCN [10] . În lucrarea sa, Kaylin a inventat numele de citocrom c-oxidază, propus de Malcolm Dixon în 1928 [11] . Warburg și Kaylin au argumentat mult timp despre natura ciocrom oxidazei: Warburg credea că numai fierul poate fi un cofactor pentru această enzimă , în timp ce Kaylin credea că este o proteină care conține cupru . Pe măsură ce anii au trecut, s-a dovedit că ambii mari oameni de știință au avut dreptate: citocrom oxidaza conține atât hem care conține fier, cât și atom de cupru [12] .

Mecanismul legării oxigenului de către citocrom oxidază a fost studiat de biochimistul american Britton Chance , care la mijlocul anilor 1970, folosind tehnici avansate de RMN și spectroscopie la temperaturi scăzute, a descoperit un complex enzimatic- substrat de citocrom oxidază, un aduct al hem a 3 cu oxigen molecular [11] .

În 1977, omul de știință finlandez Martin Wikström a arătat că citocrom oxidaza pompează protoni prin membrană în cursul activității sale [13] , ceea ce pentru o lungă perioadă de timp nu a putut fi acceptat de creatorul ipotezei chemiosmotice , Peter Mitchell . Cu toate acestea, acumularea de date experimentale a mărturisit în favoarea dreptății lui Wikström, iar mai târziu Mitchell și-a recunoscut greșeala [5] [14] .

Primele încercări de a izola enzima au fost făcute începând cu anul 1941: din moment ce nu fuseseră încă dezvoltate proceduri pentru izolarea proteinelor mari de membrană, a trebuit să se facă încercări și erori. Procedurile timpurii de izolare au folosit săruri biliare , care au cauzat pierderi mari de activitate. Apariția detergenților neionici precum Triton X-100 a provocat un nou boom în acest domeniu din 1966 până în 1974 și a făcut posibilă obținerea primelor preparate pure [15] . Prima structură tridimensională cu rezoluție atomică a complexului a apărut puțin mai târziu, în 1995 [5] .

Organizarea structurală a Complexului IV

Complexul IV din mitocondriile mamiferelor și păsărilor [16] este format din 13 subunități proteice , dintre care trei au activitate catalitică, leagă cofactori și sunt codificate de gene mitocondriale (excepția este subunitatea III la Chlamydomonas reinhardtii și Polytomella sp , care este codificată în nucleu [17 ] ). Cele zece subunități rămase sunt codificate în ADN-ul nucleului [18] [19] . În 2012 a fost raportată descoperirea subunității a 14-a [20] , dar ulterior a fost infirmată [21] . În membrana mitocondrială, complexul există ca homodimer , fiecare monomer constând din 13 subunități. Greutatea moleculară a unui astfel de dimer izolat din mitocondriile bovine este de aproximativ 350 kDa [22] . Puținii monomeri găsiți în membrană au o activitate catalitică de două ori mai mare [16] .

La S. cerevisiae , complexul IV este format din doar 11 subunități, dar subunitățile lipsă din complexul bovin sunt proteine ​​mici periferice, astfel încât citocrom oxidaza de drojdie nu este semnificativ diferită de cea la mamifere [23] [19] . Se știe mult mai puțin despre complexul IV din plante și până în prezent rămâne unul dintre cele mai neexplorate complexe ale mitocondriilor vegetale. Experimente recente pentru a-l izola de Arabidopsis și a-l studia prin electroforeză albastră nativă au arătat că pare să fie compus din opt subunități similare cu cele ale complexului IV al altor eucariote și șase subunități suplimentare specifice plantelor. O separare mai puțin precisă a complexului IV de cartofi și fasole a dat un model de bandă similar cu cel al Arabidopsis: se poate spune cu siguranță că complexul lor IV este format din cel puțin 9-10 subunități [24] . Complexele bacteriene există în membrană ca monomeri și constau din 3-4 subunități , dintre care trei sunt omoloage cu trei subunități eucariote codificate în mitocondrii [22] [19] [4] .

Subunități

Trei subunități mari ale complexului (I-III), omoloage celor bacteriene, poartă toți cofactorii necesari și realizează principalele reacții de cataliză asociate, printre altele, cu transferul de protoni. Subunitățile nucleare mici situate la periferie nu participă la acest proces. În prezent, funcțiile specifice sunt cunoscute doar pentru patru subunități nucleare (IV, Va, VIa-L, VIa-H), dar este evident că toate joacă un rol în asamblarea, dimerizarea și reglarea activității complexului. [23] . Miezul complexului IV are o activitate catalitică extrem de ridicată, care este suprimată de subunitățile nucleare auxiliare strâns asociate cu acesta, ceea ce este deosebit de important pentru reglarea întregii respirații în ansamblu. La vertebrate, multe dintre aceste subunități sunt reprezentate de mai multe izoforme specifice țesutului , fiecare codificată de o genă separată . Expresia fiecărei izoforme depinde de tipul de țesut , de stadiul de dezvoltare a organismului și se poate modifica în funcție de condițiile externe, ceea ce vă permite să reglați în mod clar aprovizionarea cu energie a diferitelor organe și țesuturi [16] .

Apariția unei largi varietati de subunități nucleare după duplicarea la nivelul genomului la vertebrate coincide aproximativ cu pierderea unei oxidaze alternative , care a oferit o cale alternativă pentru electroni la oxigen, ocolind complexul IV. Rolul acestor subunități a crescut în special deoarece celulele de mamifere și-au pierdut capacitatea de a comuta între diferite oxidaze terminale, așa cum se întâmplă la procariote. De exemplu, E. coli are două chinonooxidaze terminale; la conținut normal de oxigen, exprimă predominant citocromul bo 3 , iar la conținut scăzut de oxigen trece la citocromul bd , care are o afinitate crescută pentru oxigen, dar nu pompează protoni. Evident, în asemenea condiții, subunitățile nucleare și-au asumat funcția de a controla activitatea tuturor fosforilării oxidative în funcție de nivelul de oxigen [25] .

Subunitatea Va leagă în mod specific hormonul tiroidian 3,5-diiodotironina , dar nu interacționează cu tiroxina sau triiodotironina . Ca urmare a acestei interacțiuni, complexul IV încetează să fie inhibat alosteric de către ATP. Acest mecanism explică efectul stimulator pe termen scurt al hormonilor tiroidieni asupra metabolismului mamiferelor [26] [16] .

La mamifere, subunitatea IV-2 este exprimată în principal în creier și plămâni , iar în alte țesuturi sinteza sa este indusă în condiții hipoxice . La pești, această izoformă este mai puternic exprimată în branhii [25] . Deși toate vertebratele au o copie a ambelor izoforme ale subunității IV, activarea expresiei IV-2 ca răspuns la lipsa de oxigen are loc numai la mamifere și este absentă la pești și reptile , iar la păsări gena COX4-2 care codifică izoforma IV-2. nu este funcțional [27] . Soarecii knockout pentru gena IV-2 au avut dificultăți în contractarea căilor respiratorii , niveluri reduse de ATP în plămâni și, odată cu vârsta, au apărut patologii ale sistemului respirator, inclusiv cristale Charcot-Leiden . Aceste date experimentale indică importanța izoformei IV-2 pentru funcționarea normală a plămânilor mamiferelor [16] .

Pentru subunitățile VIa-L și VIa-H, a fost posibilă determinarea unor funcții specifice. S-a dovedit că capacitatea de pompare a protonilor (H + /e - stoichiometria ) a complexului rinichi - ficat a scăzut de la 1 la 0,5 la concentrații scăzute de acid palmitic liber , ceea ce nu a apărut cu complexul IV inimă - mușchi care conține VIa-H. izoformă. Semnificația fiziologică ipotetică a acestui proces este de a îmbunătăți termogeneza și de a menține temperatura corpului în toate țesuturile, cu excepția mușchilor, ca răspuns la palmitatul liber. Subunitatea VIa-H din inimă și mușchi stimulează activitatea complexului prin legarea ADP și invers, reduce stoichiometria H + /e - la un raport ridicat ATP/ADP. Semnificația fiziologică a acestei caracteristici este de a crește termogeneza în mușchi în timpul somnului sau al odihnei, când consumul de ATP este redus, iar raportul ATP/ADP rămâne ridicat. Subunitatea VIa-H este absentă la pești [16] .

Cofactori

Cofactorii complexi IV sunt localizați pe două unități mari, I și II, încorporate în membrană. Subunitatea I formează douăsprezece elice α transmembranare și conține trei centri redox: hem a ( potențial redox + 0,22 V [1] ) și așa-numitul centru binuclear a 3 -Cu B , care include hem a 3 și un atom de cupru CuB . Hema a și a 3 sunt identice din punct de vedere chimic , dar fierul din hema a are șase coordonate, deoarece formează șase legături de coordonare cu cei patru atomi de azot ai inelelor pirol și doi atomi de azot ai resturilor de histidină din apropiere , în timp ce în hema a 3 formează. doar cinci legături de coordonare, făcând a șasea legătură disponibilă pentru a se lega cu oxigenul molecular . Opus fierului hem a 3 este un atom de cupru Cu B legat cu trei resturi de histidină. Deși nu există elemente de legare între fierul și cuprul centrului binuclear, între ele se observă o puternică conjugare antiferomagnetică [28] . Potențialul redox al centrului binuclear este de aproximativ +0,24 V [1] .

Studiile cristalografice au relevat o modificare post-translațională neobișnuită a subunității I: histidina-240 [K 3] este legată covalent prin atomul său de azot în poziția tau de metacarbonul inelului benzenic al tirozinei - 244. Acest reziduu de tirozină furnizează un electron și un proton pentru a reduce oxigenul pentru a forma un radical neutru . În plus, legătura covalentă creează un inel pentameric de aminoacizi , al cărui reziduu de glutamat este o componentă importantă a transportului de protoni [23] .

Subunitatea II are un centru Cu A ( potențial redox = − 0,70 V [1] ), care constă din doi atomi de cupru legați direct printr-o legătură covalentă. Este legat cu șase resturi de aminoacizi: două resturi de cisteină , două resturi de histidină, un reziduu de metionină și o peptidă carboxil a acidului glutamic . Funcționează ca purtător de un electron [28] .

Analiza difracției cu raze X și mutageneza site-specifică a subunității I au dezvăluit căile prin care protonii pot pătrunde în complex și traversează membrana. Aceste căi sunt numite canale D, K și H. Canalele căptușite cu reziduuri de aminoacizi polari dețin un număr diferit de molecule de apă. Ionul Mg 2+ găsit în complex poate fi exact ceea ce este necesar pentru a stabiliza aceste molecule. Se presupune că canalul K conectează faza apoasă a matricei cu centrul binuclear și servește pentru a furniza protonii „substrat” necesari pentru formarea apei din oxigen. Canalul D pare să formeze o cale de trecere și atât protonii „substrat”, cât și protonii pompați prin membrană pot trece prin el. La eucariote, s-a găsit un canal H suplimentar, care este probabil și de la capăt la capăt [23] [29] .

Reacție

Reacția globală catalizată de complex este descrisă de următoarea ecuație:

Calea unui electron în complex este cunoscută. Citocromul c se leagă de subunitatea II mediată de subunitățile I, III și VIb și restabilește centrul Cu A situat lângă suprafața membranei. Din centrul Cu A , electronul se îndreaptă către hem a și apoi către centrul binuclear a 3 -Cu B situat în grosimea membranei. În centrul binuclear se leagă O 2 și se reduce la H 2 O [3] . Deoarece oxigenul are o mare afinitate electronică, eliberează o cantitate mare de energie liberă în procesul de reducere la apă . Datorită acestui fapt, organismele aerobe sunt capabile să primească mult mai multă energie decât poate fi produsă exclusiv prin mijloace anaerobe .

Mecanism de reducere a oxigenului

Mecanismul de reducere a oxigenului a fost mult timp subiectul unui studiu intens, dar nu este complet clar. Ciclul catalitic al citocrom oxidazei constă din șase etape, notate cu A (aduct, English  Adduct ) [30] , P (peroxi intermediar din engleză  Peroxy intermediate ), F (ferryloxo intermediate din engleză  Ferryl-oxo intermediate ) [30] , O H (stare de înaltă energie total oxidată din limba engleză  Fully-oxidized high-energy state ), E (stare redusă cu un electron din engleză Stare redusă cu  un electron ) și R (stare redusă din engleză  stare redusă ) și așa numite după starea centrului binuclear [31 ] . Trebuie remarcat faptul că nomenclatura stărilor catalitice este considerabil depășită, nu reflectă întotdeauna starea chimică reală a centrului binuclear și este reținută în mare parte din motive istorice. De exemplu, în stadiul P , oxigenul din centrul binuclear nu este deloc sub formă de peroxid , așa cum se credea acum 30 de ani, ci în stare oxoferil, unde legătura dintre atomii de oxigen este deja ruptă [30] . Conform conceptelor moderne, reducerea oxigenului în citocrom c oxidaza are loc prin reducerea rapidă și completă cu transfer de electroni în perechi, ceea ce exclude formarea speciilor reactive de oxigen . Următoarea secvență de evenimente are loc [30] [32] [33] :

• A Un centru binuclear complet redus leagă rapid O 2 pentru a forma un aduct de oxigen, ceea ce duce la rearanjamente conformaționale (indicate de săgeți negre subțiri).
• P M Există un transfer rapid de patru electroni la oxigen: doi sunt furnizați de fier hem a 3 (Fe II → Fe IV ), altul este situat în apropiere de Cu B (Cu I → Cu II ), iar al patrulea provine de la reziduu de tirozină-244, dă, de asemenea, protonul necesar pentru a rupe legătura dublă O2 . Radicalul neutru de tirozină rezultat este redus la starea de anion în detrimentul unui electron din citocromul c .
• P R Protonația Cu(II)-OH − are loc odată cu formarea unei molecule de apă.
• F Molecula de apă rezultată se leagă de legătura de coordonare Cu B. Fierul Fe (IV) \u003d O 2- este redus la Fe III , iar oxigenul asociat cu acesta este protonat. Prima moleculă de apă este eliberată.
• O H Anionul tirozină este protonat, iar Cu B este redus la Cu I în detrimentul unui electron din citocromul c .
• E H Fierul este redus la Fe II , după care gruparea OH asociată cu acesta este protonată pentru a forma o a doua moleculă de apă.
• R În această stare, centrul binuclear este complet redus și complexul este gata să lege o nouă moleculă de oxigen.

Mecanism de transport de protoni

Se știe că citocrom oxidaza eucariotă transferă un proton prin membrană pentru fiecare electron primit de la citocromul c . La un moment dat, complexul pompează un proton „substrat”, folosit pentru a forma apă, prin canalul K și transferă un proton suplimentar prin membrană prin canalul D. În timpul unui ciclu catalitic, evenimentul de translocare are loc în patru etape relativ stabile: P M , F , OH și E H . _

Mecanismul exact al transportului protonilor nu este încă clar: în ultimii ani au fost propuse multe modele în care s-au încercat descrierea în detaliu a acestui proces [33] . De asemenea, nu este clar cum se realizează conjugarea energiei electronilor cu mișcarea protonilor. Cu toate acestea, în general, poate fi descris după cum urmează [31] :

1. În etapa inițială a ciclului, canalele de protoni ale complexului sunt închise, apoi citocromul c transferă un electron în centrul Cu A.
2. Electronul se deplasează rapid din centrul Cu A la hema a , ceea ce duce la o modificare a potențialului redox și determină reorientarea moleculelor de apă din canalul D, făcându-l deschis către un proton. Ca rezultat al mutarii unui electron de la Cu A la hema a , un proton se deplaseaza prin canalul D si este incarcat in locul de incarcare a protonilor PLS . 
3. Electronul trece la centrul binuclear la hem a 3 , în urma căruia un proton substrat intră prin canalul K. În același timp, protonul din PLS experimentează o creștere semnificativă a acidității sale (de la pK=11 la pK=5).
4. În etapa finală a ciclului, protonul preîncărcat în PLS este ejectat, după cum se crede, din cauza repulsiei electrostatice din protonul substratului, care participă la reducerea oxigenului în centrul binuclear.

Reglementare și asamblare

Biogeneza complexului IV este un proces foarte complex și bine reglat, care a făcut obiectul unui studiu intens de mult timp. Asamblarea complexului implică mai mult de douăzeci de factori auxiliari codificați în nucleu, precum și proteine ​​care inserează hemi a , a 3 și atomi de cupru în el. Aceasta include, de asemenea, cel puțin 15 proteine ​​activatoare de translație ale subunităților mitocondriale responsabile pentru transcrierea și splicing corecte a ARNm și activarea translației , translocaze speciale necesare pentru transportul subunităților nucleare în mitocondrii, precum și enzime pentru biosinteza cofactorilor [34] . Pe lângă factorii speciali de asamblare, biogeneza complexului IV necesită un număr considerabil de proteine ​​cu specificitate ridicată, inclusiv peptidaze dependente de ATP responsabile de procesarea propeptidelor [16] .

Reglarea post-translațională a activității complexului IV nu este mai puțin complexă și se realizează prin multe moduri diferite. Acestea includ fosforilarea subunităților , legarea reversibilă a unor subunități periferice, reglarea prin utilizarea anumitor izoforme ale subunităților nucleare, care depinde de stadiul de dezvoltare și tipul de țesut, reglarea alosterică de către ATP și ADP la zece locuri de legare (în citocrom oxidaza de mamifer) , complex de mono- și dimerizare, precum și interacțiunea acestuia cu alte complexe respiratorii cu formarea de respirase [16] .

Fosforilarea subunităților complexului este de o importanță deosebită, deoarece își leagă activitatea cu acțiunea cascadelor reglatoare ale celulei și activitatea ciclului Krebs . Fosforilarea și defosforilarea provoacă efecte precum eliberarea inhibiției prin ATP în perioadele de stres sau declanșarea apoptozei . În total, în complex au fost găsite 18 poziții pentru fosforilare, dar funcția exactă de fosforilare pentru fiecare dintre aceste poziții nu a fost determinată [16] .

Poziția în sistemul de clasificare a proteinelor

Citocrom oxidaza aparține superfamiliei proteice a oxidoreductazelor hem-cupru (în clasificarea enzimelor a fost transferată în clasa 7 - translocaze), care include majoritatea oxidazelor terminale cunoscute în prezent , precum și reductazele ale oxidului nitric (II). ) , care catalizează reducerea cu doi electroni a NO la N 2 O pentru a forma apă. Toți reprezentanții acestei superfamilii sunt caracterizați prin prezența subunității I cu o structură terțiară conservatoare , un hem cu spin scăzut și un centru binuclear dintr-un atom de cupru și un hem cu spin înalt. Membrii superfamiliei sunt împărțiți în familii în funcție de tipul de hem, prezența cofactorilor suplimentari, secvența de aminoacizi, structura terțiară și numărul de subunități, tipul de substrat care este oxidat și structura canalelor de transfer de protoni sau absența acestora. [35] . Prezența unor subunități suplimentare care transportă hemi sau atomi de metal suplimentari (sau absența completă a acestora) permite acestor enzime să primească electroni de la diferite tipuri de substraturi: diferiți purtători membranari, cum ar fi chinone , citocromi solubili în apă sau proteine ​​albastre care leagă cuprul . 36] .

Familia A este cea mai mare și mai studiată familie dintre toate hem oxidoreductazele de cupru. Se caracterizează prin compoziția hemilor de tip aa 3 sau caa 3 . Reprezentanții acestei familii constau de obicei din trei subunități: I, II și III, care sunt omoloage cu subunitățile membrului tipic al familiei, citocrom c oxidaza mitocondrială. Ei posedă cel puțin două canale de protoni, D și K, și translocă protonii cu stoichiometria H + /e - . Citocrom c oxidaza de mamifer aparține subfamiliei A 1 , împreună cu P. denitrificans și R. sphaeroides [37] citocrom oxidaze .

Oxidazele din familia B sunt formate din trei subunități: I, II și IIa. Subunitatea IIa este singurul lanț transmembranar similar ca structură cu cel de-al doilea lanț transmembranar al subunității II din familia A. Au doar un canal alternativ de protoni K, stoichiometria de transfer de protoni este de 0,5-0,75 H + /e - [36] [38] [ 39] . Un set de hemi de tipul ba 3 , b(o)a 3 și aa 3 [35] este caracteristic .

Familia C include doar oxidaze terminale de tip cbb 3 . Au o subunitate suplimentară care poate lega unul sau doi hemi c [35] . Aceasta este a doua familie ca mărime de oxigen reductaze (24%) după familia A (71%) [36] . Există un canal alternativ K, care diferă ca structură de canalul K al reductazelor din familia B. Stoichiometria transferului de protoni este 0,2-0,4 H + /e - , dar conform altor date 0,6-1 [35] . Această familie se găsește numai printre bacterii, deoarece majoritatea arheilor nu pot sintetiza hem c [36] .

Pe baza analizei bioinformatice, s-a propus izolarea familiilor mici D, E, F, G și H, care sunt reprezentate doar în arhee și sunt extrem de diverse. În sistemul clasic, toate aceste familii sunt incluse în familia B, dar diversitatea mare a structurii lor primare vorbește în favoarea separării lor în familii separate [36] .

Distribuție intracelulară

Trei subunități de bază ale citocromului c oxidazei codificate în genomul mitocondrial au fost găsite recent în afara mitocondriilor. Au fost găsite în granule zimogene de acini pancreatici . Concentrații relativ mari ale acestor subunități au fost găsite în granulele secretoare împreună cu hormonul de creștere în hipofizarul anterioară [40] . Funcțiile acestor subunități în afara mitocondriilor nu au fost încă determinate. Pe lângă subunitățile citocrom c oxidazei, multe alte proteine ​​mitocondriale au fost găsite în afara mitocondriilor [41] [42] . În legătură cu aceste constatări, a fost înaintată o ipoteză cu privire la existența unui mecanism necunoscut pentru transportul proteinelor din mitocondrii în alte compartimente celulare [40] [42] [43] .

Inhibitori

Cianurile , sulfurile , azidele , monoxidul de carbon și monoxidul de azot [44] se leagă de centrul binuclear oxidat sau redus al enzimei și concurează cu oxigenul, inhibând enzima, ceea ce duce la moartea celulelor prin asfixie chimică . Metanolul , care face parte din alcoolul industrial , este transformat în organism în acid formic , care poate inhiba și citocrom oxidaza [45] .

Implicații clinice și practice

Mutațiile care afectează activitatea enzimatică sau structura citocromului c oxidazei duc la tulburări metabolice severe și de obicei fatale. Astfel de tulburări apar de obicei în copilăria timpurie și afectează predominant țesuturile cu consum mare de energie ( creier , inimă, mușchi). Dintre numeroasele boli mitocondriale , bolile asociate cu disfuncția sau asamblarea anormală a citocrom oxidazei sunt considerate cele mai severe [46] .

Marea majoritate a disfuncțiilor citocrom oxidazei sunt asociate cu mutații ale factorilor de asamblare ai acestui complex codificat în nucleu. Acestea asigură asamblarea și funcționarea corectă a complexului și sunt implicate în mai multe procese vitale, inclusiv transcrierea și translația subunităților mitocondriale, procesarea propeptidelor și încorporarea lor în membrană, precum și biosinteza cofactorilor și fixarea lor în complex [47]. ] .

Până în prezent, au fost identificate mutații în șapte factori de asamblare: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 și LRPRRC . Mutațiile acestor proteine ​​pot duce la modificări în funcționarea complexului, asamblarea necorespunzătoare a subcomplexelor, întreruperea transportului cuprului sau reglarea translației. O mutație în fiecare dintre gene este asociată cu etiologia unei anumite boli, dintre care unele pot duce la mai multe tulburări. Astfel de tulburări genetice includ sindromul Leigh , cardiomiopatia , encefalopatia , leucodistrofia , anemia și hipoacuzia senzorineurală [47] .

Histochimie

Colorarea histochimică a complexului IV este utilizată pentru a mapa zonele active metabolic ale creierului animalelor, deoarece există o relație directă între activitatea acestei enzime și activitatea întregului neuron [48] . O astfel de cartografiere a fost efectuată pe șoareci mutanți cu diferite afecțiuni ale cerebelului , în special pe șoareci din linia reeler [49] și pe un model transgenic al bolii Alzheimer [50] . Această tehnică a fost, de asemenea, folosită pentru a mapa zonele din creierul animalului care sunt active în timpul învățării [51] .

Cod de bare ADN

Secvența regiunii genei subunității I citocrom c oxidazei (lungime de aproximativ 600 de nucleotide) este utilizată pe scară largă în proiecte legate de codarea de bare ADN  , adică pentru a determina dacă un organism aparține unui anumit taxon pe baza markerilor scurti din ADN-ul său [52] [53] .

Vezi și

• Complexul NADH dehidrogenază
• Succinat dehidrogenază
• Complexul citocrom-b6f
• Complexul citocrom-bc1
• Respirasome

Note

1. ↑ În acest caz, se folosește nomenclatura lui Kadenbach, care este acceptată pentru toate mamiferele.
2. ↑ Dacă nu este menționat altfel, subunitatea este exprimată în toate țesuturile.
3. ↑ După numerotarea complexului urcarea IV.

Surse

1. ↑ 1 2 3 4 Ermakov, 2005 , p. 243.
2. ↑ Elena A. Gorbikova, Ilya Belevich, Mårten Wikström și Michael I. Verkhovsky. Donatorul de protoni pentru scisiunea legăturii OGraphicO de către citocrom c oxidază  (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 12 martie 2008. - Vol. 105 , nr. 31 . - P. 10733-10737 . - doi : 10.1073/pnas.0802512105 .
3. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , p. 244.
4. ↑ 1 2 Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras, Lawrence I. Grossman. Citocrom c oxidaza: Evoluția controlului prin adăugarea subunității nucleare  (engleză)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics : journal. - aprilie 2012. - Vol. 1817 , nr. 4 . - P. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 . — PMID 21802404 .
5. ↑ 1 2 3 4 Hartmut Michel. Structura și mecanismul enzimei respiratorii a lui Otto Warburg, citocromul cu oxidază  (engleză) (2013). Data accesului: 18 februarie 2016.
6. ↑ Thomas L. Mason și Gottfried Schatz. Citocrom cu oxidază din drojdia de panificație II. SITE OF TRANSLATION OF THE PROTEIN COMPONENTS  (engleză)  // The Journal of Biological Chemistry  : journal. - 25 februarie. - Vol. 248 . - P. 1355-1360 .
7. ↑ David Kelin. Istoria respirației celulare și a citocromului . — Cambridge University Press, 1966.
8. ↑ William W. Parson. Spectroscopie optică modernă cu exerciții și exemple din biofizică și biochimie . - Springer, 2009. - ISBN 978-3-662-46777-0 .
9. ↑ Warburg, Otto Heinrich. Atmungsferment und Oxydasen  //  Biochemische Zeitschrift : jurnal. - 1929. - Vol. 214 . - P. 1-3 .
10. ↑ D. Keilin, E. F. Hartree. Citocrom și citocrom oxidază  (engleză)  // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences  : journal. - 18 mai 1939. - Vol. 127 . - P. 167-191 . - doi : 10.1098/rspb.1939.0016 .
11. ↑ 1 2 Mårten Wikström. Intermediari de situs activ în reducerea O2 de către citocrom oxidază și derivații acestora  //  Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - aprilie 2012. - Vol. 1817 , nr. 4 . - P. 468-475 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2011.10.010 .
12. ↑ Oxidari biologice:34. Colocviu - Mosbach / Editat de H. Sund și V. Ullrich. — Berlin; Heidelberg; New York Tokyo: Springer-Verlag, 1983. - P. 191. - ISBN 978-3-642-69469-1 .
13. ↑ Mårten KF Wikström. Pompă de protoni cuplată la citocrom c oxidază din mitocondrii.  (engleză)  // Natura: jurnal. - 1977 martie 17. - Vol. 266 . - P. 271-273 . - doi : 10.1038/266271a0 .
14. ↑ Peter R. Rich. O perspectivă asupra lui Peter Mitchell și a teoriei chemiosmotice  (engleză)  // J Bioenerg Biomembr : journal. - 2008. - Vol. 40 . - P. 407-410 . - doi : 10.1007/s10863-008-9173-7 .
15. ↑ R. Grigore. Chimia biofizică a reacțiilor cu dioxigen în respirație și fotosinteză / Editat de Tore Vänngård. - Cambridge, Marea Britanie: Cambridge University Press, 1988. - P. 36. - ISBN 0-521-36604-6 .
16. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bernhard Kadenbacha, Maik Hüttemannb. Compoziția și funcția subunității citocromului c oxidazei de mamifere  (engleză)  // Mitocondrion : jurnal. - 2015. - Septembrie ( vol. 24 ). - P. 64-76 . - doi : 10.1016/j.mito.2015.07.002 . — PMID 26190566 .
17. ↑ Pérez-Martínez, X., Funes, S., Tolkunova, E., Davidson, E., King, MP, González-Halphen, D. Structure of nuclear-localized cox3 genes in Chlamydomonas reinhardtii and in its colorless close relative Polytomella sp  (engleză)  // Current Genetics: journal. - 2002. - Vol. 40 , nr. 2 . - P. 399-404 . - doi : 10.1007/s00294-002-0270-6 . — PMID 11919679 .
18. ↑ Taanman JW Citocrom c oxidaza umană: structură, funcție și deficiență. (engleză)  // J Bioenerg Biomembr. : jurnal. - 1997. - Vol. 29 , nr. 2 . - P. 151-163 . — PMID 9239540 .
19. ↑ 1 2 3 4 Ileana C. Sotoa, Flavia Fontanesib, Jingjing Liua, Antoni Barrientosa. Biogeneza și asamblarea citocromului eucariotic cu miez catalitic de oxidază  (engleză)  // et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - 2012. - iunie ( vol. 1817 , nr. 6 ). - P. 883-897 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.005 . — PMID 21958598 .
20. ↑ Balsa E., Marco R., Perales-Clemente E., Szklarczyk R., Calvo E., Landázuri MO, Enríquez JA NDUFA4 este o subunitate a complexului IV al lanțului de transport de electroni al mamiferelor  (engleză)  // Cell Metab. : jurnal. - 2012. - Septembrie ( vol. 16 , nr. 3 ). - P. 378-386 . - doi : 10.1016/j.cmet.2012.07.015 . — PMID 22902835 .
21. ↑ Bernhard Kadenbacha, Maik Hüttemannb. Compoziția și funcția subunității citocromului c oxidazei de mamifere  (engleză)  // Mitocondrion : jurnal. - 2015. - Septembrie ( vol. 15 ). - P. 64-76 . - doi : 10.1016/j.mito.2015.07.002 . — PMID 26190566 .
22. ↑ 1 2 Sone N., Takagi T. Structura monomer-dimer a citocrom-c oxidazei și complexul citocrom bc1 din bacteria termofilă PS3. (engleză)  // Biochim Biophys Acta : jurnal. - 1990. - noiembrie ( vol. 1020 , nr. 2 ). - P. 207-212 . - doi : 10.1016/0005-2728(90)90052-6 . — PMID 2173952 .
23. ↑ 1 2 3 4 5 Amandine Maréchala, Brigitte Meunierb, David Leea, Christine Orengoa, Peter R. Richa. Citocrom c oxidaza de drojdie: un sistem model pentru studiul formelor mitocondriale ale superfamiliei hem-oxidază de cupru  (engleză)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - 2012. - Aprilie ( vol. 1817 , nr. 4 ). - P. 620-628 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.08.011 . — PMID 21925484 .
24. ↑ A. Harvey Millar, Holger Eubel, Lothar Jansch, Volker Kruft, Joshua L. Heazlewood, Hans-Peter Braun. Citocromul mitocondrial cu complexe de oxidază și succinat dehidrogenază conțin subunități specifice plantelor.  (Engleză)  // Plant Mol Biol: jurnal. - 2004. - Septembrie ( vol. 56 , nr. 1 ). - P. 77-90 . — PMID 15604729 .
25. ↑ 1 2 Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras, Lawrence I. Grossman. Citocrom c oxidaza: Evoluția controlului prin adăugarea subunității nucleare. (Engleză)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - aprilie 2012. - Vol. 1817 , nr. 4 . - P. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 .
26. ↑ Arnold S., Goglia F., Kadenbach B. 3,5-Diiodotironina se leagă de subunitatea Va a citocrom-c oxidazei și elimină inhibarea alosterică a respirației de către ATP. (engleză)  // Eur J Biochem. : jurnal. - 1998. - Vol. 252 , nr. 2 . - P. 325-330 . - doi : 10.1046/j.1432-1327.1998.2520325.x . — PMID 9523704 .
27. ↑ KM Kocha, K. Reilly, DSM Porplycia, J. McDonald, T. Snider, CD Moyes. Evoluția sensibilității la oxigen a subunității 4 de citocrom c oxidază  // American Physiological  Society : jurnal. - februarie 2015. - Vol. 308 , nr. 4 . - doi : 10.1152/ajpregu.00281.2014 .
28. ↑ 1 2 Tsukihara T., Aoyama H., Yamashita E., Tomizaki T., Yamaguchi H., Shinzawa-Itoh K., Nakashima R., Yaono R., Yoshikawa S. Structures of metal sites of oxidized bovine heart cytochrome c oxidază la 2,8 A  (engleză)  // Science : journal. - 1995. - August ( vol. 269 , nr. 5227 ). - P. 1069-1074 . - doi : 10.1126/science.7652554 . — PMID 7652554 .
29. ↑ Ermakov, 2005 , p. 245.
30. ↑ 1 2 3 4 Alexandru A. Konstantinov. Citocrom c oxidaza: intermediari ai ciclului catalitic și interconversia lor cuplată cu energie  // litere  FEBS : jurnal. - martie 2012. - Vol. 586 , nr. 5 . - P. 630-639 . - doi : 10.1016/j.febslet.2011.08.037 .
31. ↑ 1 2 Ilya Belevici și Michael Verkhovsky. Pagina principală a Grupului de Biofizică Moleculară  . Preluat: 20 februarie 2016.
32. ↑ Vivek Sharmaa, Giray Enkavia, Ilpo Vattulainena, Tomasz Róga și Mårten Wikströmc. Transferul de electroni cuplati cu protoni și rolul moleculelor de apă în pomparea protonilor de către citocrom c oxidază  (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - ianuarie 2015. - Vol. 112 , nr. 7 . - P. 2040-2045 . - doi : 10.1073/pnas.1409543112 .
33. ↑ 1 2 Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Regis Pomès. Controlul electrostatic al pompei de protoni în citocrom c oxidază  (engleză)  // BBA : jurnal. - martie 2008. - Vol. 1777 , nr. 3 . - P. 277-284 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2007.11.010 .
34. ↑ Ileana C. Sotoa, Flavia Fontanesib, Jingjing Liua, Antoni Barrientos. Biogeneza și asamblarea citocromului eucariot cu miez catalitic de oxidază  (engleză)  // Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - iunie 2012. - Vol. 1817 , nr. 6 . - P. 883-897 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.005 .
35. ↑ 1 2 3 4 Filipa L. Sousaa, Renato J. Alvesb, Miguel A. Ribeiroa, José B. Pereira-Lealb, Miguel Teixeiraa, Manuela M. Pereiraa. Superfamilie heme-cupru oxigen reductaze: tipuri și considerații evolutive  (engleză)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - aprilie 2012. - Vol. 1817 , nr. 4 . - P. 629-637 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.020 .
36. ↑ 1 2 3 4 5 Hemp J., Gennis RB. Diversitatea superfamiliei hem-cupru în arhee: perspective din genomică și modelare structurală. (ing.)  // Rezultate Probl Celulă Difer. : jurnal. - 2008. - Vol. 45 . - P. 1-31 . - doi : 10.1007/400_2007_046. . — PMID 18183358 .
37. ↑ Shinya Yoshikawa și Atsuhiro Shimada. Mecanismul de reacție al citocromului cu oxidază  (engleză)  // Chim. Rev. : jurnal. - 2015. - Vol. 115 , nr. 4 . - P. 1936-1989 . - doi : 10.1021/cr500266a .
38. ↑ Sergey A. Siletsky, Ilya Belevich, Audrius Jasaitis, Alexander A. Konstantinov, Mårten Wikström. Unică rotație rezolvată în timp a ba3 oxidazei de la Thermus thermophilus  (engleză)  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — 2007-12. — Vol. 1767 , iss. 12 . - P. 1383-1392 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2007.09.010 .
39. ↑ Sergey A. Siletsky, Ilya Belevich, Nikolai P. Belevich, Tewfik Soulimane, Mårten Wikström. Generarea de potențial de membrană rezolvată în timp de către ba citocrom c oxidaza de la Thermus thermophilus cuplată la injecția cu un singur electron în stările O și OH   // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics . — 2017-11. — Vol. 1858 , iss. 11 . — P. 915–926 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2017.08.007 .
40. ↑ 1 2 Sadacharan SK, Singh B., Bowes T., Gupta RS Localizarea citocromului codificat ADN mitocondrial cu subunitățile I și II de oxidază în granule de zimogen pancreatic de șobolan și granule de hormon de creștere hipofizar  (engleză)  // Histochem. Biol celular. : jurnal. - 2005. - Vol. 124 , nr. 5 . - P. 409-421 . - doi : 10.1007/s00418-005-0056-2 . — PMID 16133117 .
41. ↑ Gupta RS, Ramachandra NB, Bowes T., Singh B. Dispoziție celulară neobișnuită a chaperonelor moleculare mitocondriale Hsp60, Hsp70 și Hsp10  //  Novartis Found. Symp. : jurnal. - 2008. - Vol. 291 . - P. 59-68; discuție 69-73, 137-40 . - doi : 10.1002/9780470754030.ch5 . — PMID 18575266 .
42. ↑ 1 2 Soltys BJ, Gupta RS Proteine ​​mitocondriale în locații celulare neașteptate: exportul proteinelor din mitocondrii dintr-o perspectivă evolutivă   // ​​Int . Rev. Cytol. : jurnal. - 2000. - Vol. 194 . - P. 133-196 . - doi : 10.1016/s0074-7696(08)62396-7 . — PMID 10494626 .
43. ↑ Soltys BJ, Gupta RS Proteinele din matricea mitocondrială în locații neașteptate: sunt exportate? (engleză)  // Trends Biochem. sci. : jurnal. - 1999. - Vol. 24 , nr. 5 . - P. 174-177 . - doi : 10.1016/s0968-0004(99)01390-0 . — PMID 10322429 .
44. ↑ Alonso JR, Cardellach F., López S., Casademont J., Miró O. Monoxidul de carbon inhibă în mod specific citocromul c oxidaza din lanțul respirator mitocondrial uman   // Pharmacol . Toxicol. : jurnal. - 2003. - Septembrie ( vol. 93 , nr. 3 ). - P. 142-146 . - doi : 10.1034/j.1600-0773.2003.930306.x . — PMID 12969439 .
45. ↑ Chris E. Cooper și Guy C. Brown. Inhibarea citocrom oxidazei mitocondriale de către gazele monoxid de carbon, oxid nitric, cianuri de hidrogen și hidrogen sulfurat: mecanism chimic și semnificație fiziologică  (engleză)  // Bioenerg Biomembr : journal. - 2008. - octombrie ( vol. 40 ). - P. 533-539 . - doi : 10.1007/s10863-008-9166-6 .
46. ↑ Pecina P., Houstková H., Hansíková H., Zeman J., Houstek J. Genetic defects of cytochrome c oxidase assembly  (neopr.)  // Physiol Res. - 2004. - T. 53 Suppl 1 . - S. S213-23 . — PMID 15119951 .
47. ↑ 1 2 Zee JM, Glerum DM Defecte în asamblarea citocrom oxidazei la om: lecții de la drojdie   // Biochem . Biol celular. : jurnal. - 2006. - Decembrie ( vol. 84 , nr. 6 ). - P. 859-869 . - doi : 10.1139/o06-201 . — PMID 17215873 .
48. ↑ Wong-Riley MT Citocrom oxidaza: un marker metabolic endogen pentru activitatea neuronală. (Engleză)  // Trends Neurosci. : jurnal. - 1989. - Vol. 12 , nr. 3 . - P. 94-111 . - doi : 10.1016/0166-2236(89)90165-3 . — PMID 2469224 .
49. ↑ Strazielle C., Hayzoun K., Derer M., Mariani J., Lalonde R. Regional brain variations of cytochrome oxidase activity in Relnrl-orl mutant mice. (engleză)  // J. Neurosci. Res. : jurnal. - 2006. - Aprilie ( vol. 83 , nr. 5 ). - P. 821-831 . - doi : 10.1002/jnr.20772 . — PMID 16511878 .
50. ↑ Strazielle C., Sturchler-Pierrat C., Staufenbiel M., Lalonde R. Regional brain cytochrome oxidase activity in beta-amiloid precursor protein transgenic mice with the Swedish mutation. (engleză)  // Neuroscience : jurnal. - Elsevier , 2003. - Vol. 118 , nr. 4 . - P. 1151-1163 . - doi : 10.1016/S0306-4522(03)00037-X . — PMID 12732258 .
51. ↑ Conejo NM, Gonzalez-Pardo H., Gonzalez-Lima F., Arias JL Învățare spațială a labirintului de apă: progresia circuitelor cerebrale mapate cu histochimia citocrom oxidazei. (engleză)  // Neurobiol. învăța. Mem. : jurnal. - 2010. - Vol. 93 , nr. 3 . - P. 362-371 . - doi : 10.1016/j.nlm.2009.12.002 . — PMID 19969098 .
52. ↑ Paul D.N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. Identificări biologice prin coduri de bare ADN  (engleză)  // Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences  : journal. - februarie 2003. - Vol. 270 , nr. 1512 . - P. 313-321 . - doi : 10.1098/rspb.2002.2218 .
53. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 de ani de la introducerea codurilor de bare ADN: de la teorie la aplicare  //  Journal of Applied Genetics : journal. - februarie 2014. - Vol. 55 , nr. 1 . - P. 43-52 . — ISSN 2190-3883 . - doi : 10.1007/s13353-013-0180-y .

Literatură

• Fiziologia plantelor / Ed. I. P. Ermakova. - M . : Academia, 2005. - 634 p.
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Fundamentele biochimiei lui Lehninger. Bioenergetică și metabolism. = Principiile Leninger de Biochimie. — Binom. Laboratorul de cunoștințe, 2012. - V. 2. - S. 344. - 692 p. — (Cel mai bun manual străin). — ISBN 978-5-94774-365-4 .

Link -uri

• Instituto Gulbenkian de Ciência și Universidade Nova de Lisboa. Clasificator hemo-cupru oxigen reductaze (HCO) (2009-2010). (nedefinit)
• Orientarea UMich a proteinelor în familii/superfamilie de membrane-4
• MeSH Citocrom-c+oxidază