Citocrom c oxidază - Cytochrome c oxidase
Citocrom c oxidază | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificatori | |||||||||
CE nr. | 1.9.3.1 | ||||||||
CAS nr. | 9001-16-5 | ||||||||
Baze de date | |||||||||
IntEnz | Vizualizare IntEnz | ||||||||
BRENDA | Intrare BRENDA | ||||||||
EXPASy | Vedere NiceZyme | ||||||||
KEGG | Intrare KEGG | ||||||||
MetaCyc | cale metabolică | ||||||||
PRIAM | profil | ||||||||
Structuri PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
Ontologie genică | AmiGO / QuickGO | ||||||||
|
Citocrom c oxidază | |
---|---|
Identificatori | |
Simbol | Citocrom c oxidază |
Superfamilia OPM | 4 |
Proteina OPM | 2dyr |
Membranom | 257 |
Enzima citocrom c oxidaza sau Complex IV , EC 1.9.3.1 , este o mare proteină transmembranară FOUND complex în bacterii , Archaea , și mitocondriile de eucariotelor .
Este ultima enzimă din lanțul de transport respirator de electroni al celulelor situate în membrană. Acesta primește un electron din fiecare dintre cele patru molecule de citocrom c și le transferă într-o moleculă de dioxigen, transformând oxigenul molecular în două molecule de apă. În acest proces, leagă patru protoni din faza apoasă interioară pentru a produce două molecule de apă și translocează alți patru protoni pe membrană, crescând diferența transmembranară a potențialului electrochimic al protonului pe care ATP sintaza îl folosește apoi pentru a sintetiza ATP .
Structura
Complexul
Complexul este o proteină membranară integrală mare compusă din mai multe situri protetice metalice și 14 subunități proteice la mamifere. La mamifere, unsprezece subunități sunt de origine nucleară, iar trei sunt sintetizate în mitocondrii. Complexul conține două hemes , o citocrom a și citocromul un 3 , și două cupru centre, Cu A și Cu B centre. De fapt, citocromul a 3 și Cu B formează un centru binuclear care este locul reducerii oxigenului. Citocromul c , care este redus de componenta precedentă a lanțului respirator (complexul citocromului bc1, complexul III), ancorează în apropierea centrului binuclear Cu A și îi transmite un electron, fiind oxidat înapoi în citocromul c conținând Fe 3+ . Centrul binuclear Cu A redus transmite acum un electron către citocromul a, care, la rândul său, transmite un electron către citocrom un centru binuclear 3- Cu B. Cei doi ioni metalici din acest centru binuclear sunt distanți de 4,5 Å și coordonează un ion hidroxid în stare complet oxidată.
Studiile cristalografice ale citocrom c oxidazei arată o modificare post-translațională neobișnuită, care leagă C6 de Tyr (244) și ε-N de His (240) (numerotarea enzimelor bovine). Acesta joacă un rol vital în a permite citocromului un centru binuclear 3 - Cu B să accepte patru electroni în reducerea oxigenului molecular în apă . Se credea că mecanismul de reducere implică un intermediar de peroxid , despre care se credea că duce la producerea de superoxizi . Cu toate acestea, mecanismul acceptat în prezent implică o reducere rapidă cu patru electroni care implică scindarea imediată a legăturii oxigen-oxigen, evitând orice intermediar care ar putea forma superoxid.
Subunitățile conservate
Nu. | Numele subunității | Proteine umane | Descrierea proteinelor de la UniProt | Familia Pfam cu proteine umane |
---|---|---|---|---|
1 | Cox1 | COX1_HUMAN | Subunitatea 1 citocrom c oxidază | Pfam PF00115 |
2 | Cox2 | COX2_HUMAN | Subunitatea 2 citocrom c oxidază | Pfam PF02790 , Pfam PF00116 |
3 | Cox3 | COX3_HUMAN | Subunitatea 3 citocrom c oxidază | Pfam PF00510 |
4 | Cox4i1 | COX41_HUMAN | Citofrom c oxidază subunitatea 4 izoformă 1, mitocondrială | Pfam PF02936 |
5 | Cox4a2 | COX42_HUMAN | Citofrom c oxidază subunitatea 4 izoformă 2, mitocondrială | Pfam PF02936 |
6 | Cox5a | COX5A_HUMAN | Subunitatea 5A citocrom c oxidază, mitocondrială | Pfam PF02284 |
7 | Cox5b | COX5B_HUMAN | Subunitatea 5B citocrom c oxidază, mitocondrială | Pfam PF01215 |
8 | Cox6a1 | CX6A1_HUMAN | Subunitatea 6A1 citocrom c oxidază, mitocondrială | Pfam PF02046 |
9 | Cox6a2 | CX6A2_HUMAN | Subunitatea 6A2 citocrom c oxidază, mitocondrială | Pfam PF02046 |
10 | Cox6b1 | CX6B1_HUMAN | Subunitatea 6B1 a citocromului c oxidază | Pfam PF02297 |
11 | Cox6b2 | CX6B2_HUMAN | Subunitatea 6B2 a citocromului c-oxidază | Pfam PF02297 |
12 | Cox6c | COX6C_HUMAN | Subunitatea citocrom c oxidază 6C | Pfam PF02937 |
13 | Cox7a1 | CX7A1_HUMAN | Subunitatea 7A1 citocrom c oxidază, mitocondrială | Pfam PF02238 |
14 | Cox7a2 | CX7A2_HUMAN | Subunitatea 7A2 citocrom c oxidază, mitocondrială | Pfam PF02238 |
15 | Cox7a3 | COX7S_HUMAN | Subunitatea 7A3 citocrom c oxidază putativă, mitocondrială | Pfam PF02238 |
16 | Cox7b | COX7B_HUMAN | Subunitatea 7B citocrom c oxidază 7B, mitocondrială | Pfam PF05392 |
17 | Cox7c | COX7C_HUMAN | Subunitatea citocrom c oxidază 7C, mitocondrială | Pfam PF02935 |
18 | Cox7r | COX7R_HUMAN | Subunitatea citocromului c oxidază 7A proteină asociată, mitocondrială | Pfam PF02238 |
19 | Cox8a | COX8A_HUMAN | Subunitatea citocrom c oxidază 8A, P mitocondrială | Pfam PF02285 |
20 | Cox8c | COX8C_HUMAN | Subunitatea citocrom c oxidază 8C, mitocondrială | Pfam PF02285 |
Subunități de asamblare | ||||
1 | Coa1 | COA1_HUMAN | Omologul factorului de asamblare citocrom c oxidază 1 | Pfam PF08695 |
2 | Coa3 | COA3_HUMAN | Omologul factorului de asamblare 3 al citocromului c oxidază, mitocondrial | Pfam PF09813 |
3 | Coa4 | COA4_HUMAN | Omologul factorului de asamblare al citocromului c oxidază 4, mitocondrial | Pfam PF06747 |
4 | Coa5 | COA5_HUMAN | Factorul de asamblare al citocromului c oxidază 5 | Pfam PF10203 |
5 | Coa6 | COA6_HUMAN | Omologul factorului de asamblare al citocromului c oxidază 6 | Pfam PF02297 |
6 | Coa7 | COA7_HUMAN | Factorul de asamblare citocrom c oxidază 7, | Pfam PF08238 |
7 | Cox11 | COX11_HUMAN | Citocrom c oxidază asamblare proteină COX11 mitocondrială | Pfam PF04442 |
8 | Cox14 | COX14_HUMAN | Proteina asamblării citocromului c oxidază | Pfam PF14880 |
9 | Cox15 | COX15_HUMAN | Omologul proteinei de asamblare a citocromului c oxidază COX15 | Pfam PF02628 |
10 | Cox16 | COX16_HUMAN | Citocrom c oxidază asamblare proteină COX16 omolog mitocondrial | Pfam PF14138 |
11 | Cox17 | COX17_HUMAN | Citocrom c oxidază cupru chaperonă | Pfam PF05051 |
12 | Cox18 | COX18_HUMAN | Proteina membranară internă mitocondrială (proteina de asamblare a citocromului c oxidază 18) | Pfam PF02096 |
13 | Cox19 | COX19_HUMAN | Proteina asamblării citocromului c oxidază | Pfam PF06747 |
14 | Cox20 | COX20_HUMAN | Citocrom c oxidază proteină 20 omolog | Pfam PF12597 |
Asamblare
Asamblarea COX în drojdie este un proces complex care nu este înțeles în totalitate datorită agregării rapide și ireversibile a subunităților hidrofobe care formează complexul holoenzimatic, precum și agregarea subunităților mutante cu plasturi hidrofobi expuși. Subunitățile COX sunt codificate atât în genomul nuclear, cât și în cel mitocondrial. Cele trei subunități care formează nucleul catalitic COX sunt codificate în genomul mitocondrial.
Hemele și cofactorii sunt inserate în subunitățile I și II. Cele două molecule de hem rezidă în subunitatea I, ajutând la transportul către subunitatea II, unde două molecule de cupru ajută la transferul continuu de electroni. Subunitățile I și IV inițiază asamblarea. Diferite subunități se pot asocia pentru a forma intermediari sub-complexi care ulterior se leagă de alte subunități pentru a forma complexul COX. În modificările post-asamblare, COX va forma un homodimer. Acest lucru este necesar pentru activitate. Ambii dimeri sunt conectați de o moleculă de cardiolipină , despre care s-a constatat că joacă un rol cheie în stabilizarea complexului holoenzimatic. Disocierea subunităților VIIa și III împreună cu îndepărtarea cardiolipinei are ca rezultat pierderea totală a activității enzimatice. Se știe că subunitățile codificate în genomul nuclear joacă un rol în dimerizarea și stabilitatea enzimei. Mutațiile acestor subunități elimină funcția COX.
Se știe că asamblarea are loc în cel puțin trei etape distincte de determinare a ratei. Produsele acestor pași au fost găsite, deși nu au fost determinate compoziții de subunități specifice.
Sinteza și asamblarea subunităților COX I, II și III sunt facilitate de activatorii de translație, care interacționează cu regiunile netranslate 5 'ale transcrierilor de ARNm mitocondriale. Activatorii translaționali sunt codificați în nucleu. Ele pot opera fie prin interacțiune directă, fie indirectă, cu alte componente ale mașinilor de traducere, dar mecanismele moleculare exacte sunt neclare din cauza dificultăților asociate cu sintetizarea mașinilor de traducere in vitro. Deși interacțiunile dintre subunitățile I, II și III codificate în genomul mitocondrial contribuie mai puțin la stabilitatea enzimei decât interacțiunile dintre subunitățile bigenomice, aceste subunități sunt mai conservate, indicând potențiale roluri neexplorate pentru activitatea enzimei.
Biochimie
Reacție sumară:
- 4 Fe 2+ -citocrom c + 4 H + in + O 2 → 4 Fe 3+ -citocrom c + 2 H 2 O + 4 H + out
Doi electroni sunt trecuți de la doi citocromi c, prin siturile Cu A și citocrom a la citocromul 3 - centrul binuclear cu Cu B , reducând metalele la forma Fe 2+ și Cu + . Ligandul hidroxid este protonat și pierdut ca apă, creând un gol între metalele care este umplut de O 2 . Oxigenul este redus rapid, doi electroni provenind din citocromul Fe 2+ a 3 , care este transformat în forma feril oxo (Fe 4+ = O). Atomul de oxigen apropiat de Cu B preia un electron din Cu + și un al doilea electron și un proton din hidroxilul lui Tyr (244), care devine un radical tirosil. Al doilea oxigen este transformat într-un ion hidroxid prin preluarea a doi electroni și a unui proton. Un al treilea electron care apare dintr-un alt citocrom c este trecut prin primii doi purtători de electroni către citocromul un centru binuclear 3 - Cu B , iar acest electron și doi protoni transformă radicalul tirozil înapoi în Tyr, iar hidroxidul legat de Cu B 2+ la o moleculă de apă. Al patrulea electron dintr-un alt citocrom c curge prin Cu A și citocromul a către citocromul centru binuclear 3 - Cu B , reducând Fe 4+ = O la Fe 3+ , atomul de oxigen preluând simultan un proton, regenerând acest oxigen ca un ion hidroxid coordonat în mijlocul citocromului un centru 3 - Cu B așa cum era la începutul acestui ciclu. Procesul net este că patru citocrom c reduse sunt utilizate, împreună cu 4 protoni, pentru a reduce O 2 la două molecule de apă.
Inhibitie
COX există în trei stări conformaționale: complet oxidat (pulsat), parțial redus și complet redus. Fiecare inhibitor are o afinitate mare pentru o stare diferită. În starea pulsată, atât hemii a 3, cât și centrele nucleare Cu B sunt oxidate; aceasta este conformația enzimei care are cea mai mare activitate. O reducere cu doi electroni inițiază o schimbare conformațională care permite oxigenului să se lege la locul activ de enzima parțial redusă. Patru electroni se leagă de COX pentru a reduce pe deplin enzima. Starea sa complet redusă, care constă dintr-un Fe 2+ redus la citocrom, o grupă de 3 hemi și un centru binuclear Cu B + redus , este considerat starea inactivă sau de repaus a enzimei.
Cianura , azida și monoxidul de carbon se leagă toate de citocrom c oxidaza, inhibând funcționarea proteinelor și ducând la asfixierea chimică a celulelor. Sunt necesare concentrații mai mari de oxigen molecular pentru a compensa creșterea concentrațiilor de inhibitori, ducând la o reducere generală a activității metabolice în celulă în prezența unui inhibitor. Alți liganzi, cum ar fi oxidul azotic și hidrogenul sulfurat, pot, de asemenea, inhiba COX prin legarea la siturile de reglare de pe enzimă, reducând rata respirației celulare.
Cianura este un inhibitor necompetitiv pentru COX, legându-se cu afinitate ridicată la starea parțial redusă a enzimei și împiedicând o reducere suplimentară a enzimei. În stare pulsată, cianura se leagă încet, dar cu afinitate ridicată. Ligandul este poziționat pentru a stabiliza electrostatic ambele metale simultan, poziționându-se între ele. O concentrație ridicată de oxid nitric, cum ar fi cea adăugată exogen enzimei, inversează inhibarea cianurii COX.
Oxidul nitric se poate lega reversibil de oricare dintre ionii metalici din centrul binuclear pentru a fi oxidat la nitrit. NO și CN - vor concura cu oxigenul pentru a se lega la locul respectiv, reducând rata respirației celulare. Endogenă NO, cu toate acestea, care este produs la nivele inferioare, augments CN - inhibiție. Niveluri mai ridicate de NO, care se corelează cu existența mai multor enzime în stare redusă, duc la o inhibare mai mare a cianurii. La aceste concentrații bazale, inhibarea NO a Complexului IV este cunoscută ca având efecte benefice, cum ar fi creșterea nivelului de oxigen în țesuturile vaselor de sânge. Incapacitatea enzimei de a reduce oxigenul în apă are ca rezultat o acumulare de oxigen, care se poate difuza mai adânc în țesuturile înconjurătoare. NU inhibarea complexului IV are un efect mai mare la concentrații mai mici de oxigen, crescând utilitatea sa ca vasodilatator în țesuturile de nevoie.
Sulfura de hidrogen se va lega COX într-un mod necompetitiv la un loc de reglementare al enzimei, similar cu monoxidul de carbon. Sulfura are cea mai mare afinitate fie pentru stările pulsate, fie parțial reduse ale enzimei și este capabilă să reducă parțial enzima la nivelul hemului 3 . Nu este clar dacă H endogen 2 nivele S sunt suficiente pentru a inhiba enzima. Nu există nicio interacțiune între hidrogenul sulfurat și conformația complet redusă a COX.
Metanolul din băuturile spirtoase metilate este transformat în acid formic , care inhibă, de asemenea, același sistem oxidază. Nivelurile ridicate de ATP pot inhiba alosteric citocrom c oxidaza, legându-se din interiorul matricei mitocondriale.
Localizări extramitocondriale și subcelulare
Citocrom c oxidaza are 3 subunități care sunt codificate de ADN mitocondrial (citocrom c oxidază subunitatea I , subunitatea II și subunitatea III ). Dintre aceste 3 subunități codificate de ADN mitocondrial, două au fost identificate în locații extramitocondriale. În țesutul acinar pancreatic , aceste subunități au fost găsite în granule de zimogen . În plus, în hipofiza anterioară , cantități relativ mari de aceste subunități au fost găsite în granulele secretoare ale hormonului de creștere . Funcția extramitocondrială a acestor subunități de citocrom c oxidază nu a fost încă caracterizată. Pe lângă subunitățile citocrom c oxidazei, localizarea extramitocondrială a fost observată și pentru un număr mare de alte proteine mitocondriale. Acest lucru ridică posibilitatea existenței unor mecanisme specifice încă neidentificate pentru translocarea proteinelor din mitocondrii către alte destinații celulare.
Defecte și tulburări genetice
Defectele care implică mutații genetice care modifică funcționalitatea sau structura citocromului c- oxidază (COX) pot duce la tulburări metabolice severe, adesea fatale . Astfel de tulburări se manifestă de obicei în copilăria timpurie și afectează în principal țesuturile cu cerințe energetice mari (creier, inimă, mușchi). Dintre numeroasele boli mitocondriale clasificate , cele care implică asamblarea disfuncțională a COX sunt considerate a fi cele mai severe.
Marea majoritate a tulburărilor COX sunt legate de mutații în proteinele codificate nucleare, denumite factori de asamblare sau proteine de asamblare. Acești factori de asamblare contribuie la structura și funcționalitatea COX și sunt implicați în mai multe procese esențiale, inclusiv transcrierea și traducerea subunităților codificate de mitocondriune, prelucrarea preproteinelor și a inserției membranei, precum și a biosintezei și încorporării cofactorilor.
În prezent, mutațiile au fost identificate în șapte factori de asamblare COX: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 și LRPPRC . Mutațiile din aceste proteine pot duce la modificarea funcționalității asamblării sub-complexe, transportului cuprului sau reglării translaționale. Fiecare mutație genică este asociată cu etiologia unei boli specifice, unele având implicații în tulburări multiple. Tulburările care implică asamblarea disfuncțională a COX prin mutații genice includ sindromul Leigh , cardiomiopatia , leucodistrofia , anemia și surditatea senzorială .
Histochimie
Mărirea dependenței neuronilor de fosforilarea oxidativă pentru energie facilitează utilizarea histochimiei COX în cartarea metabolismului creierului regional la animale, deoarece stabilește o corelație directă și pozitivă între activitatea enzimei și activitatea neuronală. Acest lucru poate fi văzut în corelația dintre cantitatea de enzimă COX și activitate, care indică reglarea COX la nivelul expresiei genice. Distribuția COX este incoerentă între diferite regiuni ale creierului animal, dar modelul său de distribuție este consistent între animale. Acest model a fost observat la creierul maimuțelor, șoarecilor și vițeilor. Un izozim de COX a fost detectat în mod constant în analiza histochimică a creierului.
O astfel de cartografiere a creierului a fost realizată la șoareci mutanți spontani cu boală cerebelară, cum ar fi reeler și un model transgenic al bolii Alzheimer . Această tehnică a fost, de asemenea, utilizată pentru cartografierea activității de învățare în creierul animalelor.
Imagini suplimentare
Vezi si
- Subunitatea citocrom c oxidază I
- Subunitatea II citocrom c oxidază
- Subunitatea III a citocromului c oxidază
- Heme a
Referințe
linkuri externe
- Pagina principală Citocrom Oxidază la Universitatea Rice
- Model molecular interactiv de citocrom c oxidază (Necesită MDL Chime )
- UMich Orientation of Proteins in Membranes families / superfamily-4
- Citocrom-c + oxidază la Biblioteca Națională de Medicină din SUA, subiecte medicale (MeSH)