OXIDÁZA CYTOCHRÓMU C: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE, INHIBÍTORY - BIOLÓGIE

Cytochróm c oxidázy je komplex enzymatických proteínov, ktoré môžu prekračovať lipidovej dvojvrstvy bunkovej membrány. Je hemosolubula a je spojená hlavne s vnútornou membránou mitochondrií, ktorá sa nachádza v prokaryotických organizmoch (baktériách), ako aj v eukaryotoch (jednobunkových a viacbunkových).

Tento enzým, tiež nazývaný komplex IV, je nevyhnutný v aeróbnych metabolických funkciách organizmov, pretože je nevyhnutný v reťazci prenosu elektrónov, v ktorom bunka spaľuje cukry a zachytáva časť uvoľnenej energie na ukladanie adenozín trifosfátu alebo ATP.

Ball-and-stick model hemu, molekuly nachádzajúcej sa v kryštalickej štruktúre oxidázy cytochrómu c v hovädzom srdci. Prevzaté a upravené: Benjah-bmm27.

Názov cytochróm znamená „bunkové pigmenty“. Sú to krvné bielkoviny, ktoré nesú elektróny. Cytochrómy objavil írsky lekár Charles Alexander MacMunn v roku 1884. MacMunn bol priekopníkom objavu respiračného pigmentu v krvi, ktorý sa dnes nazýva cytochróm 1.

V 20. rokoch ruský entomológ a parazitológ David Keilin znovu objavil a charakterizoval respiračné pigmenty a označoval ich za cytochrómy. Aj keď ich MacMunn objavil v roku 1884, vedecká komunita na neho zabudla a niektorí dokonca nesprávne interpretovali jeho prácu.

Všeobecné charakteristiky

Dýchacie pigmenty majú všeobecne charakteristické spektrá viditeľného svetla. Je známe, že existujú najmenej štyri integrálne membránové proteínové komplexy, v ktorých existuje 5 rôznych typov cytochrómov: a, a3, b, cl a c, klasifikovaných podľa vlnových dĺžok spektrálnych absorpčných maxim.

Zvyčajne sa nachádzajú na vnútornej membráne mitochondrií. Boli však tiež pozorované v endoplazmatickom retikule a chloroplastoch, v eukaryotických a prokaryotických organizmoch.

Predstavujú hemickú protetickú skupinu obsahujúcu železo (Fe). Každý zo známych cytochrómov pôsobí v multienzýmových komplexoch pri transporte elektrónov v respiračnom procese alebo reťazci.

Cytochrómy sa podieľajú na oxidačno-redukčných reakciách. Redukčné reakcie, keď prijímajú elektróny, sa vyskytujú rôzne pre každý typ cytochrómu a ich hodnota je určená tokom elektrónov v dýchacom reťazci.

-Cytochróm c

Sú známe štyri triedy cytochrómu c, ktoré sú nasledujúce.

Trieda I

Do tejto triedy patria rozpustné cytochrómy c (lowspin) s nízkym spinom, prítomné v baktériách a mitochondriách. Sú oktaedrické. Hemové väzobné miesto je na N-konci histidínu a šiesty ligand je dodávaný metionínovým zvyškom na C-konci.

Z tejto triedy je dokonca možné rozoznať niekoľko podtried, ktorých trojrozmerná štruktúra bola určená.

Trieda II

V tejto triede sa nachádzajú cytochróm c s vysokou rotáciou a niektoré cytochrómy s nízkym spinom. U osôb s vysokou obrátkou je väzobné miesto blízko C-konca a u osôb s nízkou obrátkou sa zdá, že šiesty ligand je metionínový zvyšok blízko N-konca. Sú päťkrát koordinované histidínom piateho ligandu.

Trieda III

Táto trieda sa vyznačuje tým, že obsahuje cytochrómy c s mnohonásobným hem (c3 a c7) a nízkym oxidačno-redukčným potenciálom, s iba 30 aminokyselinovými zvyškami na skupinu hem. V predstaviteľoch tejto triedy majú skupiny heme c neekvivalentnú štruktúru a funkcie, okrem toho, že vykazujú rôzne redoxné potenciály. Sú oktaedrické.

Trieda IV

Podľa niektorých autorov bola táto trieda vytvorená iba na to, aby obsahovala komplexné proteíny prítomné v iných protetických skupinách, ako aj heme c alebo flavocytochróm c.

Oxidáza cytochrómu c alebo komplex IV

Oxidáza cytochrómu c je mitochondriálny enzým, ktorý vykonáva bunkovú respiráciu v konečnej fáze transportu elektrónov. Tento enzým katalyzuje transport elektrónov z redukovaného cytochrómu c na kyslík.

Niektoré chemické zlúčeniny, ako je kyanid, oxid uhličitý a azid, môžu inhibovať fungovanie tohto enzýmu a spôsobiť takzvanú bunkovú chemickú asfyxiu. Inými formami inhibície komplexu IV sú genetické mutácie.

Z evolučného hľadiska sa cytochrómová oxidáza nachádza iba v aeróbnych organizmoch a niekoľko skupín vedcov naznačuje, že prítomnosť tohto proteínu naznačuje vývojové vzťahy, v ktorých majú spoločný predok rastliny, huby a zvieratá.

štruktúra

Oxidáza cytochrómu c tvorí homodimérny komplex, ktorý pozostáva z dvoch podobných monomérov vo vnútornej membráne mitochondrií. Enzýmový komplex pozostáva z 3 až 4 podjednotiek v prokaryotických organizmoch a najviac z 13 (niektoré naznačujú 14) polypeptidy v organizmoch, ako sú cicavce.

V týchto organizmoch sú 3 polypeptidy mitochondriálneho pôvodu a zvyšok pochádza z jadra. Každý monomér má 28 transmembránových helixov, ktoré oddeľujú hydrofilné domény proti membránovej matrici a intermembránovému priestoru.

Má jednu katalytickú jednotku, ktorá sa nachádza vo všetkých enzýmoch, ktoré katalyzujú oxidačné / redukčné reakcie, využívajúc molekulárny kyslík (oxidázy, najmä hemu-meď). Komplex obsahuje cytochrómy a a a3 spojené podjednotkou I a dvoma centrami medi.

Má jednu alebo viac hemových skupín spojených s okolitou proteínovou štruktúrou jednou alebo viacerými (všeobecne dvoma) tioéterovými väzbami. Iní autori naznačujú, že medzi proteínom medzi porfyrínovým kruhom a dvoma cysteínovými zvyškami je kovalentne spojená jedna skupina C hem.

Jediná uvedená skupina hemu c je obklopená hydrofóbnymi zvyškami a je hexakorordinovaná, s histidínom v pozícii 18 polypeptidového reťazca a metionínom v pozícii 80.

Cytochrómová oxidáza podjednotka F. Prevzaté a upravené: Jawahar Swaminathan a pracovníci MSD pri Európskom inštitúte bioinformatiky

Vlastnosti

Oxidázy cytochrómu c sú protagonistami troch hlavných fyziologických mechanizmov, ktoré uvidíme nižšie.

Apoptóza alebo programovaná bunková smrť

Apoptóza je programovaná deštrukcia alebo smrť buniek spôsobená samotným organizmom, ktorej účelom je kontrolovať rast, vývoj, elimináciu poškodených tkanív a reguláciu imunitného systému. Pri tomto fyziologickom procese sa cytochróm c oxidáza zúčastňuje ako medziprodukt.

Tento proteín, uvoľňovaný mitochondriami, vedie k interakcii s endoplazmatickým retikulom, čo spôsobuje vylučovanie alebo uvoľňovanie vápnika. Postupné zvyšovanie vápnika spôsobuje masívne uvoľňovanie oxidázy cytochrómu c, až kým sa nedosiahnu cytotoxické hladiny vápnika.

Cytotoxické hladiny vápnika a uvoľňovanie cytochrómov c spôsobujú kaskádovú aktiváciu niekoľkých enzýmov kaspázy, ktoré sú zodpovedné za deštrukciu buniek.

Regenerácia buniek alebo tkanív

Niekoľko štúdií naznačuje, že keď je cytochróm c oxidáza vystavená vlnovým dĺžkam 670 nanometrov, zúčastňuje sa na funkčnom komplexe, ktorý preniká do poškodeného alebo poškodeného tkaniva a zvyšuje rýchlosť regenerácie buniek.

Metabolizmus energie

Toto je snáď najznámejšia a najrelevantnejšia funkcia cytochrómovej oxidázy. Je to práve oxidázový komplex (respiračného reťazca), ktorý je zodpovedný za zber elektrónov z cytochrómu c a ich prenos do molekuly kyslíka, čím sa redukuje na dve molekuly vody.

V súvislosti s týmto procesom dochádza k translokácii protónov cez membránu, čo vedie k vytvoreniu elektrochemického gradientu, ktorý komplex ATP syntetázy používa na produkciu alebo syntézu ATP (adenozíntrifosfát).

inhibítory

Oxidáza cytochrómu c je inhibovaná rôznymi chemickými zlúčeninami a procesmi. Spôsob, akým sa vyskytuje, môže vzniknúť ako prirodzený spôsob regulácie produkcie alebo pôsobenia enzýmu alebo môže dôjsť náhodne v dôsledku otravy.

V prítomnosti azidu, kyanidu alebo oxidu uhoľnatého sa k nim viaže oxidáza cytochrómu c a inhibuje sa fungovanie proteínového komplexu. To spôsobuje narušenie bunkového respiračného procesu, a tým spôsobuje chemické dusenie buniek.

Iné zlúčeniny, ako je oxid dusnatý, sírovodík, metanol a niektoré metylované alkoholy, tiež spôsobujú inhibíciu oxidázy cytochrómu c.

nedostatok

Oxidáza cytochrómu c je enzým, ktorý je riadený génmi v jadre aj v mitochondriách. Existujú genetické zmeny alebo mutácie, ktoré môžu viesť k nedostatku cytochróm-oxidázy.

Tieto mutácie narúšajú funkčnosť enzýmu, pretože menia jeho enzymatickú štruktúru, čo so sebou prináša metabolické poruchy počas embryonálneho vývoja (podľa ľudských štúdií), ktoré neskôr ovplyvnia organizmus v prvých rokoch jeho života.

Deficit cytochróm-oxidázy ovplyvňuje tkanivá s vysokou spotrebou energie, ako sú srdce, pečeň, mozog a svaly. Príznaky týchto mutácií sa odrážajú pred dvoma rokmi života a môžu sa prejaviť ako silné alebo mierne stavy.

Mierne príznaky sa môžu objaviť už skoro po prvom roku veku a jedinci s nimi majú zvyčajne iba znížené svalové napätie (hypotónia) a svalovú atrofiu (myopatia).

Na druhej strane môžu mať jedinci so silnejšími príznakmi svalovú atrofiu a encefalomyopatiu. Ďalšími stavmi spôsobenými neprítomnosťou oxidázy cytochrómu c sú hypertrofická kardiomyopatia, patologické zväčšenie pečene, Leighov syndróm a laktátová acidóza.

Použitie vo fylogenéze

Fylogénia je veda, ktorá je zodpovedná za štúdium pôvodu, formovania a evolučného vývoja organizmov z hľadiska predkov-potomkov. V posledných desaťročiach boli fylogénne štúdie s molekulárnou analýzou stále častejšie, priniesli množstvo informácií a riešili taxonomické problémy.

V tomto zmysle niektoré fylogenetické štúdie naznačujú, že použitie oxidáz cytochrómu c môže pomôcť nadviazať vývojové vzťahy. Dôvodom je skutočnosť, že tento proteínový komplex je vysoko konzervovaný a je prítomný v širokej škále organizmov, od jednobunkových protistov po veľké stavovce.

Príkladom sú testy vykonané na ľuďoch, šimpanzoch (Pan paniscus) a makakoch rhesus (Macaca mulatta). Tieto testy odhalili, že molekuly ľudskej a šimpanzovej cytochrómovej oxidázy cytochrómu c boli identické.

Ukázalo sa tiež, že molekuly cytochrómovej oxidázy makaka Rhesus sa líšia o jednu aminokyselinu od molekúl prvých dvoch, čím sa znovu potvrdzujú vzťahy predkov a potomkov medzi šimpanzmi a ľuďmi.

Referencie

RP Ambler (1991). Variabilita sekvencií bakteriálnych cytochrómov c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika.
Cytochróm c. Obnovené z lokality newworldencyclopedia.org.
V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Biologické úlohy cytochrómu c: mitochondriálny prenos elektrónov, programovaná bunková smrť a zvýšenie aktivity peroxidu. Anál Lekárskej fakulty.
Podjednotka cytochróm-oxidázy I. Získaná z ebi.ac.uk.
L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong a B. Yidong (2007). Podjednotka cytochróm c oxidáza IV je nevyhnutná pre zostavenie a dýchacie funkcie enzýmového komplexu. Journal of Bioenergetics and Biomembranes.
Génová skupina: mitochondriálny komplex IV: podjednotky cytochrómovej oxidázy (COX, MT-CO). Obnovené zo stránky genenames.org.
EF Hartree (1973). Objavenie cytochrómu. Biochemická výchova.
Oxidáza cytochrómu c, nedostatok…. Obnovené zo stránky ivami.com.
CK Mathews, KE van Holde a KG Ahern (2002). Biochemestry. 3. vydanie. Vydavateľstvo Benjamin / Cummings, Inc.

OXIDÁZA CYTOCHRÓMU C: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE, INHIBÍTORY - BIOLÓGIE - 2026