Sytokromi c -oksidaasi - Cytochrome c oxidase

Sytokromi c -oksidaasi
Sytokromi C -oksidaasi 1OCC kalvossa 2.png
Kiderakenne naudan sytokromi c -oksidaasin fosfolipidikaksoiskerroskal-. Kalvojen välinen tila sijaitsee kuvan yläosassa. Muokattu ATE : 1OCC (se on tässä rakenteessa homodimeeri )
Tunnisteet
EY -nro 1.9.3.1
CAS -nro 9001-16-5
Tietokannat
IntEnz IntEnz -näkymä
BRENDA BRENDA -merkintä
ExPASy NiceZyme -näkymä
KEGG KEGG -merkintä
MetaCyc aineenvaihduntareitti
PRIAM profiili
ATE -rakenteet RCSB PDB PDBe ATE
Geenien ontologia Amigo / QuickGO
Sytokromi c -oksidaasi
Cmplx4.PNG
Alayksikkö I ja II yhdistelmä IV eikä mitään muita alayksiköt, ATE : 2EIK
Tunnisteet
Symboli Sytokromi c -oksidaasi
OPM -superperhe 4
OPM -proteiini 2v
Membranomi 257

Entsyymi sytokromi-c-oksidaasi tai yhdistelmä IV , EY 1.9.3.1 , on suuri transmembraaniproteiini esiintyvästä bakteerit , arkkien , ja mitokondrioiden ja eukaryooteissa .

Se on viimeinen entsyymi kalvossa olevien solujen hengityselinten elektronien siirtoketjussa. Se vastaanottaa elektroneja kustakin neljästä sytokromi-c -molekyylejä, ja siirtää ne yhden dihappea molekyyliin, muunnetaan molekulaarisen hapen kaksi molekyyliä vettä. Tässä prosessissa se sitoo neljä protonia sisäisestä vesifaasista kahden vesimolekyylin muodostamiseksi ja siirtää vielä neljä protonia kalvon poikki, mikä lisää protonien sähkökemiallisen potentiaalin kalvoneroa, jota ATP -syntaasi käyttää sitten ATP: n syntetisoimiseen .

Rakenne

Monimutkainen

Kompleksi on suuri kiinteä kalvoproteiini, joka koostuu useista metalliproteesikohdista ja 14 proteiinin alayksiköstä nisäkkäissä. Nisäkkäillä yksitoista alayksikköä on ydinperäistä ja kolme syntetisoidaan mitokondrioissa. Kompleksi sisältää kaksi hemeä , sytokromi a ja sytokromi 3 , ja kaksi kuparikeskusta , Cu A- ja Cu B -keskukset. Itse asiassa sytokromi a 3 ja Cu B muodostavat binukleaarisen keskuksen, joka on hapen pelkistyspaikka. Sytokromi c , jota pelkistää hengitysketjun edellinen komponentti (sytokromi bc1 -kompleksi, kompleksi III), telakoituu lähellä Cu A -binukleaarikeskusta ja välittää siihen elektronin, joka hapetetaan takaisin sytokromi c: ksi, joka sisältää Fe 3+: ta . Pelkistetty Cu A -binuklearikeskus siirtää nyt elektronin sytokromi a: lle, joka puolestaan ​​siirtää elektronin sytokromi 3 -Cu B -binuklearikeskukseen . Kaksi metalli -ionia tässä binukleaarisessa keskuksessa ovat 4,5 Å: n päässä toisistaan ​​ja koordinoivat hydroksidi -ionia täysin hapettuneessa tilassa.

Sytokromi c -oksidaasin kristallografiset tutkimukset osoittavat epätavallisen translaation jälkeisen modifikaation, joka yhdistää Tyrin (244) C6: n ja His: n (240) ε-N: n (naudan entsyymin numerointi). Se on tärkeä merkitys, jotta sytokromi 3 - Cu B kaksiytiminen keskus hyväksyä neljä elektroneja vähentämään molekulaarisen hapen ja veden . Pelkistysmekanismin uskottiin aiemmin sisältävän peroksidivälituotetta , jonka uskottiin johtavan superoksidin tuotantoon. Tällä hetkellä hyväksyttyyn mekanismiin kuuluu kuitenkin nopea neljän elektronin pelkistys, johon liittyy välitön happi-happisidoksen katkaisu, välttäen välituotteita, jotka todennäköisesti muodostavat superoksidia.

Konservoidut alayksiköt

Taulukko sytokromi c -oksidaasikompleksin konservoituneista alayksiköistä
Ei. Alayksikön nimi Ihmisen proteiini Proteiinin kuvaus UniProtilta Pfam -perhe ihmisproteiinilla
1 Cox1 COX1_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 1 Pfam PF00115
2 Cox2 COX2_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 2 Pfam PF02790 , Pfam PF00116
3 Cox3 COX3_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 3 Pfam PF00510
4 Cox4i 1 COX41_HUMAN Sytokromi -oksidaasin alayksikön 4 isomuoto 1, mitokondrio Pfam PF02936
5 Cox4a2 COX42_HUMAN Sytokromi -oksidaasin alayksikön 4 isoformi 2, mitokondrio Pfam PF02936
6 Cox5a COX5A_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 5A, mitokondrio Pfam PF02284
7 Cox5b COX5B_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 5B, mitokondrio Pfam PF01215
8 Cox6a1 CX6A1_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 6A1, mitokondrio Pfam PF02046
9 Cox6a2 CX6A2_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 6A2, mitokondrio Pfam PF02046
10 Cox6b1 CX6B1_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 6B1 Pfam PF02297
11 Cox6b2 CX6B2_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 6B2 Pfam PF02297
12 Cox6c COX6C_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 6C Pfam PF02937
13 Cox7a1 CX7A1_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 7A1, mitokondrio Pfam PF02238
14 Cox7a2 CX7A2_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 7A2, mitokondrio Pfam PF02238
15 Cox7a3 COX7S_HUMAN Oletettu sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 7A3, mitokondrio Pfam PF02238
16 Cox7b COX7B_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 7B, mitokondrio Pfam PF05392
17 Cox7c COX7C_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 7C, mitokondrio Pfam PF02935
18 Cox7r COX7R_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikön 7A sukuinen proteiini, mitokondrio Pfam PF02238
19 Cox8a COX8A_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 8A, mitokondrio P Pfam PF02285
20 Cox8c COX8C_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin alayksikkö 8C, mitokondrio Pfam PF02285
Kokoonpanoyksiköt
1 Coa1 COA1_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanotekijä 1 homologi Pfam PF08695
2 Coa3 COA3_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanotekijä 3 homologi, mitokondrio Pfam PF09813
3 Coa4 COA4_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanotekijä 4 homologi, mitokondrio Pfam PF06747
4 Coa5 COA5_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanotekijä 5 Pfam PF10203
5 Coa6 COA6_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanotekijä 6 homologi Pfam PF02297
6 Coa7 COA7_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanotekijä 7, Pfam PF08238
7 Cox11 COX11_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanoproteiini COX11 mitokondrio Pfam PF04442
8 Cox14 COX14_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanoproteiini Pfam PF14880
9 Cox15 COX15_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanoproteiini COX15 -homologi Pfam PF02628
10 Cox16 COX16_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanoproteiini COX16 -homologinen mitokondrio Pfam PF14138
11 Cox17 COX17_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kuparikaperoni Pfam PF05051
12 Cox18 COX18_HUMAN Mitokondrioiden sisäkalvon proteiini (sytokromi c -oksidaasikokoonpanoproteiini 18) Pfam PF02096
13 Cox19 COX19_HUMAN Sytokromi c -oksidaasin kokoonpanoproteiini Pfam PF06747
14 Cox20 COX20_HUMAN Sytokromi c oksidaasiproteiini 20 homologi Pfam PF12597

Kokoonpano

COX -kokoonpano hiivassa on monimutkainen prosessi, jota ei täysin ymmärretä holoentsyymikompleksin muodostavien hydrofobisten alayksiköiden nopean ja peruuttamattoman aggregaation vuoksi sekä mutanttien alayksiköiden aggregaation kanssa altistuneilla hydrofobisilla laastareilla. COX -alayksiköt on koodattu sekä ydin- että mitokondriogenomeihin. Kolme COX -katalyyttisen ytimen muodostavaa alayksikköä on koodattu mitokondrioiden genomiin.

Hemit ja kofaktorit lisätään alayksiköihin I ja II. Kaksi heme -molekyyliä sijaitsevat alayksikössä I, mikä auttaa kuljettamaan alayksikköön II, jossa kaksi kuparimolekyyliä auttavat elektronien jatkuvassa siirrossa. Alayksiköt I ja IV aloittavat kokoonpanon. Eri alayksiköt voivat liittyä muodostamaan alakompleksisia välituotteita, jotka myöhemmin sitoutuvat muihin alayksiköihin muodostaen COX-kompleksin. Asennuksen jälkeisissä muutoksissa COX muodostaa homodimeerin. Tämä on tarpeen toiminnalle. Molemmat dimeerit on yhdistetty kardiolipiinimolekyylillä , jolla on havaittu olevan keskeinen rooli holoentsyymikompleksin vakauttamisessa. Alayksiköiden VIIa ja III hajoaminen yhdessä kardiolipiinin poistamisen kanssa johtaa entsyymiaktiivisuuden täydelliseen menetykseen. Ydingenomiin koodattujen alayksiköiden tiedetään vaikuttavan entsyymien dimerisaatioon ja stabiilisuuteen. Näiden alayksiköiden mutaatiot poistavat COX -toiminnon.

Kokoamisen tiedetään tapahtuvan vähintään kolmessa erillisessä nopeuden määrittämisvaiheessa. Näiden vaiheiden tuotteet on löydetty, vaikka erityisiä alayksikkökoostumuksia ei ole määritetty.

COX -alayksiköiden I, II ja III synteesiä ja kokoonpanoa helpottavat translaatioaktivaattorit, jotka ovat vuorovaikutuksessa mitokondrioiden mRNA -transkriptien 5' -kääntämättömien alueiden kanssa. Translaation aktivaattorit on koodattu ytimeen. Ne voivat toimia joko suoran tai epäsuoran vuorovaikutuksen kautta muiden translaatiokoneiston komponenttien kanssa, mutta tarkat molekyylimekanismit ovat epäselviä johtuen vaikeuksista, jotka liittyvät translaatiokoneiston syntetisointiin in vitro. Vaikka mitokondrioiden genomiin koodattujen alayksiköiden I, II ja III väliset vuorovaikutukset vaikuttavat vähemmän entsyymin stabiilisuuteen kuin bigenomisten alayksiköiden väliset vuorovaikutukset, nämä alayksiköt ovat konservoituneempia, mikä osoittaa mahdolliset tutkimattomat roolit entsyymiaktiivisuudessa.

Biokemia

Yhteenvetoreaktio:

4 Fe 2+ -sykokromi c + 4 H + sisään + O 2 → 4 Fe 3+ -sykokromi c + 2 H 2 O + 4 H + ulos

Kaksi elektronia johdetaan kahdesta sytokromi -c: stä Cu A- ja sytokromi -a -kohtien kautta sytokromi a 3 -Cu B -binukleaarikeskukseen, jolloin metallit pelkistyvät Fe 2+ -muotoon ja Cu +: ksi . Hydroksiligandi protonoituu ja häviää vedena, jolloin metallien väliin muodostuu tyhjä tila, joka täytetään 02: lla . Happi vähenee nopeasti, ja kaksi elektronia tulee Fe 2+ -sytokromi a 3: sta , joka muuttuu ferryylioksomuotoon (Fe 4+ = O). Cu B: n lähellä oleva happiatomi poimii yhden elektronin Cu + : sta ja toisen elektronin ja protonin Tyrin (244) hydroksyylistä , josta tulee tyrosyyliradikaali. Toinen happi muutetaan hydroksidi -ioniksi ottamalla kaksi elektronia ja protoni. Kolmas toisesta sytokromista c syntyvä elektroni johdetaan kahden ensimmäisen elektronikantoaallon kautta sytokromi a 3 -Cu B -binukleaarikeskukseen, ja tämä elektroni ja kaksi protonia muuttavat tyrosyyliradikaalin takaisin Tyriksi ja hydroksidi sitoutuu Cu B 2+: ksi vesimolekyyliin. Neljäs elektroni toisesta sytokromi c: stä virtaa Cu A: n ja sytokromi a: n kautta sytokromi a 3 -Cu B -binukleaarikeskukseen, vähentäen Fe 4+ = O: sta Fe 3+: ksi , ja happiatomi kerää protonin samanaikaisesti, elvyttäen tämän hapen hydroksidi -ionina koordinoituna sytokromi 3 -Cu B -keskuksen keskellä, kuten se oli tämän syklin alussa. Net menetelmä on se, että neljä vähensi sytokromi-c: n käytetään yhdessä 4 protonia, vähentää O 2 kaksi vesimolekyyliä.

Esto

COX esiintyy kolmessa konformaatiotilassa: täysin hapettunut (pulssi), osittain pelkistetty ja täysin pelkistetty. Jokaisella inhibiittorilla on suuri affiniteetti eri tilaan. Pulssitilassa sekä heme a 3- että Cu B -ydinkeskukset hapettuvat; tämä on entsyymin konformaatio, jolla on suurin aktiivisuus. Kahden elektronin pelkistys käynnistää konformaatiomuutoksen, joka sallii hapen sitoutua aktiivisessa kohdassa osittain pelkistyneeseen entsyymiin. Neljä elektronia sitoutuu COX: ään vähentämään entsyymiä kokonaan. Sen täysin pelkistynyttä tilaa, joka koostuu pelkistyneestä Fe 2+ : sta sytokromi 3 -heemiryhmässä ja alennetusta Cu B + -binuklearikeskuksesta, pidetään entsyymin passiivisena tai lepotilassa.

Syanidi , atsidi ja hiilimonoksidi sitoutuvat kaikki sytokromi c -oksidaasiin estäen proteiinin toimintaa ja johtavat solujen kemialliseen tukehtumiseen . Suurempia molekyylipitoisia happipitoisuuksia tarvitaan kompensoimaan kasvavia inhibiittoripitoisuuksia, mikä johtaa yleiseen metabolisen aktiivisuuden vähenemiseen solussa inhibiittorin läsnä ollessa. Muut ligandit, kuten typpioksidi ja rikkivety, voivat myös estää COX: ää sitoutumalla entsyymin säätelykohtiin, mikä vähentää solujen hengityksen nopeutta.

Syanidi on kilpailematon COX: n estäjä, joka sitoutuu suurella affiniteetilla entsyymin osittain heikentyneeseen tilaan ja estää entsyymin vähentämisen edelleen. Pulssitilassa syanidi sitoutuu hitaasti, mutta suurella affiniteetilla. Ligandin oletetaan stabiloivan sähköstaattisesti molemmat metallit kerrallaan asettumalla niiden väliin. Korkea typpioksidipitoisuus, kuten se, joka lisätään eksogeenisesti entsyymiin, kääntää COX: n syanidiesityksen.

Typpioksidi voi palautuvasti sitoutua kumpaankin metalli -ioniin binukleaarisessa keskuksessa ja hapettaa nitriitiksi. NO ja CN - kilpailevat hapen kanssa sitoutuakseen kohtaan, mikä vähentää solujen hengityksen nopeutta. Endogeenisen NO, kuitenkin, joka on tuotettu alemmilla tasoilla, täydentää CN - esto. Korkeammat NO -tasot, jotka korreloivat enemmän entsyymin olemassaolon kanssa pelkistetyssä tilassa, johtavat syanidin suurempaan estoon. Näillä peruspitoisuuksilla kompleksin IV NO -estämisellä tiedetään olevan hyödyllisiä vaikutuksia, kuten happipitoisuuden nousu verisuonikudoksissa. Entsyymin kyvyttömyys vähentää happea veteen johtaa hapen kertymiseen, joka voi diffundoitua syvemmälle ympäröiviin kudoksiin. Kompleksin IV estämisellä on suurempi vaikutus pienemmillä happipitoisuuksilla, mikä lisää sen käyttökelpoisuutta verisuonia laajentavana aineena tarpeellisissa kudoksissa.

Rikkivety sitoo hiilidioksidia kilpailuttomalla tavalla entsyymin säätelykohdassa, samanlainen kuin hiilimonoksidi. Sulfidilla on suurin affiniteetti entsyymin pulssi- ​​tai osittain pelkistettyihin tiloihin, ja se kykenee pelkistämään entsyymin osittain heme 3 -keskuksessa. On epäselvää, onko endogeeninen H 2 S taso on riittävä inhiboimaan entsyymiä. Rikkivety ja COX: n täysin heikentynyt konformaatio eivät ole vuorovaikutuksessa.

Metanoli on metyloitu väkevien muunnetaan muurahaishappoa , joka myös inhiboi samaa oksidaasi-järjestelmän. Korkeat ATP -tasot voivat allosteerisesti estää sytokromi c -oksidaasia, joka sitoutuu mitokondrio -matriisiin.

Ekstramitokondriaaliset ja solunsisäiset lokalisoinnit

Sijainti 3 sytokromi-c-oksidaasi alayksikön geenit ihmisen mitokondriogenomi: COXI , COXII , ja COXIII (oranssi laatikot).

Sytokromi c -oksidaasilla on 3 alayksikköä, jotka mitokondrio -DNA koodaa (sytokromi -oksidaasin alayksikkö I , alayksikkö II ja alayksikkö III ). Näistä kolmesta mitokondrio -DNA: n koodaamasta alayksiköstä kaksi on tunnistettu ekstramitokondriaalisissa paikoissa. In haiman rakkulakudoksen, nämä alayksiköt löydettiin tsymogeeni rakeita. Lisäksi aivolisäkkeen etuosassa näitä alayksiköitä havaittiin suhteellisen suuria määriä kasvuhormonin eritysrakeissa. Näiden sytokromi c -oksidaasin alayksiköiden ekstramitokondrioiden toimintaa ei ole vielä karakterisoitu. Sytokromi c -oksidaasin alayksiköiden lisäksi ekstramitokondrioiden lokalisaatiota on havaittu myös suurella määrällä muita mitokondrioiden proteiineja. Tämä herättää mahdollisuuden vielä tuntemattomien erityisten mekanismien olemassaolosta proteiinien siirtämiseksi mitokondrioista muihin solukohteisiin.

Geneettiset viat ja häiriöt

Viat, joihin liittyy geneettisiä mutaatioita, jotka muuttavat sytokromi c -oksidaasin (COX) toimintaa tai rakennetta, voivat johtaa vakaviin, usein kuolemaan johtaviin aineenvaihduntahäiriöihin . Tällaiset häiriöt ilmenevät yleensä varhaislapsuudessa ja vaikuttavat pääasiassa kudoksiin, joilla on suuri energiantarve (aivot, sydän, lihakset). Monien luokiteltujen mitokondrioiden sairauksien joukossa niiden , joihin liittyy toimintahäiriöinen COX -kokoonpano, uskotaan olevan vakavimpia.

Valtaosa COX-häiriöistä liittyy ydinkoodattujen proteiinien mutaatioihin, joita kutsutaan kokoonpanotekijöiksi tai kokoonpanoproteiineiksi. Nämä kokoonpanotekijät vaikuttavat COX-rakenteeseen ja toimivuuteen, ja ne ovat mukana useissa keskeisissä prosesseissa, mukaan lukien mitokondrioiden koodattujen alayksiköiden transkriptio ja translaatio, esiproteiinien käsittely ja kalvon lisäys sekä kofaktorien biosynteesi ja sisällyttäminen.

Tällä hetkellä mutaatioita on tunnistettu seitsemässä COX -kokoonpanotekijässä: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 ja LRPPRC . Näiden proteiinien mutaatiot voivat johtaa alikompleksisen kokoonpanon, kuparikuljetuksen tai translaation säätelyn muuttuneeseen toiminnallisuuteen. Jokainen geenimutaatio liittyy tietyn sairauden etiologiaan, ja joillakin on vaikutuksia useisiin häiriöihin. Häiriöitä, joihin liittyy COX -toimintahäiriöitä geenimutaatioiden kautta, ovat Leighin oireyhtymä , kardiomyopatia , leukodystrofia , anemia ja sensorineuraalinen kuurous .

Histokemia

Lisääntynyt neuronien riippuvuus oksidatiivisesta fosforylaatiosta energiaan helpottaa COX -histokemian käyttöä kartoitettaessa eläinten alueellista aivojen aineenvaihduntaa, koska se luo suoran ja positiivisen korrelaation entsyymiaktiivisuuden ja hermosolujen toiminnan välillä. Tämä näkyy COX -entsyymimäärän ja aktiivisuuden välisessä korrelaatiossa, mikä osoittaa COX: n säätelyn geeniekspression tasolla. COX -jakauma on epäjohdonmukainen eri aivojen alueilla, mutta sen jakautumismalli on yhdenmukainen eläinten välillä. Tämä kuvio on havaittu apinan, hiiren ja vasikan aivoissa. Yksi COX: n isotsyymi on havaittu johdonmukaisesti aivojen histokemiallisessa analyysissä.

Tällainen aivojen kartoitus on suoritettu spontaaneilla mutanttihiirillä, joilla on pikkuaivosairaus, kuten reeler ja Alzheimerin taudin siirtogeeninen malli . Tätä tekniikkaa on käytetty myös eläinten aivojen oppimistoiminnan kartoittamiseen.

Lisäkuvia

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit