CITOKROM C OKSIDAZA: ZGRADBA, FUNKCIJE, INHIBITORJI - BIOLOGIJA - 2026

Citokrom c oksidaza je kompleks encimskih proteinov, ki lahko prečkajo lipidni dvosloj celične membrane. Je hemostapen in je povezan predvsem z notranjo membrano mitohondrijev, najdemo ga tako v prokariotskih organizmih (bakterijah) kot v evkariotih (enoceličnih in večceličnih).

Ta encim, imenovan tudi kompleks IV, je ključnega pomena pri aerobnih presnovnih funkcijah organizmov, saj je nujen v verigi prenosa elektronov, v kateri celica zgoreva sladkorje in zajame del energije, sproščene za shranjevanje adenozin trifosfata ali ATP.

Model heme, molekule, ki se nahaja v kristalni strukturi citokrom c oksidaze v srcu goveda. Vzeto in urejeno iz: Benjah-bmm27.

Ime citokrom pomeni "celični pigmenti." To so beljakovine v krvi, ki prenašajo elektrone. Citohrome je odkril irski zdravnik Charles Alexander MacMunn leta 1884. MacMunn je bil pionir odkritja dihalnega pigmenta v krvi, ki se danes imenuje citokrom 1.

V dvajsetih letih prejšnjega stoletja je ruski entomolog in parazitolog David Keilin ponovno odkril in označil dihalne pigmente in bil tisti, ki jih je imenoval citokromi. Čeprav jih je MacMunn odkril leta 1884, ga je znanstvena skupnost pozabila in nekateri so njegovo delo celo napačno razlagali.

Splošne značilnosti

Na splošno imajo dihalni pigmenti značilne spektre vidne svetlobe. Znano je, da obstajajo vsaj štirje celoviti membranski proteinski kompleksi, v katerih je 5 različnih vrst citokromov: a, a3, b, c1 in c, razvrščenih glede na valovne dolžine maksimalnih spektralnih absorpcij.

Na splošno jih najdemo na notranji membrani mitohondrijev. Opazili pa so jih tudi v endoplazemskem retikulu in kloroplasti, pri evkariontskih in prokariotskih organizmih.

Predstavijo heme protetično skupino, ki vsebuje železo (Fe). Vsak od znanih citokromov deluje v večenzimskih kompleksih pri transportu elektronov v dihalnem procesu ali verigi.

Citohromi imajo funkcijo sodelovanja v oksidacijsko-redukcijskih reakcijah. Redukcijske reakcije, kjer sprejmejo elektrone, se pri vsaki vrsti citokroma pojavijo različno, njihova vrednost pa je določena s pretokom elektronov v dihalni verigi.

-Citokrom c

Znani so štirje razredi citokroma c, ki so naslednji.

Razred I

V tem razredu so topni nizko spinski citohromi c (lowspin), prisotni v bakterijah in mitohondrijih. So oktaedri. Mesto vezanja hema je na N-koncu histidina in šesti ligand se na C-koncu oskrbi z ostankom metionina.

V tem razredu je mogoče celo prepoznati več podrazredov, katerih tridimenzionalna struktura je bila določena.

Razred II

V tem razredu najdemo visoko spino citokrom c in nekaj nizkih spin citokromov. Pri tistih z visokim obratom je mesto vezave blizu C-konca, pri tistih z nizkim obratom pa se zdi, da je šesti ligand metioninski ostanek blizu N konca (N-konec v angleščini). Pentakoordinirani so s petim ligandom histidina.

Razred III

Za ta razred je značilna predstavitev citokromov c z več hema (c3 in c7) in nizkim oksidacijskim zmanjšanjem, z le 30 aminokislinskimi ostanki na hemsko skupino. Pri predstavnikih tega razreda imajo skupine heme c poleg neenakovredne strukture in funkcij poleg predstavitve različnih redoks potencialov. So oktaedri.

Razred IV

Po mnenju nekaterih avtorjev je bil ta razred ustvarjen samo zato, da vključuje kompleksne proteine, ki jih predstavljajo druge protetične skupine, med drugim tudi heme c ali flavocitohrom c.

Citokrom c oksidaza ali kompleks IV

Citokrom c oksidaza je mitohondrijski encim, ki izvaja končno fazo prenosa elektronov pri celičnem dihanju. Ta encim katalizira transport elektronov iz reduciranega citokroma c do kisika.

Nekatere kemične spojine, kot so cianid, ogljikov dioksid in azid, lahko zavirajo delovanje tega encima, kar povzroči tako imenovano celično kemično asfiksijo. Druge oblike zaviranja kompleksa IV so genetske mutacije.

Z evolucijskega vidika citokrom c oksidazo najdemo le v aerobnih organizmih in več skupin znanstvenikov nakazuje, da prisotnost tega proteina kaže na evolucijske odnose, kjer so rastline, glive in tudi živali delile skupnega prednika.

Struktura

Citokrom c oksidaza tvori homodimerni kompleks, to je sestavljen iz dveh podobnih monomerov v notranji membrani mitohondrijev. Encimski kompleks je sestavljen iz 3 do 4 podenot v prokariotskih organizmih in do največ 13 (nekateri predlagajo 14) polipeptidov v organizmih, kot so sesalci.

V teh organizmih so 3 polipeptidi mitohondrijskega izvora, ostali pa v jedru. Vsak monomer ima 28 transmembranskih vijačnic, ki ločujejo hidrofilne domene proti membranski matrici in medmembranskemu prostoru.

Ima eno samo katalitično enoto, ki jo najdemo v vseh encimih, ki katalizirajo oksidacijsko / redukcijsko reakcijo z uporabo molekulskega kisika (oksidaze, zlasti heme-baker). Kompleks vsebuje citokrome a in a3, ki jih povezujeta podenota I in dva bakrena centra.

Ima eno ali več skupin heme c, ki so z okoliško strukturo proteinov povezane z eno ali več (na splošno dvema) tioetrskimi vezmi. Drugi avtorji domnevajo, da je med porfirinskim obročem in dvema cisteinskima ostankoma enotna hemska skupina C, kovalentno povezana z beljakovinami.

Edina zgoraj omenjena skupina heme c je obdana s hidrofobnimi ostanki in je heksakoordinirana, s histidinom na položaju 18 polipeptidne verige in metioninom na položaju 80.

Podenota citokrome c oksidaze F. Vzela in uredila Jawahar Swaminathan in osebje MSD na Evropskem inštitutu za bioinformatiko

Lastnosti

Citokrom c oksidaze so glavni dejavniki v treh glavnih fizioloških mehanizmih, ki jih bomo videli spodaj.

Apoptoza ali programirana celična smrt

Apoptoza je programirano uničenje ali smrt celic, ki jo povzroči sam organizem in katerega namen je nadzorovati rast, razvoj, odstranjevanje poškodovanih tkiv in uravnavanje imunskega sistema. V tem fiziološkem procesu kot vmesni medij sodeluje citokrom c oksidaza.

Ta protein, ki ga sproščajo mitohondriji, vodi v interakcijo z endoplazemskim retikulumom, kar povzroči izločanje ali sproščanje kalcija. Postopno povečanje kalcija sproži množično sproščanje citokrom c oksidaze, dokler ne dosežemo citotoksičnih ravni kalcija.

Citotoksične ravni kalcija in sproščanje citohromov c povzročajo kaskadno aktiviranje več encimov kaspaze, ki so odgovorni za uničenje celic.

Regeneracija celic ali tkiv

Številne študije kažejo, da ko je citokromska c oksidaza izpostavljena valovnim dolžinam 670 nanometrov, sodeluje v funkcionalnem kompleksu, ki prodira v poškodovano ali poškodovano tkivo in poveča hitrost regeneracije celic.

Presnova energije

To je morda najbolj znana in najpomembnejša funkcija citokrom c oksidaze. Ravno oksidazni kompleks (dihalne verige) je odgovoren za zbiranje elektronov iz citokroma c in njihovo prenašanje v molekulo kisika, reduciranje na dve molekuli vode.

Povezana s tem postopkom se skozi membrano pojavi translokacija protonov, kar povzroči nastanek elektrokemičnega gradienta, ki ga sintetazni kompleks ATP uporablja za proizvodnjo ali sintezo ATP (adenozin trifosfat).

Zaviralci

Citokrom c oksidaza zavira različne kemične spojine in procese. Način, na katerega se lahko pojavi, lahko postane naraven način uravnavanja proizvodnje ali delovanja encima ali pa se lahko zgodi po naključju zaradi zastrupitve.

V prisotnosti azida, cianida ali ogljikovega monoksida se citokrom c oksidaza na njih veže in delovanje beljakovinskega kompleksa zavira. To povzroči motnje v celičnem dihalnem procesu in tako povzroči kemično zadušitev celic.

Druge spojine, kot dušikov oksid, vodikov sulfid, metanol in nekateri metilirani alkoholi, prav tako povzročijo zaviranje citokrom c oksidaze.

Pomanjkanje

Citokrom c oksidaza je encim, ki ga nadzirajo geni tako v jedru kot v mitohondrijih. Obstajajo genske spremembe ali mutacije, ki lahko privedejo do pomanjkanja citokrom c oksidaze.

Te mutacije motijo ​​delovanje encima, saj spremenijo njegovo encimsko strukturo in s tem prinesejo presnovne motnje med embrionalnim razvojem (po raziskavah na ljudeh), kar bo kasneje vplivalo na organizem v njegovih prvih letih življenja.

Pomanjkanje citokrom c oksidaze vpliva na tkiva z veliko porabo energije, kot so srce, jetra, možgani in mišice. Simptomi teh mutacij se kažejo pred dvema letoma življenja in se lahko kažejo kot močna ali blaga stanja.

Blage simptome lahko opazimo že kmalu po prvem letu starosti, posamezniki z njimi pa imajo običajno le zmanjšano mišično napetost (hipotonijo) in mišično atrofijo (miopatijo).

Po drugi strani pa imajo lahko posamezniki z močnejšimi simptomi atrofijo mišic in encefalomiopatijo. Ostala stanja, ki jih povzroča odsotnost citokrom c oksidaze, so hipertrofična kardiomiopatija, patološka širitev jeter, Leighov sindrom in laktacidoza.

Uporabe v filogeniji

Filogenija je veda, ki je odgovorna za preučevanje nastanka, nastanka in evolucijskega razvoja organizmov z vidika potomcev prednikov. V zadnjih desetletjih se vse pogosteje pojavljajo študije filogenije z molekularno analizo, ki prinašajo veliko informacij in rešujejo taksonomske težave.

V tem smislu nekatere filogenetske študije kažejo, da lahko uporaba citokrom c oksidaz pomaga pri vzpostavljanju evolucijskih razmerij. To je zato, ker je ta beljakovinski kompleks zelo konzerviran in je prisoten v najrazličnejših organizmih, od enoceličnih proteistov do velikih vretenčarjev.

Primeri tega so testi, opravljeni na ljudeh, šimpanzih (Pan paniscus) in rezusskih makakah (Macaca mulatta). Takšni testi so pokazali, da so molekule citokroma c in cimpanze c oksidaze pri človeku enake.

Pokazalo je tudi, da se molekule citokrom c oksidaze Rhesusovega makaka za eno aminokislino razlikujejo od motenj prvih dveh, s čimer so ponovno potrdile povezave med šimpanzi in človekom.

Reference

1. RP Ambler (1991). Spremenljivost zaporedja v bakterijskih citohromih c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bioenergetika.
2. Citokrom c. Pridobljeno z newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Biološke vloge citokroma c: mitohondrijski transport elektronov, programirana celična smrt in povečanje aktivnosti peroksida. Anali Medicinske fakultete.
4. Podenota citokroma c oksidaze I. Pridobljeno iz ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Citokrom c-oksidazna podenota IV je bistvenega pomena za sestavljanje in dihanje funkcije encima. Časopis za bioenergetiko in biomembrane.
6. Genska skupina: mitohondrijski kompleks IV: podenote citokrom c oksidaze (COX, MT-CO). Obnovljeno iz genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Odkritje citokroma. Biokemijsko izobraževanje.
8. Citokrom c oksidaza, pomanjkanje… Pridobljeno z ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biokemerija. 3. izdaja Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.