CYTOKROM C OKSIDASE: STRUKTUR, FUNKSJONER, HEMMERE - BIOLOGI

Den cytokrom c oksidase er et kompleks av enzymatiske proteiner som kan krysse lipidbilaget til cellemembranen. Det er hemosolubble og er hovedsakelig assosiert med den indre membranen i mitokondriene, og finnes både i prokaryotiske organismer (bakterier) og i eukaryoter (encellede og flercellede).

Dette enzymet, også kalt kompleks IV, er viktig i de aerobe metabolske funksjonene til organismer, ettersom det er viktig i elektrontransportkjeden der cellen brenner sukker og fanger opp en del av energien som frigjøres for å lagre adenosintrifosfat eller ATP.

Ball-and-stick-modell av heme, av et molekyl som finnes i den krystallinske strukturen til cytokrom c oksydase i bovint hjerte. Tatt og redigert fra: Benjah-bmm27.

Navnet cytokrom betyr "cellulære pigmenter." Dette er blodproteiner som har elektroner. Cytokromer ble oppdaget av den irske legen Charles Alexander MacMunn i 1884. MacMunn var pioner for oppdagelsen av luftveispigmentet i blodet, i dag kalt cytokrom 1.

På 1920-tallet oppdaget og karakteriserte den russiske entomologen og parasitologen David Keilin respirasjonspigmenter og var den som kalte dem cytokromer. Selv om MacMunn hadde oppdaget dem i 1884, hadde det vitenskapelige samfunnet glemt ham, og noen hadde til og med mistolket arbeidet hans.

Generelle egenskaper

Generelt har luftveispigmenter karakteristiske synlige lysspektre. Det er kjent at det er minst fire integrerte membranproteinkomplekser der det er 5 forskjellige typer cytokromer: a, a3, b, c1 og c, klassifisert i henhold til bølgelengdene til spektrale absorpsjonsmaksima.

De finnes vanligvis på den indre membranen i mitokondriene. Imidlertid har de også blitt observert i endoplasmatisk retikulum og kloroplaster, i eukaryote og prokaryote organismer.

De presenterer den heme protesegruppen som inneholder jern (Fe). Hver av de kjente cytokromene virker i multienzymkomplekser i transport av elektroner i respirasjonsprosessen eller kjeden.

Cytokromer har som funksjon å delta i oksidasjonsreduksjonsreaksjoner. Reduksjonsreaksjoner, der de aksepterer elektroner, forekommer forskjellig for hver type cytokrom, og deres verdi bestemmes av strømmen av elektroner i luftveiene.

-Cytokrom c

Fire klasser cytokrom c er kjent, som er som følger.

Klasse I

Innenfor denne klassen er de løselige lavspinnede cytokromer c (lavspinn), til stede i bakterier og mitokondrier. De er oktaedralen. Det hemmebindende sted er ved N-terminalen av histidin og den sjette liganden tilføres av en metioninrest ved C-terminalen.

Av denne klassen kan til og med gjenkjennes flere underklasser, hvis tredimensjonale struktur er bestemt.

Klasse II

Cytokrom c med høyt spinn og noen cytokromer med lav spinn finnes i denne klassen. De med høy sving har bindingsstedet nær C-terminalen, og i de med lav sving ser det ut til at den sjette liganden er en metioninrest i nærheten av N-enden (N-terminus på engelsk). De er pentakoordinert med femte ligandhistidin.

Klasse III

Denne klassen kjennetegnes ved å presentere cytokromer c med flere heme (c3 og c7) og et lavt oksidasjonsreduserende potensiale, med bare 30 aminosyrerester per hemmegruppe. I representanter for denne klassen har heme c-grupper ikke-ekvivalent struktur og funksjoner, i tillegg til å presentere forskjellige redokspotensialer. De er oktaedralen.

Klasse IV

I følge noen forfattere ble denne klassen bare opprettet for å inkludere komplekse proteiner som andre protesegrupper representerer, samt heme c, eller flavocytochrome c, blant andre.

Cytokrom c oksidase eller kompleks IV

Cytokrom c oksydase er et mitokondriell enzym som gjennomfører den siste fasen av elektrontransport i cellulær respirasjon. Dette enzymet katalyserer transporten av elektroner fra redusert cytokrom c til oksygen.

Noen kjemiske forbindelser som cyanid, karbondioksid og azid, kan hemme funksjonen av dette enzymet og forårsake den såkalte cellulære kjemiske asfyksien. Andre former for hemming av kompleks IV er genetiske mutasjoner.

Fra et evolusjonært synspunkt er cytokrom c oksydase bare funnet i aerobe organismer, og flere grupper forskere antyder at tilstedeværelsen av dette proteinet indikerer evolusjonære forhold der planter, sopp og også dyr delte en felles stamfar.

Struktur

Cytokrom c oksidase danner et homodimerisk kompleks, det vil si sammensatt av to lignende monomerer i den indre membranen i mitokondriene. Enzymkomplekset består av 3 til 4 underenheter i prokaryote organismer og opp til maksimalt 13 (noen antyder 14) polypeptider i organismer som pattedyr.

I disse organismer er 3 polypeptider av mitokondriell opprinnelse, og resten har sin opprinnelse i kjernen. Hver monomer har 28 transmembrane helier som skiller hydrofile domener mot membranmatrisen og intermembranområdet.

Den har en enkelt katalytisk enhet, som finnes i alle enzymer som katalyserer oksidasjons- / reduksjonsreaksjoner, ved bruk av molekylært oksygen (oksidaser, spesielt heme-kobber). Komplekset inneholder cytokrom a og a3 knyttet sammen med underenhet I og to kobbersentre.

Den har en eller flere heme c-grupper knyttet til den omkringliggende proteinstrukturen av en eller flere (vanligvis to) tioeterbindinger. Andre forfattere antyder at det er en enkelt heme C-gruppe kovalent knyttet til proteinet mellom porfyrinringen og to cysteinrester.

Den eneste heme c-gruppen som er nevnt ovenfor er omgitt av hydrofobe rester og er heksakoordinert, med histidin i posisjon 18 i polypeptidkjeden og metionin i posisjon 80.

Cytochrome c oxidase subunit F. Tatt og redigert fra: Jawahar Swaminathan og MSD-staben ved European Institute of Bioinformatics

Egenskaper

Cytokrom c oksidaser er hovedpersoner i tre hovedfysiologiske mekanismer, som vi vil se nedenfor.

Apoptose eller programmert celledød

Apoptose er programmert celleødeleggelse eller død, forårsaket av selve organismen og hvis formål er å kontrollere vekst, utvikling, eliminering av skadet vev og regulering av immunforsvaret. I denne fysiologiske prosessen deltar cytokrom c oksidase som et mellomprodukt.

Dette proteinet, frigitt av mitokondriene, fører til et samspill med den endoplasmatiske retikulum, som forårsaker utskillelse eller frigjøring av kalsium. Den progressive økningen i kalsium utløser en massiv frigjøring av cytokrom c oksidase, inntil cytotoksiske nivåer av kalsium er nådd.

Cytotoksisk kalsiumnivå og frigjøring av cytokromer c forårsaker kaskadeaktivering av flere caspaseenzymer, som er ansvarlige for ødeleggelse av celler.

Regenerering av celle eller vev

Flere studier indikerer at når cytokrom c oksidase blir utsatt for bølgelengder på 670 nanometer, deltar den i et funksjonelt kompleks, som trenger gjennom skadet eller skadet vev og øker frekvensen av celleregenerasjon.

Energimetabolisme

Dette er kanskje den mest kjente og den mest relevante funksjonen til cytokrom c oksidase. Det er nettopp oksidaskomplekset (i respirasjonskjeden) som er ansvarlig for å samle elektronene fra cytokrom c og overføre dem til oksygenmolekylet, redusere det til to vannmolekyler.

Koblet til denne prosessen skjer en protontranslokasjon gjennom membranen, noe som resulterer i generering av en elektrokjemisk gradient som ATP-syntetasekomplekset bruker for å produsere eller syntetisere ATP (adenosintrifosfat).

hemmere

Cytokrom c oksidase blir hemmet av forskjellige kjemiske forbindelser og prosesser. Måten det oppstår på kan oppstå som en naturlig måte å regulere produksjonen eller handlingen av enzymet, eller det kan oppstå ved et uhell på grunn av forgiftning.

I nærvær av azid, cyanid eller karbonmonoksid binder cytokrom c oksidase seg til disse og proteinkompleksets funksjon hemmes. Dette forårsaker en forstyrrelse i den cellulære respirasjonsprosessen og forårsaker dermed den kjemiske kvelningen av cellene.

Andre forbindelser som nitrogenoksid, hydrogensulfid, metanol og noen metylerte alkoholer forårsaker også hemming av cytokrom c oksidase.

Mangel

Cytokrom c oksidase er et enzym som styres av gener i både kjernen og mitokondriene. Det er genetiske endringer eller mutasjoner som kan føre til mangel på cytokrom c oksidase.

Disse mutasjonene forstyrrer funksjonaliteten til enzymet, siden de endrer dets enzymatiske struktur, og fører med seg metabolske forstyrrelser under embryonal utvikling (ifølge humane studier), som senere vil påvirke organismen i de første leveårene.

Cytokrom c oksidase mangel påvirker vev med høyt energibehov, som hjerte, lever, hjerne og muskler. Symptomene på disse mutasjonene gjenspeiles før de to leveårene og kan manifestere seg som sterke eller milde forhold.

Milde symptomer kan sees selv kort etter det første alderen, og personer med dem har vanligvis bare nedsatt muskelspenning (hypotoni) og muskelatrofi (myopati).

På den annen side kan personer med sterkere symptomer ha muskelatrofi og encefalomyopati. Andre forhold forårsaket av fravær av cytokrom c oksidase er hypertrofisk kardiomyopati, patologisk utvidelse av leveren, Leighs syndrom og melkesyreose.

Bruk i fylogeni

Filogeni er vitenskapen som er ansvarlig for studiene av opprinnelse, dannelse og evolusjonsutvikling fra forfedrer-etterkommer synspunkt, organismer. I løpet av de siste tiårene har fylogenestudier med molekylæranalyse vært mer og mer hyppige, gitt mye informasjon og løst taksonomiske problemer.

I denne forstand indikerer noen fylogenetiske studier at bruk av cytokrom c oksidaser kan bidra til å etablere evolusjonsrelasjoner. Dette er fordi dette proteinkomplekset er svært konservert og er til stede i en lang rekke organismer, alt fra encellede protister til store virveldyr.

Eksempler på dette er testene som er utført med mennesker, sjimpanser (Pan paniscus) og Rhesus macaques (Macaca mulatta). Slike tester avslørte at de humane og sjimpansen cytokrom c oksidase molekylene var identiske.

Den viste også at cytokrom c oksidasemolekylene i Rhesus-makaken skilte seg med en aminosyre fra de av de to første, og bekreftet følgelig forholdet mellom forfedre og etterkommere mellom sjimpanser og mennesker.

referanser

RP Ambler (1991). Sekvensvariabilitet i bakteriecytokromer c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetikk.
Cytokrom c. Gjenopprettet fra newworldencyclopedia.org.
V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Biologiske roller som cytokrom c: mitokondriell elektrontransport, programmert celledød og gevinst i peroksydaktivitet. Annaler fra Det medisinske fakultet.
Cytokrom c oksidase underenhet I. Gjenopprettet fra ebi.ac.uk.
L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Cytokrom c oksidase underenhet IV er essensiell for montering og respirasjonsfunksjon i enzymkomplekset. Journal of Bioenergetics and Biomembranes.
Gengruppe: Mitokondrisk kompleks IV: cytokrom c oksidaseenheter (COX, MT-CO). Gjenopprettet fra genenames.org.
EF Hartree (1973). Oppdagelsen av cytokrom. Biokjemisk utdanning.
Cytokrom c oksidase, mangel på…. Gjenopprettet fra ivami.com.
CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biochemestry. 3. utgave. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.

CYTOKROM C OKSIDASE: STRUKTUR, FUNKSJONER, HEMMERE - BIOLOGI - 2026