Citokróm c-oxidáz

Sablon:Protein infobox A citokróm c-oxidáz, más néven IV. komplex (korábban Sablon:EC, ma transzlokázként Sablon:EC) nagy transzmembrán proteinkomplex baktériumokban, archeákban és eukarióták mitokondriumaiban.

Ez a sejtlégzés elektrontranszportjának utolsó enzime a membránban. 4 citokróm c-molekulából vesz fel elektront, melyeket egy oxigénre és 4 protonra visz át, 2 vízmolekulát adva. A belső vizes fázis 4 protonjának kötése mellett további 4 protont visz át a membránon, növelve a protonpotenciál különbségét, melyet az ATP-szintáz adenozin-trifoszfát-szintézisre használ.

Szerkezet

A komplex

A komplex nagy belsőmembrán-protein néhány fém prosztetikus csoporttal és emlősökben 14 fehérjealegységgel. Az emlősökben 11 sejtmagi és 3 mitokondriális eredetű alegység van. A komplex 2 hemet, egy citokróm a-t, egy citokróm a₃-at és 2 réz központot (Cu_A és Cu_B) tartalmaz. A citokróm a₃ és a Cu_B kétmagú központot alkot, mely az oxigénredukció helye. A citokróm c, mely a sejtlégzés előző részében redukálódik (citokróm bc1 komplex, III. komplex) a Cu_A kétmagú központnál ad át elektront, Sablon:Chem-tartalmú citokróm c-vé oxidálódva. A redukált Cu_A központ elektront ad át a citokróm a-nak, mely a citokróm a₃–Cu_B központnak adja át. A két fémion távolsága 4,5 Å, és hidroxidiont koordinálnak teljesen oxidált állapot esetén.

A citokróm c-oxidáz röntgenkrisztallográfiai vizsgálatai különös poszttranszlációs módosulást mutatnak, ahol a Tyr(244) 6. szénatomja a His(240) ε-N-je kötődik a Bos-enzimben. Fontos a citokróm a₃–Cu_B központ 4 elektronjának felvételében az oxigén és a protonok vízzé alakításában. Erről korábban úgy gondolták, hogy peroxid intermedieren megy keresztül, mely szuperoxidképzéshez vezetett volna, azonban a jelenleg elfogadott mechanizmus gyors 4 elektronos redukciót használ az O–O kötés azonnali megszüntetésével, szuperoxidképző intermedier nélkül.Sablon:Rp

Állandó alegységek

A citokróm c-oxidáz komplex állandó alegységei

Szám	Alegységnév	Humán fehérje	Fehérje UniProt-leírása	A humán fehérje Pfam-családja
1	Cox1	COX1_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 1. alegység	Sablon:Pfam
2	Cox2	COX2_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 2. alegység	Sablon:Pfam, Sablon:Pfam
3	Cox3	COX3_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 3. alegység	Sablon:Pfam
4	Cox4i1	COX41_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 4. alegység, 1. izoforma, mitokondriális	Sablon:Pfam
5	Cox4a2	COX42_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 4. alegység, 2. izoforma, mitokondriális	Sablon:Pfam
6	Cox5a	COX5A_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 5A alegység	Sablon:Pfam
7	Cox5b	COX5B_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 5B alegység	Sablon:Pfam
8	Cox6a1	CX6A1_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 6A1 alegység	Sablon:Pfam
9	Cox6a2	CX6A2_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 6A2 alegység	Sablon:Pfam
10	Cox6b1	CX6B1_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 6B1 alegység	Sablon:Pfam
11	Cox6b2	CX6B2_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 6B2 alegység	Sablon:Pfam
12	Cox6c	COX6C_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 6C alegység	Sablon:Pfam
13	Cox7a1	CX7A1_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 7A2 alegység	Sablon:Pfam
14	Cox7a2	CX7A2_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 7A2 alegység	Sablon:Pfam
15	Cox7a3	COX7S_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, feltételezett mitokondriális 7A3 alegység	Sablon:Pfam
16	Cox7b	COX7B_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 7B alegység	Sablon:Pfam
17	Cox7c	COX7C_HUMAN	Citokróm c-oxidáz mitokondriális 7B alegység	Sablon:Pfam
18	Cox7r	COX7R_HUMAN	Citokróm c-oxidáz mitokondriális 7A alegységgel kapcsolatos fehérje	Sablon:Pfam
19	Cox8a	COX8A_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 8A alegység	Sablon:Pfam
20	Cox8c	COX8C_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 8C alegység	Sablon:Pfam
Összetevő alegységek
1	Coa1	COA1_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 1. összetevőfaktor-homológ	Sablon:Pfam
2	Coa3	COA3_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 3. összetevőfaktor-homológ	Sablon:Pfam
3	Coa4	COA4_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, mitokondriális 4. összetevőfaktor-homológ	Sablon:Pfam
4	Coa5	COA5_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 5. összetevő faktor	Sablon:Pfam
5	Coa6	COA6_HUMAN	Citokróm c-oxidáz 6. összetevőfaktor-homológ	Sablon:Pfam
6	Coa7	COA7_HUMAN	Citokróm c-oxidáz 7. összetevőfaktor	Sablon:Pfam
7	Cox11	COX11_HUMAN	Citokróm c-oxidáz COX 11 mitokondriális összetevő fehérje	Sablon:Pfam
8	Cox14	COX14_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, összetevő fehérje	Sablon:Pfam
9	Cox15	COX15_HUMAN	Citokróm c-oxidáz COX15 összetevőfehérje-homológ	Sablon:Pfam
10	Cox16	COX16_HUMAN	Citokróm c-oxidáz COX16 mitokondriális összetevőfehérje-homológ	Sablon:Pfam
11	Cox17	COX17_HUMAN	Citokróm c-oxidáz rézchaperon	Sablon:Pfam
12	Cox18	COX18_HUMAN	Mitokondriális belsőmembrán-protein (citokróm c-oxidáz, 18. összetevő fehérje)	Sablon:Pfam
13	Cox19	COX19_HUMAN	Citokróm c-oxidáz összetevő fehérje	Sablon:Pfam
14	Cox20	COX20_HUMAN	Citokróm c-oxidáz, 20. fehérjehomológ	Sablon:Pfam

Összetétel

A COX létrehozása az élesztőben komplex folyamat, mely a holoenzimet alkotó hidrofób részek gyors és irreverzibilis összeállása, valamint a külső hidrofób részekkel rendelkező mutáns alegységek összeállása miatt nem teljesen ismert. A COX alegységeket magi és mitokondriális genom is kódolja. A COX katalitikus magját alkotó 3 alegységet a mitokondriális genom kódolja.

Hemes and cofactors are inserted into subunits I & II. The two heme molecules reside in subunit I, helping with transport to subunit II where two copper molecules aid with the continued transfer of electrons. Subunits I and IV initiate assembly. Different subunits may associate to form sub-complex intermediates that later bind to other subunits to form the COX complex. In post-assembly modifications, COX will form a homodimer. This is required for activity. Dimers are connected by a cardiolipin molecule, which has been found to play a key role in stabilization of the holoenzyme complex. The dissociation of subunits VIIa and III in conjunction with the removal of cardiolipin results in total loss of enzyme activity. Subunits encoded in the nuclear genome are known to play a role in enzyme dimerization and stability. Mutations to these subunits eliminate COX function.

Assembly is known to occur in at least three distinct rate-determining steps. The products of these steps have been found, though specific subunit compositions have not been determined.

Synthesis and assembly of COX subunits I, II, and III are facilitated by translational activators, which interact with the 5’ untranslated regions of mitochondrial mRNA transcripts. Translational activators are encoded in the nucleus. They can operate through either direct or indirect interaction with other components of translation machinery, but exact molecular mechanisms are unclear due to difficulties associated with synthesizing translation machinery in-vitro. Though the interactions between subunits I, II, and III encoded within the mitochondrial genome make a lesser contribution to enzyme stability than interactions between bigenomic subunits, these subunits are more conserved, indicating potential unexplored roles for enzyme activity.

Biokémia

A teljes reakció:

4 Sablon:Chem-citokróm c + 4 Sablon:Chem + Sablon:Chem → 4 Sablon:Chem-citokróm c + 2 Sablon:H2O, ${\mathrm{\Delta }}_f{G^o}^{\prime }=-218\frac{kJ}{mol}$

Két elektron két citokróm c-ről kerül át a Cu_A-n és a citokróm a-n keresztül a citokróm a₃–Cu_B központig, a fémeket Sablon:Chem és Sablon:Chem ionra redukálva. A hidroxidligandum protonálódik és vízként távozik, üres helyet hagyva a fémek közt, melyet az oxigén kitölt. Ez gyorsan redukálódik, 2 elektron a Sablon:Chem-citokróm a₃-ról jön, mely a ferriloxoformává alakul (Sablon:Chem=O). A Cu_B-hez közeli oxigén felvesz egy elektront a Sablon:Chem-ről és egyet a Tyr(244) hidroxilcsoportjáról, ami így tirozilgyök lesz. A második oxigén hidroxidionná válik 2 elektron és 1 proton felvételével. Egy újabb elektron egy másik citokróm c-ről kerül át az első 2 elektronhordozón át a citokróm a₃–Cu_B központhoz, ez a tirozilgyököt Tyr-ná, a Sablon:Chem-hoz kötődő hidroxidot vízzé alakítja. Még egy újabb citokróm c-ről egy elektron a Cu_A-n és a citokróm a-n keresztül áthaladva a Sablon:Chem=O csoportot Sablon:Chem-ra redukálja, az oxigén ezzel egyidejűleg protont vesz fel, így hidroxidionná téve a citokróm a₃–Cu_B központban, ahogy a ciklus elején volt. Tehát 4 redukált citokróm c oxidálódik, az oxigén és a protonok vízzé válnak.Sablon:Rp

A citokróm c-oxidáznak hagyományosan 6 állapotát különböztetik meg. Az A állapotban Sablon:Chem és kétatomos oxigén található, a Cu_B oxidációs száma 1. Ebből alakul ki a P állapot, ahol nem ismert a vas, az oxigén és a réz állapota: korai Raman-spektroszkópiai mérések szerint peroxid volt benne jelen, későbbi eredmények azonban egy oxoferrilcsoport jelenlétét erősítették meg, azonban még újabban ismét megjelentek a peroxidelméletet támogató tanulmányok. A P állapotból alakul ki az F állapot egy elektron bekerülésével, itt a vas Sablon:Chem, az oxigén Sablon:Chem, a Cu_B Sablon:Chem. Ebből 2 proton és 1 elektron be-, illetve víz kilépésével alakul ki az O állapot, Sablon:Chem és Sablon:Chem ionokkal, ebből a réz elektronfelvételével az az E, majd a vaséval az R jön létre. A P. denitrificans citokróm c-oxidázának egyes állapotai krioelektromikroszkópiai vizsgálata során kiderült, hogy az O állapot Soret-csúcsán az abszorpciós maximum 426 nm, az R állapot esetén ez 448-ra tolódott el, ezenkívül a fehérje 6 oxigénmolekulát tudott megkötni.

Gátlás

A COX 3 konformációs állapotban (teljesen oxidált, részben redukált, teljesen redukált) létezik. Minden inhibitor affinitása más állapotban nagy. A teljesen oxidált állapotban a hem a₃ és a Cu_B központok is oxidáltak, e változat aktivitása a legnagyobb. Egy 2 elektronos redukció elindítja az oxigén aktív helyhez való kötését lehetővé tevő konformációváltozást. 4 elektron teljesen redukálja az enzimet. Teljesen redukált állapotát, ahol Sablon:Chem van a hemben, és a Cu_B oxidációs száma 1, a nyugalmi, inaktív állapotnak tekintik.

A cianid, azid és szén-monoxid egyaránt kötődnek a citokróm c-oxidázhoz, gátolva működését és kémiai asphyxiatiót okozva. Több oxigén szükséges a gátlóanyag-koncentrációk növekedésének ellensúlyozására, csökkentve a sejt metabolikus aktivitását inhibitor jelenlétében. Más ligandumok, például a nitrogén-monoxid vagy a kén-hidrogén szintén gátolhatják a COX-t a szabályzóhelyekhez kötve, csökkentve a sejtlégzés mértékét.

A cianid a COX nem kompetitív inhibitora, a részben redukált állapothoz kötve és az enzim továbbredukcióját akadályozva. Teljesen oxidált enzimhez a cianid lassan köt nagy affinitással. Elektrosztatikusan stabilizálja a két fémet azzal, hogy közéjük kerül. A nagy nitrogén-monoxid-koncentráció, például az enzimhez kívülről adva, megfordítja a cianidgátlást.

A nitrogén-monoxid reverzibilisen kötődhet bármely fémionhoz, nitritté válva. A NO és a Sablon:Chem az oxigénnel versenyeznek, csökkentve a sejtlégzés mértékét. Az endogén NO azonban segíti a Sablon:Chem-gátlást. A magasabb NO-szint magasabb cianidgátlást okoz. Ilyen kis koncentráció mellett a citokróm c-oxidáz NO-gátlása előnyös, például növeli az érszövetek oxigénszintjét. Az enzim oxigénredukcióra való képtelensége az oxigén felhalmozódását okozza, amely mélyebbre tud hatolni a környező szövetekbe. A citokróm c-oxidáz NO-gátlása jobban hat alacsonyabb oxigénszintnél, növelve a vazodilatációs szerepét a megfelelő szövetekben.

A hidrogén-szulfid a COX-hoz nem kompetitíven kapcsolódik szabályzó helynél, hasonlóan a CO-hoz. A szulfid affinitása a legnagyobb teljesen oxidált és részben redukált állapotokhoz is, és képes a hem a₃ központnál való redukcióra. Nem ismert, hogy az endogén Sablon:Chem szintjei elegendőek a gátláshoz. Nincs kölcsönhatás a hidrogén-szulfid és a teljesen redukált COX közt.

A denaturált szeszben is megtalálható metanol hangyasavvá alakul, mely szintén gátolja az oxidázrendszert. A magas ATP-szint képes a citokróm c-oxidáz allosztérikus gátlására a mitokondriális mátrixból való kötéssel.

Extramitokondriális és sejt alatti helyek

A 3 citokróm c-oxidáz alegység (COXI, COXII és COXIII, narancssárgával helye

A citokróm c-oxidáznak 3 mitokondriumban kódolt egysége van (I., II., III.). Ezek közül 2-t találtak mitokondriumon kívül. A hasnyálmirigy acinaris szövetében ezek zimogénszemcsékben találhatók. Ezenkívül az adenohipofízisben meglehetősen sok van belőle növekedésihormon-elválasztó szemcsékben. Ezek extramitokondriális szerepe nem ismert. Ezenkívül számos más mitokondriális fehérjét is megtaláltak mitokondriumon kívül. Ez alapján a mitokondriumból a sejt más részeire való fehérje-transzlokációnak lehetnek még ismeretlen mechanizmusai.

Genetikai hibák és rendellenességek

A citokróm c-oxidáz (COX) funkcióját vagy szerkezetét befolyásoló mutációk súlyos, gyakran halálos anyagcserezavarokhoz vezethetnek. E rendellenességek gyakran kisgyermekkorban jelennek meg, és jellemzően nagy energiaigényű szöveteket érintenek, például az agyat, a szívet és az izmokat. A számos mitokondriális betegségek közül a hibás COX-működést okozók feltehetően a legsúlyosabbak.

A legtöbb COX-rendellenesség a sejtmagban kódolt fehérjék mutációihoz kapcsolódnak. Ezek a COX szerkezetét és működését határozzák meg, és számos létfontosságú folyamatban, például a mitokondriálisan kódolt alegységek transzkripciójában és transzlációjában, a preproteinek feldolgozásában, a membráninzertációban és a kofaktor-bioszintézisben és -beillesztésben fontosak.

7 COX-faktorban találtak mutációt, ezek a SURF1, a SCO1, a SCO2, a COX10, a COX15, a COX20, a COA5 és az LRPPRC. E fehérjék mutációi az alkomplex szerkezetében, a résztranszportban vagy a transzlációs szabályzásban okozhatnak elváltozásokat. Minden mutációhoz tartozik egy betegség etiológiája, egyeseknek több rendellenesség is következményük. A hibás COX-összeillesztés okozta rendellenességek például a Leigh-szindróma, a kardiomiopátia, a leukodisztrófia, az anémia és a szenzorineurális siketség.

Hisztokémia

A neuronok jobban az oxidatív foszforiláción alapuló energiaszerzése megkönnyíti a COX hisztokémiájának agyi metabolizmushoz rendelésben való használatát, mivel közvetlen pozitív korrelációt mutat az enzim- és a neuronaktivitás közt. Ez látható a COX enzim mennyisége és aktivitása közti korrelációban, mely a COX gén expressziójának szabályzását jelzi. A COX eloszlása eltér az agy különböző területeiben, de mintája hasonló. Ez észrevehető majom-, egér és bárányagyban. A COX egy izozimjét észlelték az agy hisztokémiai analízisében. Ilyen agyleképezés történt spontán mutáns egerekben kisagybetegséggel, például reelerben és egy transzgenikus Alzheimer-kór-modellben. E módszer használatos az agy tanulási aktivitásának feltérképezésében is.

Kapcsolódó szócikkek

• Hem a

További információk

• A citokróm c-oxidázról szóló lap a Rice Universityn
• A citokróm c-oxidáz modellje (Requires MDL Chime)
• Sablon:UMichOPM
• Sablon:MeshName