Cytokrom c-oxidase

Cytochrom c-oxidase ( cytokromoxidase ) eller cytochrom c-oxygen:oxidoreduktase , også kendt som cytochrom aa 3 og kompleks IV  , er en terminal oxidase af den aerobe respiratoriske elektrontransportkæde, der katalyserer overførslen af ​​elektroner fra cytokrom c til oxygen til dannelse vand [1] . Cytokromoxidase er til stede i den indre mitokondriemembran af alle eukaryoter , hvor det almindeligvis omtales som kompleks IV, såvel som i cellemembranen hos mange aerobe bakterier [2] .

Kompleks IV oxiderer sekventielt fire molekyler af cytochrom c og, ved at acceptere fire elektroner, reducerer O 2 til H 2 O. Når O 2 reduceres, fanges fire H + fra mitokondriematrixen til dannelse af to H 2 O- molekyler og yderligere fire H + pumpes aktivt gennem membranen . Således bidrager cytochromoxidase til skabelsen af ​​en protongradient til ATP -syntese og er en del af den oxidative phosphoryleringsvej [3] . Derudover spiller dette multiproteinkompleks en nøglerolle i reguleringen af ​​aktiviteten af ​​hele den respiratoriske kæde og energiproduktionen af ​​den eukaryote celle [4] .

Studiehistorie

Cytokromoxidase blev opdaget af den irske læge og videnskabsmand C. A. McMann , som i 1885 beskrev reversible ændringer i absorptionsspektret ved en bølgelængde på 605 nm, der opstår under oxidation i dyreceller, hvilket er en karakteristisk spektral signatur af cytochromoxidase. Imidlertid blev hans arbejde kritiseret af de indflydelsesrige fysiologer Goppe-Seyler og Levy, som postulerede, at McMann blot observerede optagelsen af ​​hæmoglobinnedbrydningsprodukter . Som følge heraf ophørte forskningen i dette enzym i mere end 30 år, indtil Hans Fischer bekræftede McManns resultater i 1923 [5] [6] [7] .

Yderligere forskning i dette enzym blev videreført af den tyske videnskabsmand Otto Warburg . I sit arbejde hæmmede han respiration i en gærsuspension med CO og opnåede derefter absorptionsspektre ved at fjerne inhiberingen ved at bestråle med en sammenhængende lysstråle med forskellige bølgelængder . Fra de opnåede data fulgte det, at det hæmmede enzym  er et hæmoprotein , hvor hæm er i kompleks med CO [8] [9] . Warburg forbandt et nyt, ukendt protein med funktionen af ​​cellulær respiration og påførte det udtrykket Atmungsferment , eller "respiratorisk enzym", som han brugte siden 1924. Værket blev udgivet i 1929, og i 1931 modtog Warburg Nobelprisen i fysiologi eller medicin for det med formuleringen "for opdagelsen af ​​det respiratoriske enzyms natur og virkningsmekanisme" [5] .

Et væsentligt bidrag til at forstå karakteren af ​​kompleks IV blev ydet af den britiske videnskabsmand David Keilin . I 1939 opdagede han i samarbejde med E. F. Hartree et hidtil ukendt cytokrom, kaldet a 3 , som havde evnen til at oxidere cytochrom c . Det nye cytochrom havde samme absorptionsspektrum som det mystiske Warburg respiratoriske enzym og blev også hæmmet af CO og KCN [10] . I sit arbejde opfandt Kaylin navnet cytochrom c-oxidase, foreslået af Malcolm Dixon i 1928 [11] . Warburg og Kaylin skændtes i lang tid om arten af ​​ciochromoxidase: Warburg mente, at kun jern kunne være en co -faktor for dette enzym , mens Kaylin mente, at det var et kobberholdigt protein. Som årene gik, viste det sig, at begge store videnskabsmænd havde ret: cytochromoxidase indeholder både jernholdigt hæm og kobberatom [12] .

Mekanismen for oxygenbinding af cytochromoxidase blev undersøgt af den amerikanske biokemiker Britton Chance , som i midten af ​​1970'erne ved hjælp af avancerede NMR -teknikker og spektroskopi ved lave temperaturer opdagede et enzym- substratkompleks af cytochromoxidase, et addukt af hæm a 3 med molekylær oxygen [11] .

I 1977 viste den finske videnskabsmand Martin Wikström, at cytochromoxidase pumper protoner gennem membranen i løbet af sit arbejde [13] , hvilket i lang tid ikke kunne accepteres af skaberen af ​​den kemiosmotiske hypotese , Peter Mitchell . Ikke desto mindre vidnede de akkumulerende eksperimentelle data til fordel for Wikströms retfærdighed, og senere indrømmede Mitchell sin fejl [5] [14] .

De første forsøg på at isolere enzymet blev gjort fra 1941: Da der endnu ikke var blevet udviklet nogen procedurer til isolering af store membranproteiner, måtte der prøves og fejles. Tidlige isolationsprocedurer brugte galdesalte , som forårsagede store tab i aktivitet. Fremkomsten af ​​ikke-ioniske rengøringsmidler som Triton X-100 forårsagede et nyt boom i dette område fra 1966 til 1974 og gjorde det muligt at opnå de første rene præparater [15] . Den første tredimensionelle struktur med atomopløsning af komplekset dukkede op lidt senere, i 1995 [5] .

Strukturel organisation af Complex IV

Kompleks IV fra mitokondrier fra pattedyr og fugle [16] består af 13 proteinunderenheder , hvoraf tre har katalytisk aktivitet, binder cofaktorer og er kodet af mitokondriegener (undtagelsen er underenhed III i Chlamydomonas reinhardtii og Polytomella sp , som er kodet i kernen [17] ). De resterende ti underenheder er kodet i kernens DNA [18] [19] . I 2012 blev fundet af den 14. underenhed rapporteret [20] , men senere blev det tilbagevist [21] . I mitokondriemembranen eksisterer komplekset som en homodimer , hvor hver monomer består af 13 underenheder. Molekylvægten af ​​en sådan dimer isoleret fra bovine mitokondrier er ca. 350 kDa [22] . De få monomerer , der findes i membranen , har dobbelt så stor katalytisk aktivitet [16] .

Hos S. cerevisiae består kompleks IV kun af 11 underenheder, men de manglende underenheder i bovine komplekset er små perifere proteiner, så gærcytokromoxidase er ikke signifikant forskellig fra den hos pattedyr [23] [19] . Meget mindre er kendt om kompleks IV i planter , og den dag i dag er det stadig et af de mest uudforskede komplekser af plantemitokondrier. Nylige eksperimenter for at isolere det fra Arabidopsis og studere det ved naturlig blå elektroforese viste, at det ser ud til at bestå af otte underenheder svarende til kompleks IV af andre eukaryoter, og seks yderligere plantespecifikke underenheder. En mindre præcis adskillelse af kompleks IV fra kartofler og bønner gav et båndmønster svarende til Arabidopsis: man kan med sikkerhed sige, at deres kompleks IV består af mindst 9-10 underenheder [24] . Bakteriekomplekser eksisterer i membranen som monomerer og består af 3-4 underenheder , hvoraf tre er homologe med tre eukaryote underenheder kodet i mitokondrier [22] [19] [4] .

Underenheder

Tre store underenheder af komplekset (I-III), homologe med bakterielle, bærer alle de nødvendige cofaktorer og udfører de vigtigste katalysereaktioner, der blandt andet er forbundet med protonoverførsel. Små nukleare underenheder placeret i periferien deltager ikke i denne proces. I øjeblikket er specifikke funktioner kun kendt for fire nukleare underenheder (IV, Va, VIa-L, VIa-H), men det er indlysende, at de alle spiller en rolle i samlingen, dimeriseringen og reguleringen af ​​kompleksets aktivitet [23] . Kernen af ​​kompleks IV har en ekstrem høj katalytisk aktivitet, som undertrykkes af hjælpenukleare underenheder tæt forbundet med den, hvilket er særligt vigtigt for reguleringen af ​​hele respirationen som helhed. Hos hvirveldyr er mange af disse underenheder repræsenteret af flere vævsspecifikke isoformer , hver kodet af et separat gen . Ekspressionen af ​​hver isoform afhænger af typen af ​​væv , udviklingsstadiet af organismen og kan ændre sig afhængigt af eksterne forhold, hvilket giver dig mulighed for klart at regulere energiforsyningen af ​​forskellige organer og væv [16] .

Fremkomsten af ​​en bred vifte af nukleare underenheder efter genom-dækkende duplikation i hvirveldyr falder groft sammen med deres tab af en alternativ oxidase , som gav en alternativ vej for elektroner til oxygen, uden om kompleks IV. Disse underenheders rolle er især øget, da pattedyrsceller har mistet evnen til at skifte mellem forskellige terminale oxidaser, som det sker i prokaryoter. For eksempel har E. coli to terminale quinonoxidaser; ved normalt iltindhold udtrykker det overvejende cytochrom bo 3 , og ved lavt iltindhold skifter det til cytochrom bd , som har øget affinitet for ilt, men ikke pumper protoner. Under sådanne forhold påtog de nukleare underenheder naturligvis funktionen til at kontrollere aktiviteten af ​​al oxidativ phosphorylering afhængigt af niveauet af oxygen [25] .

Va-underenheden binder specifikt skjoldbruskkirtelhormonet 3,5-diiodothyronin , men interagerer ikke med thyroxin eller triiodothyronin . Som et resultat af denne interaktion ophører kompleks IV med at blive allosterisk hæmmet af ATP. Denne mekanisme forklarer den kortsigtede stimulerende effekt af skjoldbruskkirtelhormoner på pattedyrs metabolisme [26] [16] .

Hos pattedyr udtrykkes IV-2-underenheden hovedsageligt i hjernen og lungerne , og i andre væv induceres dens syntese under hypoxiske forhold . Hos fisk kommer denne isoform stærkere til udtryk i gællerne [25] . Selvom alle hvirveldyr har én kopi af begge subunit IV isoformer, sker aktivering af IV-2- ekspression som reaktion på mangel på ilt kun hos pattedyr og er fraværende i fisk og krybdyr , og hos fugle COX4-2-genet, der koder for IV-2-isoformen er ikke funktionel [27] . Mus knockout for IV-2-genet havde svært ved at trække luftvejene sammen , reducerede niveauer af ATP i lungerne , og med alderen opstod der patologier i åndedrætssystemet, inklusive Charcot-Leiden-krystaller . Disse eksperimentelle data indikerer vigtigheden af ​​IV-2 isoformen for den normale funktion af lungerne hos pattedyr [16] .

For underenheder VIa-L og VIa-H var det muligt at bestemme specifikke funktioner. Det viste sig, at protonpumpekapaciteten (H + /e - støkiometri ) af nyre - lever -komplekset faldt fra 1 til 0,5 ved lave koncentrationer af fri palmitinsyre , hvilket ikke forekom med hjerte - muskelkompleks IV indeholdende VIa-H isoform. Den hypotese, fysiologiske betydning af denne proces er at forbedre termogenese og opretholde kropstemperatur i alle væv undtagen muskler som reaktion på frit palmitat. VIa-H-underenheden fra hjertet og musklerne stimulerer kompleksets arbejde ved at binde ADP og omvendt reducerer H + /e - støkiometrien ved et højt ATP/ADP-forhold. Den fysiologiske betydning af denne funktion er at øge termogenese i musklerne under søvn eller hvile, når ATP-forbruget reduceres, og ATP/ADP-forholdet forbliver højt. VIa-H-underenheden er fraværende i fisk [16] .

Kofaktorer

Komplekse IV cofaktorer er placeret på to store enheder, I og II, indlejret i membranen. Underenhed I danner tolv transmembrane α-helixer og indeholder tre redoxcentre: hæm a ( redoxpotentiale + 0,22 V [1] ) og det såkaldte binukleære center a 3 -Cu B , som omfatter hæm a 3 og et kobberatom CuB . Hæm a og a 3 er kemisk identiske, men jernet i hæm a er seks-koordineret, da det danner seks koordinationsbindinger med de fire nitrogenatomer i pyrrolringene og to nitrogenatomer af nærliggende histidinrester , mens det i hæm a 3 dannes kun fem koordinationsbindinger, hvilket gør den sjette binding tilgængelig for binding med molekylært oxygen . Modsat hæmjernet a 3 er et kobberatom Cu B ligeret med tre histidinrester. Selvom der ikke er nogen bindende elementer mellem jernet og kobberet i det binukleære center, observeres stærk antiferromagnetisk konjugation mellem dem [28] . Det binukleære centers redoxpotentiale er ca. +0,24 V [1] .

Krystallografiske undersøgelser afslørede en usædvanlig post-translationel modifikation af underenhed I: histidin-240 [K 3] er kovalent bundet gennem sit nitrogenatom i tau - positionen til meta - carbonet i benzenringen af ​​tyrosin - 244. Denne tyrosinrest leverer en elektron og en proton til at reducere ilt til dannelse af et neutralt radikal . Derudover skaber den kovalente binding en pentamer ring af aminosyrer , hvis glutamatrest er en vigtig bestanddel af protontransport [ 23] .

Underenhed II har et Cu A - center ( redoxpotentiale = − 0,70 V [1] ), som består af to kobberatomer direkte forbundet med en kovalent binding. Det ligeres med seks aminosyrerester: to cysteinrester , to histidinrester, en methioninrest og en glutaminsyrepeptidcarboxyl . Fungerer som en en-elektronbærer [28] .

Røntgendiffraktionsanalyse og stedspecifik mutagenese af underenhed I afslørede de veje, hvormed protoner kan trænge ind i komplekset og krydse membranen. Disse veje kaldes D-, K- og H-kanaler. Kanaler foret med polære aminosyrerester indeholder et andet antal vandmolekyler. Mg 2+ ionen fundet i komplekset kan være lige hvad der er nødvendigt for at stabilisere disse molekyler. Det antages, at K-kanalen forbinder den vandige fase af matrixen med det binukleære center og tjener til at levere de "substrat"-protoner, der er nødvendige for dannelsen af ​​vand fra oxygen. D-kanalen ser ud til at danne en gennemgående bane, og både "substrat"-protoner og protoner, der pumpes gennem membranen, kan passere gennem den. I eukaryoter er der fundet en yderligere H-kanal, som sandsynligvis også er ende-til-ende [23] [29] .

Reaktion

Den samlede reaktion katalyseret af komplekset er beskrevet ved følgende ligning:

En elektrons vej i komplekset er kendt. Cytokrom c binder til underenhed II medieret af underenhederne I, III og VIb og genopretter Cu A - centret placeret nær membranoverfladen. Fra Cu A - centret går elektronen til hæm a og derefter til det binukleære center en 3 -Cu B placeret i membranens tykkelse. Det er i det binukleare centrum, at O ​​2 bindes og reduceres til H 2 O [3] . Da oxygen har en høj elektronaffinitet, frigiver det en stor mængde fri energi i processen med reduktion til vand . På grund af dette er aerobe organismer i stand til at modtage meget mere energi, end der udelukkende kan produceres med anaerobe midler.

Oxygenreduktionsmekanisme

Mekanismen for iltreduktion har længe været genstand for intens undersøgelse, men er ikke helt klar. Den katalytiske cyklus af cytochromoxidase består af seks stadier, betegnet med A (addukt, engelsk  addukt ) [30] , P ( peroxymellemprodukt fra engelsk  peroxymellemprodukt ), F (ferryloxo-mellemprodukt fra engelsk  ferryl-oxo-mellemprodukt ) [30] , O H (totalt oxideret højenergitilstand fra den engelske  Fuldt oxideret højenergitilstand ), E (en-elektron-reduceret tilstand fra den engelske  One-electron-reduceret tilstand ) og R (reduceret tilstand fra den engelske  reducerede tilstand ) og såkaldte efter tilstanden af ​​det binukleare center [31] . Det skal bemærkes, at nomenklaturen af ​​katalytiske tilstande er betydeligt forældet, ikke altid afspejler den reelle kemiske tilstand af det binukleare center og bibeholdes stort set af historiske årsager. For eksempel på P -stadiet er ilt i det binukleare center slet ikke i peroxidform , som man troede for 30 år siden, men i oxoferryltilstanden, hvor bindingen mellem oxygenatomerne allerede er brudt [30] . Ifølge moderne koncepter sker oxygenreduktion i cytochrom c-oxidase ved hurtig og fuldstændig reduktion med parvis elektronoverførsel, hvilket udelukker dannelsen af ​​reaktive oxygenarter . Følgende sekvens af begivenheder forekommer [30] [32] [33] :

• A Et fuldt reduceret binukleært center binder hurtigt O 2 til dannelse af et oxygenaddukt, hvilket fører til konformationelle omlejringer (angivet med tynde sorte pile).
• P M Der sker en hurtig overførsel af fire elektroner til oxygen: to forsynes af hæmjern a 3 (Fe II → Fe IV ), en anden er placeret i nærheden af ​​Cu B (Cu I → Cu II ), og den fjerde kommer fra tyrosin-244-rest, giver det også den proton, der er nødvendig for at bryde O 2 -dobbeltbindingen . Det resulterende neutrale tyrosin-radikal reduceres til tilstanden af ​​en anion på bekostning af en elektron fra cytochrom c .
• P R Protonering af Cu(II)-OH − sker med dannelsen af ​​et vandmolekyle.
• F Det resulterende vandmolekyle binder til Cu B -koordinationsbindingen. Jern Fe (IV) \u003d O 2- reduceres til Fe III , og ilten forbundet med det protoneres. Det første vandmolekyle frigives.
• O H Tyrosinanionen protoneres, og Cu B reduceres til Cu I på bekostning af en elektron fra cytochrom c .
• EH Jern reduceres til Fe II , hvorefter OH-gruppen forbundet med det protoneres til dannelse af et andet vandmolekyle.
• R I denne tilstand er det binukleære center fuldstændigt reduceret, og komplekset er klar til at binde et nyt oxygenmolekyle.

Protontransportmekanisme

Det er kendt, at eukaryot cytochromoxidase overfører en proton over membranen for hver elektron modtaget fra cytochrom c . Ad gangen pumper komplekset én "substrat" -proton , der bruges til at danne vand, gennem kanal K og overfører en yderligere proton over membranen gennem kanal D. Under en katalytisk cyklus forekommer translokationshændelsen i fire relativt stabile stadier: PM , F , OH og EH . _ _

Den nøjagtige mekanisme for protontransport er stadig ikke klar: I de senere år er der blevet foreslået mange modeller, hvor der er gjort forsøg på at beskrive denne proces i detaljer [33] . Det er heller ikke klart, hvordan konjugationen af ​​elektronenergien med protonernes bevægelse udføres. Generelt kan det dog beskrives som følger [31] :

1. I den indledende fase af cyklussen lukkes kompleksets protonkanaler, hvorefter cytochrom c overfører en elektron til Cu A - centret.
2. Elektronen bevæger sig hurtigt fra Cu A - centret til hæmen a , hvilket fører til en ændring i redoxpotentialet og får vandmolekylerne i kanal D til at omorientere sig, hvilket gør den åben for en proton. Som et resultat af at flytte en elektron fra Cu A til hæm a , bevæger en proton sig gennem kanal D og indlæses i PLS protonbelastningsstedet . 
3. Elektronen passerer til det binukleære center for at hæmme a 3 , som et resultat af hvilket en substratproton kommer ind gennem K-kanalen. Samtidig oplever protonen i PLS en signifikant stigning i surhedsgraden (fra pK=11 til pK=5).
4. I det sidste trin af cyklussen udstødes protonen, der er forudindlæst i PLS, som det antages, på grund af elektrostatisk frastødning fra substratprotonen, som deltager i reduktionen af ​​oxygen i det binukleære center.

Regulering og montering

Biogenesen af ​​kompleks IV er en meget kompleks og velreguleret proces, som har været genstand for intens undersøgelse i lang tid. Samlingen af ​​komplekset involverer mere end tyve hjælpefaktorer kodet i kernen, såvel som proteiner, der indsætter hæmer a , a 3 og kobberatomer i det. Dette inkluderer også mindst 15 translationsaktiverende proteiner fra mitokondrielle underenheder, der er ansvarlige for den korrekte transkription og splejsning af mRNA og translationsaktivering , specielle translokaser , der er nødvendige for transporten af ​​nukleare underenheder til mitokondrier, samt enzymer til biosyntesen af ​​cofaktorer [34] . Ud over særlige samlingsfaktorer kræver biogenesen af ​​kompleks IV et betydeligt antal proteiner med høj specificitet, herunder ATP-afhængige peptidaser , der er ansvarlige for propeptidbehandling [16] .

Post-translationel regulering af kompleks IV-aktivitet er ikke mindre kompleks og opnås på mange forskellige måder. Disse omfatter underenhedsphosphorylering , reversibel binding af nogle perifere underenheder, regulering ved brug af visse isoformer af nukleare underenheder, som afhænger af udviklingsstadiet og vævstype, allosterisk regulering af ATP og ADP på ​​ti bindingssteder (i pattedyrs cytochromoxidase) , mono- og dimeriseringskompleks, samt dets interaktion med andre respiratoriske komplekser med dannelse af respiraser [16] .

Fosforylering af kompleksets underenheder er af særlig betydning, da det forbinder dets aktivitet med virkningen af ​​regulerende kaskader af cellen og arbejdet i Krebs-cyklussen . Fosforylering og dephosphorylering forårsager virkninger såsom frigivelse af hæmning gennem ATP i tider med stress eller udløser apoptose . I alt blev der fundet 18 positioner for fosforylering i komplekset, men den nøjagtige funktion af fosforylering for hver af disse positioner er ikke blevet bestemt [16] .

Position i proteinklassifikationssystemet

Cytokromoxidase tilhører protein-superfamilien af ​​hæm-kobberoxidoreduktaser ( i klassificeringen af ​​enzymer blev det overført til klasse 7-translokaser), som omfatter de fleste af de i øjeblikket kendte terminale oxidaser , såvel som reduktaser af nitrogenoxid (II) ) , som katalyserer to-elektron-reduktionen af ​​NO til N2O for at danne vand. Alle repræsentanter for denne superfamilie er kendetegnet ved tilstedeværelsen af ​​underenhed I med en konservativ tertiær struktur , en lav-spin hæm og et binukleært center fra et kobberatom og en high-spin hæm. Medlemmer af superfamilien er underopdelt i familier i henhold til typen af ​​hæm, tilstedeværelsen af ​​yderligere cofaktorer, aminosyresekvens, tertiær struktur og antal underenheder, typen af ​​substrat, der oxideres, og strukturen af ​​proton-overførselskanaler eller deres fravær [35] . Tilstedeværelsen af ​​yderligere underenheder, der bærer yderligere hæmer eller metalatomer (eller det fuldstændige fravær af dem) gør det muligt for disse enzymer at modtage elektroner fra forskellige typer substrater: forskellige membranbærere såsom quinoner , vandopløselige cytochromer eller blå kobberbindende proteiner [ 36] .

Familie A er den største og mest undersøgte familie af alle hæm kobberoxidoreduktaser. Det er kendetegnet ved sammensætningen af ​​hæm af typen aa 3 eller caa 3 . Repræsentanter for denne familie består normalt af tre underenheder: I, II og III, som er homologe med underenhederne af det typiske medlem af familien, mitokondriel cytochrom c-oxidase. De har mindst to protonkanaler, D og K, og translokerer protoner med støkiometri H + /e - . Pattedyrs cytochrom c-oxidase tilhører A 1 - underfamilien sammen med P. denitrificans og R. sphaeroides [37] cytochromoxidaser .

Familie B-oxidaser består af tre underenheder: I, II og IIa. Underenhed IIa er den eneste transmembrankæde, der i struktur ligner den anden transmembrankæde i underenhed II fra familie A. De har kun én alternativ protonkanal K, protonoverførselsstøkiometri er 0,5-0,75 H + /e - [36] [38] [ 39] . Et sæt hæmer af typen ba 3 , b(o)a 3 og aa 3 [35] er karakteristisk .

Familie C omfatter kun terminale oxidaser af typen cbb 3 . De har en ekstra underenhed, der kan binde en eller to hæmer c [35] . Dette er den næststørste familie af oxygenreduktaser (24 %) efter familie A (71 %) [36] . Der er en alternativ kanal K, som i struktur adskiller sig fra K-kanalen af ​​reduktaser fra familie B. Støkiometrien af ​​protonoverførsel er 0,2-0,4 H + /e - , men ifølge andre data 0,6-1 [35] . Denne familie findes kun blandt bakterier, da de fleste arkæer ikke kan syntetisere hæm c [36] .

Baseret på bioinformatikanalyse blev det foreslået at isolere små familier D, E, F, G og H, som kun er repræsenteret i archaea og er ekstremt forskellige. I det klassiske system er alle disse familier inkluderet i B-familien, men den høje mangfoldighed af deres primære struktur taler for at adskille dem i separate familier [36] .

Intracellulær distribution

Tre kerneunderenheder af cytochrom c-oxidase kodet i mitokondriegenomet er for nylig blevet fundet uden for mitokondrier. De blev fundet i zymogene granulat af pancreas acini . Relativt høje koncentrationer af disse underenheder er blevet fundet i sekretoriske granulat sammen med væksthormon i hypofysen [40] . Funktionerne af disse underenheder uden for mitokondrierne er endnu ikke blevet bestemt. Ud over cytochrom c-oxidase-underenheder er mange andre mitokondrielle proteiner blevet fundet uden for mitokondrier [41] [42] . I forbindelse med disse fund blev der fremsat en hypotese om eksistensen af ​​en ukendt mekanisme til transport af proteiner fra mitokondrier til andre cellulære rum [40] [42] [43] .

Inhibitorer

Cyanider , sulfider , azider , kulilte og nitrogenmonoxid [44] binder sig til enzymets oxiderede eller reducerede binukleære center og konkurrerer med ilt, hvilket hæmmer enzymet, hvilket fører til celledød fra kemisk asfyksi . Methanol , som er en del af industriel alkohol , omdannes i kroppen til myresyre , som også kan hæmme cytochromoxidase [45] .

Kliniske og praktiske implikationer

Mutationer , der påvirker den enzymatiske aktivitet eller struktur af cytochrom c-oxidase, fører til alvorlige og sædvanligvis fatale metaboliske forstyrrelser. Sådanne lidelser opstår normalt i den tidlige barndom og påvirker overvejende væv med højt energiforbrug ( hjerne , hjerte, muskler). Blandt de mange mitokondrielle sygdomme anses sygdomme forbundet med dysfunktion eller unormal samling af cytochromoxidase som de mest alvorlige [46] .

Langt størstedelen af ​​cytochromoxidase-dysfunktioner er forbundet med mutationer i samlingsfaktorerne af dette kompleks kodet i kernen. De sikrer den korrekte samling og drift af komplekset og er involveret i adskillige vitale processer, herunder transkription og translation af mitokondrielle underenheder, behandling af propeptider og deres inkorporering i membranen, samt biosyntese af cofaktorer og deres fiksering i komplekset [47 ] .

Til dato er mutationer blevet identificeret i syv samlingsfaktorer: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 og LRPPRC . Mutationer i disse proteiner kan føre til ændringer i kompleksets funktion, fejlsamling af subkomplekser, afbrydelse af kobbertransport eller regulering af translation. En mutation i hvert af generne er forbundet med ætiologien af ​​en bestemt sygdom, hvoraf nogle kan føre til flere lidelser. Sådanne genetiske lidelser omfatter Leighs syndrom , kardiomyopati , encefalopati , leukodystrofi , anæmi og sensorineuralt høretab [47] .

Histokemi

Histokemisk farvning af kompleks IV bruges til at kortlægge metabolisk aktive områder af hjernen hos dyr, da der er en direkte sammenhæng mellem aktiviteten af ​​dette enzym og aktiviteten af ​​hele neuronen [48] . En sådan kortlægning blev udført på mutante mus med forskellige lidelser i lillehjernen , især på mus fra spolelinjen [49] og på en transgen model for Alzheimers sygdom [50] . Denne teknik er også blevet brugt til at kortlægge områder af dyrehjernen, der er aktive under indlæring [51] .

DNA-stregkodning

Sekvensen af ​​cytochrom c-oxidase-underenhed I-genregionen (ca. 600 nukleotider lang) bruges i vid udstrækning i projekter relateret til DNA-stregkodning  , dvs. at bestemme om en organisme tilhører en bestemt taxon baseret på korte markører i dens DNA [52] [53] .

Se også

• NADH dehydrogenase kompleks
• Succinat dehydrogenase
• Cytokrom-b6f-kompleks
• Cytokrom-bc1-kompleks
• Respirasom

Noter

1. ↑ I dette tilfælde bruges Kadenbachs nomenklatur, som er accepteret for alle pattedyr.
2. ↑ Medmindre andet er angivet, er underenheden udtrykt i alle væv.
3. ↑ Ifølge nummereringen af ​​det bullish kompleks IV.

Kilder

1. ↑ 1 2 3 4 Ermakov, 2005 , s. 243.
2. ↑ Elena A. Gorbikova, Ilya Belevich, Mårten Wikström og Michael I. Verkhovsky. Protondonoren for OGraphicO-bindingsspaltning ved cytochrom c-oxidase  (engelsk)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 12. marts 2008. - Bd. 105 , nr. 31 . - P. 10733-10737 . - doi : 10.1073/pnas.0802512105 .
3. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , s. 244.
4. ↑ 1 2 Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras, Lawrence I. Grossman. Cytochrom c-oxidase: Udvikling af kontrol via nuklear subunit addition  (engelsk)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics : journal. - April 2012. - Bd. 1817 , Nr. 4 . - S. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 . — PMID 21802404 .
5. ↑ 1 2 3 4 Hartmut Michel. Struktur og mekanisme af Otto Warburgs respiratoriske enzym, cytochromet med oxidase  (engelsk) (2013). Dato for adgang: 18. februar 2016.
6. ↑ Thomas L. Mason og Gottfried Schatz. Cytokrom med Oxidase fra Bakers' Yeast II. OVERSÆTTELSESSTED AF PROTEINKOMPONENTERNE  (engelsk)  // The Journal of Biological Chemistry  : tidsskrift. - 25. februar - Vol. 248 . - S. 1355-1360 .
7. ↑ David Kelin. Historien om celleånding og cytokrom . - Cambridge University Press, 1966.
8. ↑ William W. Parson. Moderne optisk spektroskopi med øvelser og eksempler fra biofysik og biokemi . - Springer, 2009. - ISBN 978-3-662-46777-0 .
9. ↑ Warburg, Otto Heinrich. Atmungsferment und Oxydasen  //  Biochemische Zeitschrift : journal. - 1929. - Bd. 214 . - S. 1-3 .
10. ↑ D. Keilin, E. F. Hartree. Cytokrom og cytokromoxidase  (engelsk)  // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences  : tidsskrift. - 18. maj 1939. - Bd. 127 . - S. 167-191 . - doi : 10.1098/rspb.1939.0016 .
11. ↑ 1 2 Mårten Wikström. Aktivt sted mellemprodukter i reduktionen af ​​O2 med cytochromoxidase og deres derivater  //  Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - April 2012. - Bd. 1817 , Nr. 4 . - S. 468-475 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2011.10.010 .
12. ↑ Biologiske oxidationer:34. Colloquium - Mosbach / Redigeret af H. Sund og V. Ullrich. — Berlin; Heidelberg; New York Tokyo: Springer-Verlag, 1983. - S. 191. - ISBN 978-3-642-69469-1 .
13. ↑ Mårten KF Wikström. Protonpumpe koblet til cytochrom c-oxidase i mitokondrier.  (engelsk)  // Natur: journal. - 1977 17. marts - Vol. 266 . - S. 271-273 . - doi : 10.1038/266271a0 .
14. ↑ Peter R. Rich. Et perspektiv på Peter Mitchell og den kemiosmotiske teori  (engelsk)  // J Bioenerg Biomembr : journal. - 2008. - Bd. 40 . - S. 407-410 . - doi : 10.1007/s10863-008-9173-7 .
15. ↑ R. Gregory. Biophysical Chemistry of Dioxygen Reactions in Respiration and Photosyntheses / Redigeret af Tore Vänngård. - Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press, 1988. - S. 36. - ISBN 0-521-36604-6 .
16. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bernhard Kadenbacha, Maik Hüttemannb. Underenhedens sammensætning og funktion af pattedyrs cytochrom c-oxidase  (engelsk)  // Mitochondrion : journal. - 2015. - September ( bind 24 ). - S. 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. Struktur af nuklear-lokaliserede cox3-gener i Chlamydomonas reinhardtii og i dens farveløse nære slægtning Polytomella sp  (engelsk)  // Current Genetics: journal. - 2002. - Bd. 40 , nej. 2 . - S. 399-404 . - doi : 10.1007/s00294-002-0270-6 . — PMID 11919679 .
18. ↑ Taanman JW Human cytochrom c-oxidase: struktur, funktion og mangel. (engelsk)  // J Bioenerg Biomembr. : journal. - 1997. - Bd. 29 , nr. 2 . - S. 151-163 . — PMID 9239540 .
19. ↑ 1 2 3 4 Ileana C. Sotoa, Flavia Fontanesib, Jingjing Liua, Antoni Barrientosa. Biogenese og samling af eukaryotisk cytokrom med oxidase-katalytisk kerne  (engelsk)  // et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - 2012. - Juni ( bd. 1817 , nr. 6 ). - s. 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 er en underenhed af kompleks IV af pattedyrets elektrontransportkæde  (engelsk)  // Cell Metab. : journal. - 2012. - September ( bind 16 , nr. 3 ). - s. 378-386 . - doi : 10.1016/j.cmet.2012.07.015 . — PMID 22902835 .
21. ↑ Bernhard Kadenbacha, Maik Hüttemannb. Underenhedens sammensætning og funktion af pattedyrs cytochrom c-oxidase  (engelsk)  // Mitochondrion : journal. - 2015. - September ( bind 15 ). - S. 64-76 . - doi : 10.1016/j.mito.2015.07.002 . — PMID 26190566 .
22. ↑ 1 2 Sone N., Takagi T. Monomer-dimer struktur af cytochrom-c oxidase og cytochrom bc1 kompleks fra den termofile bakterie PS3. (engelsk)  // Biochim Biophys Acta : journal. - 1990. - November ( bd. 1020 , nr. 2 ). - S. 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. Gærcytokrom c-oxidase: Et modelsystem til at studere mitokondrielle former af hæm-kobberoxidase-superfamilien  (engelsk)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - 2012. - April ( bd. 1817 , nr. 4 ). - S. 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. Mitokondriel cytochrom med oxidase- og succinatdehydrogenasekomplekser indeholder plantespecifikke underenheder.  (engelsk)  // Plant Mol Biol: tidsskrift. - 2004. - September ( bind 56 , nr. 1 ). - S. 77-90 . — PMID 15604729 .
25. ↑ 1 2 Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras, Lawrence I. Grossman. Cytochrom c-oxidase: Udvikling af kontrol via nuklear subunit addition. (engelsk)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: tidsskrift. - April 2012. - Bd. 1817 , Nr. 4 . - S. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 .
26. ↑ Arnold S., Goglia F., Kadenbach B. 3,5-Diiodothyronine binder til underenhed Va af cytochrom-c-oxidase og ophæver den allosteriske hæmning af respiration af ATP. (engelsk)  // Eur J Biochem. : journal. - 1998. - Bd. 252 , nr. 2 . - S. 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. Udvikling af iltfølsomheden af ​​cytochrom c oxidase underenhed 4  // American Physiological  Society : journal. - februar 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. Strukturer af metalsteder i oxideret bovint hjerte cytochrom c oxidase ved 2,8 A  (engelsk)  // Science : journal. - 1995. - August ( bind 269 , nr. 5227 ). - S. 1069-1074 . - doi : 10.1126/science.7652554 . — PMID 7652554 .
29. ↑ Ermakov, 2005 , s. 245.
30. ↑ 1 2 3 4 Alexander A. Konstantinov. Cytokrom c-oxidase: Mellemprodukter af den katalytiske cyklus og deres energikoblede interkonversion  //  FEBS - bogstaver : journal. - marts 2012. - Bd. 586 , nr. 5 . - S. 630-639 . - doi : 10.1016/j.febslet.2011.08.037 .
31. ↑ 1 2 Ilya Belevich & Michael Verkhovsky. Hjemmeside for Molecular Biophysics  Group . Hentet: 20. februar 2016.
32. ↑ Vivek Sharmaa, Giray Enkavia, Ilpo Vattulainena, Tomasz Róga og Mårten Wikströmc. Protonkoblet elektronoverførsel og vandmolekylers rolle i protonpumpning af cytochrom c-oxidase  (engelsk)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - Januar 2015. - Vol. 112 , nr. 7 . - S. 2040-2045 . - doi : 10.1073/pnas.1409543112 .
33. ↑ 1 2 Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Regis Pomès. Elektrostatisk kontrol af protonpumpning i cytochrom c-oxidase  (engelsk)  // BBA : journal. - marts 2008. - Bd. 1777 , Nr. 3 . - S. 277-284 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2007.11.010 .
34. ↑ Ileana C. Sotoa, Flavia Fontanesib, Jingjing Liua, Antoni Barrientos. Biogenese og samling af eukaryotisk cytokrom med oxidase-katalytisk kerne  (engelsk)  // Biochimica et Biophysica Acta : journal. - juni 2012. - Bd. 1817 , Nr. 6 . - s. 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. Superfamilien af ​​hæm-kobber oxygenreduktaser: typer og evolutionære overvejelser  (engelsk)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - April 2012. - Bd. 1817 , Nr. 4 . - s. 629-637 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.020 .
36. ↑ 1 2 3 4 5 Hemp J., Gennis RB. Mangfoldighed af hæm-kobber-superfamilien i archaea: indsigt fra genomik og strukturel modellering. (eng.)  // Resultater Probl Cell Differ. : journal. - 2008. - Bd. 45 . - S. 1-31 . - doi : 10.1007/400_2007_046. . — PMID 18183358 .
37. ↑ Shinya Yoshikawa og Atsuhiro Shimada. Reaktionsmekanisme for cytokrom med oxidase  (engelsk)  // Chem. Rev. : journal. - 2015. - Bd. 115 , nr. 4 . - S. 1936-1989 . - doi : 10.1021/cr500266a .
38. ↑ Sergey A. Siletsky, Ilya Belevich, Audrius Jasaitis, Alexander A. Konstantinov, Mårten Wikström. Tidsløst enkeltomsætning af ba3 oxidase fra Thermus thermophilus  (engelsk)  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 2007-12. — Bd. 1767 , iss. 12 . - S. 1383-1392 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2007.09.010 .
39. ↑ Sergey A. Siletsky, Ilya Belevich, Nikolai P. Belevich, Tewfik Soulimane, Mårten Wikström. Tidsbestemt generering af membranpotentiale ved hjælp af ba-cytokrom c-oxidase fra Thermus thermophilus koblet til enkeltelektroninjektion i O- og OH-tilstandene   // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics . — 2017-11. — Bd. 1858 , iss. 11 . — S. 915–926 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2017.08.007 .
40. ↑ 1 2 Sadacharan SK, Singh B., Bowes T., Gupta RS Lokalisering af mitokondrielt DNA kodet cytochrom med oxidaseunderenheder I og II i rottepancreaszymogengranulat og hypofysevæksthormongranulat  (engelsk)  // Histochem. Celle biol. : journal. - 2005. - Bd. 124 , nr. 5 . - S. 409-421 . - doi : 10.1007/s00418-005-0056-2 . — PMID 16133117 .
41. ↑ Gupta RS, Ramachandra NB, Bowes T., Singh B. Usædvanlig cellulær disposition af de mitokondrielle molekylære chaperoner Hsp60, Hsp70 og Hsp10  //  Novartis fundet. Symp. : journal. - 2008. - Bd. 291 . - s. 59-68; diskussion 69-73, 137-40 . - doi : 10.1002/9780470754030.ch5 . — PMID 18575266 .
42. ↑ 1 2 Soltys BJ, Gupta RS Mitokondrielle proteiner på uventede cellulære steder: eksport af proteiner fra mitokondrier fra et evolutionært perspektiv   // Int . Rev. Cytol. : journal. - 2000. - Vol. 194 . - S. 133-196 . - doi : 10.1016/s0074-7696(08)62396-7 . — PMID 10494626 .
43. ↑ Soltys BJ, Gupta RS Mitochondrial-matrixproteiner på uventede steder: eksporteres de? (engelsk)  // Trends Biochem. sci. : journal. - 1999. - Bd. 24 , nr. 5 . - S. 174-177 . - doi : 10.1016/s0968-0004(99)01390-0 . — PMID 10322429 .
44. ↑ Alonso JR, Cardellach F., López S., Casademont J., Miró O. Carbonmonoxid hæmmer specifikt cytochrom c-oxidase af human mitokondriel respiratorisk kæde   // Pharmacol . Toxicol. : journal. - 2003. - September ( bind 93 , nr. 3 ). - S. 142-146 . - doi : 10.1034/j.1600-0773.2003.930306.x . — PMID 12969439 .
45. ↑ Chris E. Cooper & Guy C. Brown. Hæmningen af ​​mitokondriel cytochromoxidase af gasserne kulilte, nitrogenoxid, hydrogencyanid og hydrogensulfid: kemisk mekanisme og fysiologisk betydning  (engelsk)  // Bioenerg Biomembr : tidsskrift. - 2008. - Oktober ( bind 40 ). - S. 533-539 . - doi : 10.1007/s10863-008-9166-6 .
46. ↑ Pecina P., Houstková H., Hansíková H., Zeman J., Houstek J. Genetiske defekter af cytochrom c-  oxidasesamling (neopr.)  // Physiol Res. - 2004. - T. 53 Suppl 1 . - S. S213-23 . — PMID 15119951 .
47. ↑ 1 2 Zee JM, Glerum DM Defekter i cytochromoxidasesamling hos mennesker: lektioner fra gær   // Biochem . Celle biol. : journal. - 2006. - December ( bind 84 , nr. 6 ). - S. 859-869 . - doi : 10.1139/o06-201 . — PMID 17215873 .
48. ↑ Wong-Riley MT Cytochromoxidase: en endogen metabolisk markør for neuronal aktivitet. (engelsk)  // Trends Neurosci. : journal. - 1989. - Bd. 12 , nr. 3 . - S. 94-111 . - doi : 10.1016/0166-2236(89)90165-3 . — PMID 2469224 .
49. ↑ Strazielle C., Hayzoun K., Derer M., Mariani J., Lalonde R. Regionale hjernevariationer af cytochromoxidaseaktivitet i Relnrl-orl mutantmus. (engelsk)  // J. Neurosci. Res. : journal. - 2006. - April ( bd. 83 , nr. 5 ). - s. 821-831 . - doi : 10.1002/jnr.20772 . — PMID 16511878 .
50. ↑ Strazielle C., Sturchler-Pierrat C., Staufenbiel M., Lalonde R. Regional hjernecytokromoxidaseaktivitet i transgene mus med beta-amyloid precursorprotein med den svenske mutation. (engelsk)  // Neurovidenskab : journal. - Elsevier , 2003. - Vol. 118 , nr. 4 . - S. 1151-1163 . - doi : 10.1016/S0306-4522(03)00037-X . — PMID 12732258 .
51. ↑ Conejo NM, Gonzalez-Pardo H., Gonzalez-Lima F., Arias JL Rumlig indlæring af vandlabyrinten: progression af hjernekredsløb kortlagt med cytochromoxidasehistokemi. (engelsk)  // Neurobiol. lære. Mem. : journal. - 2010. - Bd. 93 , nr. 3 . - s. 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. Biologiske identifikationer gennem DNA-stregkoder  (engelsk)  // Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences  : tidsskrift. - februar 2003. - Bd. 270 , nr. 1512 . - s. 313-321 . - doi : 10.1098/rspb.2002.2218 .
53. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 år siden indførelsen af ​​DNA-stregkodning: fra teori til anvendelse  //  Journal of Applied Genetics : tidsskrift. - februar 2014. - Bd. 55 , nr. 1 . - S. 43-52 . — ISSN 2190-3883 . - doi : 10.1007/s13353-013-0180-y .

Litteratur

• Plantefysiologi / Udg. I. P. Ermakova. - M . : Akademiet, 2005. - 634 s.
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger's Fundamentals of Biochemistry. Bioenergetik og stofskifte. = Leninger Principles of Biochemistry. — Binom. Videnlaboratoriet, 2012. - V. 2. - S. 344. - 692 s. — (Den bedste udenlandske lærebog). — ISBN 978-5-94774-365-4 .

Links

• Instituto Gulbenkian de Ciência & Universidade Nova de Lisboa. Hæm-kobber oxygenreduktaser (HCOs) klassificering (2009-2010). (ubestemt)
• UMich Orientering af proteiner i membranfamilier /overfamilie-4
• MeSH Cytochrom-c+Oxidase