Cytochrom c-oxidáza

Cytochrom c-oxidáza ( cytochromoxidáza ) nebo cytochrom c-kyslík:oxidoreduktáza , také známá jako cytochrom aa 3 a komplex IV  , je koncová oxidáza aerobního respiračního elektronového transportního řetězce , která katalyzuje přenos elektronů z cytochromu c na kyslík za vzniku voda [1] . Cytochromoxidáza je přítomna ve vnitřní mitochondriální membráně všech eukaryot , kde je běžně označována jako komplex IV, a také v buněčné membráně mnoha aerobních bakterií [2] .

Komplex IV postupně oxiduje čtyři molekuly cytochromu c a přijetím čtyř elektronů redukuje O 2 na H 2 O. Když je O 2 redukován, čtyři H + jsou zachyceny z mitochondriální matrice za vzniku dvou molekul H 2 O a dalších čtyř H + jsou aktivně čerpány přes membránu . Cytochromoxidáza tedy přispívá k vytvoření protonového gradientu pro syntézu ATP a je součástí dráhy oxidativní fosforylace [3] . Tento multiproteinový komplex navíc hraje klíčovou roli v regulaci aktivity celého dýchacího řetězce a produkci energie eukaryotickou buňkou [4] .

Historie studia

Cytochromoxidázu objevil irský lékař a vědec C. A. McMann , který v roce 1885 popsal reverzibilní změny absorpčního spektra při vlnové délce 605 nm, ke kterým dochází při oxidaci v živočišných buňkách, což je charakteristický spektrální podpis cytochromoxidázy. Jeho práci však kritizovali vlivní fyziologové Goppe-Seyler a Levy, kteří předpokládali, že McMann jednoduše pozoroval příjem produktů rozkladu hemoglobinu . V důsledku toho se výzkum tohoto enzymu na více než 30 let zastavil, dokud Hans Fischer nepotvrdil McMannovy výsledky v roce 1923 [5] [6] [7] .

V dalším výzkumu tohoto enzymu pokračoval německý vědec Otto Warburg . Ve své práci inhiboval dýchání v kvasinkové suspenzi s CO a poté získal absorpční spektra odstraněním inhibice ozařováním koherentním paprskem světla o různých vlnových délkách . Ze získaných dat vyplynulo, že inhibovaným enzymem  je hemoprotein , ve kterém je hem v komplexu s CO [8] [9] . Warburg spojil nový, neznámý protein s funkcí buněčného dýchání a aplikoval na něj termín Atmungsferment neboli „respirační enzym“, který používal od roku 1924. Práce vyšla v roce 1929 a v roce 1931 za ni Warburg obdržel Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu se zněním „za objev povahy a mechanismu účinku respiračního enzymu“ [5] .

Významný příspěvek k pochopení podstaty komplexu IV učinil britský vědec David Keilin . V roce 1939 ve spolupráci s E. F. Hartreem objevil dosud neznámý cytochrom zvaný a 3 , který měl schopnost oxidovat cytochrom c . Nový cytochrom měl stejné absorpční spektrum jako záhadný Warburgův respirační enzym a byl také inhibován CO a KCN [10] . Kaylin ve své práci vytvořil název cytochrom c-oxidáza, který navrhl Malcolm Dixon v roce 1928 [11] . Warburg a Kaylin se dlouho dohadovali o povaze ciochromoxidázy: Warburg věřil, že kofaktorem tohoto enzymu může být pouze železo , zatímco Kaylin věřil, že jde o protein obsahující měď . Jak roky plynuly, ukázalo se, že oba velcí vědci měli pravdu: cytochromoxidáza obsahuje jak železo obsahující hem, tak atom mědi [12] .

Mechanismus vazby kyslíku cytochromoxidázou studoval americký biochemik Britton Chance , který v polovině 70. let pomocí pokročilých technik NMR a spektroskopie při nízkých teplotách objevil komplex enzym- substrát cytochromoxidázy, aduktu hem a 3 s molekulárním kyslíkem [11] .

V roce 1977 finský vědec Martin Wikström ukázal, že cytochromoxidáza při své práci pumpuje protony přes membránu [13] , což tvůrce chemiosmotické hypotézy Peter Mitchell dlouho nemohl akceptovat . Nicméně hromadící se experimentální data svědčila ve prospěch Wikströmovy správnosti a Mitchell později uznal svou chybu [5] [14] .

První pokusy o izolaci enzymu byly provedeny počínaje rokem 1941: protože dosud nebyly vyvinuty žádné postupy pro izolaci velkých membránových proteinů, musely se dělat pokusy a omyly. Časné izolační postupy používaly žlučové soli , které způsobily velké ztráty aktivity. Nástup neiontových detergentů jako Triton X-100 způsobil nový boom v této oblasti v letech 1966 až 1974 a umožnil získat první čisté přípravky [15] . První trojrozměrná struktura s atomárním rozlišením komplexu se objevila o něco později, v roce 1995 [5] .

Strukturální organizace komplexu IV

Komplex IV z mitochondrií savců a ptáků [16] se skládá z 13 proteinových podjednotek , z nichž tři mají katalytickou aktivitu, váží kofaktory a jsou kódovány mitochondriálními geny (výjimkou je podjednotka III u Chlamydomonas reinhardtii a Polytomella sp , která je zakódován v jádře [17 ] ). Zbývajících deset podjednotek je zakódováno v DNA jádra [18] [19] . V roce 2012 byl hlášen objev 14. podjednotky [20] , později byl ale vyvrácen [21] . V mitochondriální membráně existuje komplex jako homodimer , přičemž každý monomer se skládá z 13 podjednotek. Molekulová hmotnost takového dimeru izolovaného z bovinních mitochondrií je přibližně 350 kDa [22] . Několik monomerů nalezených v membráně má dvojnásobnou katalytickou aktivitu [16] .

U S. cerevisiae se komplex IV skládá pouze z 11 podjednotek, ale chybějící podjednotky v bovinním komplexu jsou malé periferní proteiny, takže kvasinková cytochromoxidáza se významně neliší od cytochromoxidázy u savců [23] [19] . O komplexu IV v rostlinách je známo mnohem méně a dodnes zůstává jedním z nejvíce neprozkoumaných komplexů rostlinných mitochondrií. Nedávné experimenty s jeho izolací z Arabidopsis a jeho studiem pomocí nativní modré elektroforézy ukázaly, že se zdá, že sestává z osmi podjednotek podobných těm z komplexu IV jiných eukaryot a šesti dalších podjednotek specifických pro rostliny. Méně přesné oddělení komplexu IV od brambor a fazolí poskytlo pruhovaný vzor podobný tomu u Arabidopsis: lze s jistotou říci, že jejich komplex IV se skládá z nejméně 9–10 podjednotek [24] . Bakteriální komplexy existují v membráně jako monomery a skládají se ze 3–4 podjednotek , z nichž tři jsou homologní se třemi eukaryotickými podjednotkami kódovanými v mitochondriích [22] [19] [4] .

Podjednotky

Tři velké podjednotky komplexu (I-III), homologní s bakteriálními, nesou všechny potřebné kofaktory a provádějí hlavní katalyzační reakce spojené mimo jiné s přenosem protonů. Malé jaderné podjednotky umístěné na periferii se tohoto procesu neúčastní. V současné době jsou specifické funkce známy pouze pro čtyři jaderné podjednotky (IV, Va, VIa-L, VIa-H), ale je zřejmé, že všechny hrají roli při sestavování, dimerizaci a regulaci aktivity komplexu. [23] . Jádro komplexu IV má extrémně vysokou katalytickou aktivitu, která je potlačena pomocnými jadernými podjednotkami s ním úzce spojenými, což je zvláště důležité pro regulaci celého dýchání jako celku. U obratlovců je mnoho z těchto podjednotek reprezentováno několika tkáňově specifickými izoformami , z nichž každá je kódována samostatným genem . Exprese každé izoformy závisí na typu tkáně , stupni vývoje organismu a může se měnit v závislosti na vnějších podmínkách, což umožňuje jasně regulovat energetické zásobování různých orgánů a tkání [16] .

Vznik široké škály jaderných podjednotek po duplikaci v celém genomu u obratlovců se zhruba shoduje s jejich ztrátou alternativní oxidázy , která poskytla alternativní cestu pro elektrony ke kyslíku a obcházela komplex IV. Role těchto podjednotek se zvláště zvýšila, protože savčí buňky ztratily schopnost přepínat mezi různými terminálními oxidázami, jak se to děje u prokaryot. Například E. coli má dvě koncové chinonoxidázy; při normálním obsahu kyslíku exprimuje převážně cytochrom bo 3 a při nízkém obsahu kyslíku přechází na cytochrom bd , který má zvýšenou afinitu ke kyslíku, ale nečerpá protony. Je zřejmé, že za takových podmínek jaderné podjednotky převzaly funkci řízení aktivity veškeré oxidativní fosforylace v závislosti na hladině kyslíku [25] .

Podjednotka Va specificky váže hormon štítné žlázy 3,5-dijodtyronin , ale neinteraguje s tyroxinem nebo trijodtyroninem . V důsledku této interakce přestává být komplex IV alostericky inhibován ATP. Tento mechanismus vysvětluje krátkodobý stimulační účinek hormonů štítné žlázy na metabolismus savců [26] [16] .

U savců je podjednotka IV-2 exprimována hlavně v mozku a plicích a v jiných tkáních je její syntéza indukována za hypoxických podmínek . U ryb je tato izoforma silněji exprimována v žábrách [25] . Ačkoli všichni obratlovci mají jednu kopii obou izoforem podjednotky IV, k aktivaci exprese IV-2 v reakci na nedostatek kyslíku dochází pouze u savců a chybí u ryb a plazů a u ptáků gen COX4-2 kódující izoformu IV-2. není funkční [27] . Myši s knockoutem pro gen IV-2 měly potíže se stahováním dýchacích cest , snižovaly hladiny ATP v plicích a s věkem se objevovaly patologie dýchacího systému, včetně krystalů Charcot-Leiden . Tato experimentální data naznačují důležitost izoformy IV-2 pro normální fungování plic savců [16] .

Pro podjednotky VIa-L a VIa-H bylo možné určit specifické funkce. Ukázalo se , že kapacita čerpání protonů ( H + /e − stechiometrie ) komplexu ledvin a jater se snížila z 1 na 0,5 při nízkých koncentracích volné kyseliny palmitové , což se nevyskytovalo u komplexu srdce - sval IV obsahujícího VIa-H izoforma. Předpokládaným fyziologickým významem tohoto procesu je zvýšení termogeneze a udržení tělesné teploty ve všech tkáních kromě svalů v reakci na volný palmitát. Podjednotka VIa-H ze srdce a svalů stimuluje práci komplexu vazbou ADP a naopak snižuje stechiometrii H + /e- při vysokém poměru ATP/ADP. Fyziologický význam této vlastnosti spočívá ve zvýšení termogeneze ve svalech během spánku nebo odpočinku, kdy je spotřeba ATP snížena a poměr ATP/ADP zůstává vysoký. Podjednotka VIa-H u ryb chybí [16] .

Kofaktory

Kofaktory Complex IV jsou umístěny na dvou velkých jednotkách, I a II, uložených v membráně. Podjednotka I tvoří dvanáct transmembránových α-helixů a obsahuje tři redoxní centra: hem a ( redoxní potenciál + 0,22 V [1] ) a tzv. binukleární centrum a 3 -Cu B , které zahrnuje hem a 3 a atom mědi CuB . Hem a a a 3 jsou chemicky identické, ale železo hemu a je šestikoordinační, protože tvoří šest koordinačních vazeb se čtyřmi atomy dusíku pyrrolových kruhů a dvěma atomy dusíku blízkých histidinových zbytků , zatímco v hemu a 3 tvoří pouze pět koordinačních vazeb, takže šestá vazba je dostupná pro vazbu s molekulárním kyslíkem . Naproti hemovému železu a 3 je atom mědi Cu B ligovaný se třemi histidinovými zbytky. Přestože mezi železem a mědí binukleárního centra nejsou žádné vazebné prvky, je mezi nimi pozorována silná antiferomagnetická konjugace [28] . Redoxní potenciál binukleárního centra je přibližně +0,24 V [1] .

Krystalografické studie odhalily neobvyklou posttranslační modifikaci podjednotky I: histidin-240 [K 3] je kovalentně vázán prostřednictvím svého atomu dusíku v poloze tau k meta - uhlíku benzenového kruhu tyrosinu - 244. Tento zbytek tyrosinu dodává elektron a proton k redukci kyslíku za vzniku neutrálního radikálu . Kovalentní vazba navíc vytváří pentamerní kruh aminokyselin , jehož glutamátový zbytek je důležitou složkou protonového transportu [23] .

Podjednotka II má střed Cu A ( redoxní potenciál = − 0,70 V [1] ), který se skládá ze dvou atomů mědi přímo spojených kovalentní vazbou. Je ligován se šesti aminokyselinovými zbytky: dvěma cysteinovými zbytky , dvěma histidinovými zbytky, jedním methioninovým zbytkem a karboxylovým peptidem kyseliny glutamové . Funguje jako jednoelektronový nosič [28] .

Rentgenová difrakční analýza a místně specifická mutageneze podjednotky I odhalily cesty, kterými mohou protony pronikat komplexem a procházet membránou. Tyto dráhy se nazývají D-, K- a H-kanály. Kanály lemované polárními aminokyselinovými zbytky obsahují různý počet molekul vody. Iont Mg 2+ nalezený v komplexu může být právě tím, co je potřeba ke stabilizaci těchto molekul. Předpokládá se, že K-kanál spojuje vodnou fázi matrice s binukleárním centrem a slouží k dodání "substrátových" protonů nezbytných pro tvorbu vody z kyslíku. Zdá se, že D-kanál tvoří průchozí cestu a mohou jím projít jak "substrátové" protony, tak protony čerpané přes membránu. U eukaryot byl nalezen další H-kanál, který je pravděpodobně také end-to-end [23] [29] .

Reakce

Celková reakce katalyzovaná komplexem je popsána následující rovnicí:

Cesta elektronu v komplexu je známá. Cytochrom c se váže na podjednotku II zprostředkovanou podjednotkami I, III a VIb a obnovuje centrum Cu A umístěné blízko povrchu membrány. Ze středu Cu A jde elektron do hemu a a poté do binukleárního centra a 3 -Cu B umístěného v tloušťce membrány. Právě v binukleárním centru je O 2 vázán a redukován na H 2 O [3] . Vzhledem k tomu, že kyslík má vysokou elektronovou afinitu, uvolňuje velké množství volné energie v procesu redukce na vodu . Díky tomu jsou aerobní organismy schopny přijímat mnohem více energie, než je možné vyrobit výhradně anaerobními prostředky.

Mechanismus redukce kyslíku

Mechanismus redukce kyslíku byl dlouho předmětem intenzivního studia, ale není zcela jasný. Katalytický cyklus cytochromoxidázy se skládá ze šesti stupňů, označených A (adukt, anglicky  Addduct ) [30] , P (peroxy intermediát z angličtiny  Peroxy intermediate ), F (ferryloxo intermediát z angličtiny  Ferryl-oxo intermediate ) [30] , O H (totálně oxidovaný vysokoenergetický stav z anglického  Fully-oxidized high-energetický stav ), E (jeden elektronově redukovaný stav z anglického  One-electron reduction state ) a R (redukovaný stav z anglického  Reduced state ) a tak pojmenované po stavu binukleárního centra [31] . Je třeba poznamenat, že nomenklatura katalytických stavů je značně zastaralá, ne vždy odráží skutečný chemický stav binukleárního centra a je zachována převážně z historických důvodů. Například ve fázi P není kyslík v binukleárním centru vůbec v peroxidové formě, jak se před 30 lety věřilo, ale ve stavu oxoferrylu, kde je vazba mezi atomy kyslíku již přerušena [30] . Podle moderních koncepcí dochází k redukci kyslíku v cytochrom c oxidáze rychlou a úplnou redukcí s párovým přenosem elektronů, což vylučuje tvorbu reaktivních forem kyslíku . Dochází k následujícímu sledu událostí [30] [32] [33] :

• A Plně redukované binukleární centrum rychle váže O 2 za vzniku kyslíkového aduktu, což vede ke konformačnímu přeskupení (označeno tenkými černými šipkami).
• P M Dochází k rychlému přenosu čtyř elektronů na kyslík: dva jsou dodávány hemovým železem a 3 (Fe II → Fe IV ), další se nachází v blízkosti Cu B (Cu I → Cu II ) a čtvrtý pochází z zbytek tyrosinu - 244, poskytuje také proton potřebný k přerušení dvojné vazby O2 . Vzniklý neutrální tyrosinový radikál je redukován do stavu aniontu na úkor elektronu z cytochromu c .
• PR K protonaci Cu(II)-OH − dochází za vzniku molekuly vody.
• F Výsledná molekula vody se váže na koordinační vazbu Cu B. Železo Fe (IV) \u003d O 2- se redukuje na Fe III a s ním spojený kyslík je protonován. Uvolní se první molekula vody.
• O H Anion tyrosinu je protonován a Cu B je redukován na Cu I na úkor elektronu z cytochromu c .
• EH Železo se redukuje na Fe II , načež je s ním spojená OH skupina protonována za vzniku druhé molekuly vody .
• R V tomto stavu je binukleární centrum zcela redukováno a komplex je připraven vázat novou molekulu kyslíku.

Mechanismus transportu protonů

Je známo, že eukaryotická cytochromoxidáza přenáší jeden proton přes membránu na každý elektron přijatý z cytochromu c . Komplex najednou pumpuje jeden „substrátový“ proton, používaný k tvorbě vody, kanálem K a přenáší jeden další proton přes membránu kanálem D. Během jednoho katalytického cyklu probíhá translokační událost ve čtyřech relativně stabilních fázích: PM F , OH a EH . _ _ _

Přesný mechanismus transportu protonů stále není jasný: v posledních letech bylo navrženo mnoho modelů, ve kterých byly učiněny pokusy tento proces podrobně popsat [33] . Není také jasné, jak se provádí konjugace energie elektronů s pohybem protonů. Obecně to však lze popsat následovně [31] :

1. V počáteční fázi cyklu jsou protonové kanály komplexu uzavřeny, poté cytochrom c přenese elektron do Cu A centra.
2. Elektron se rychle přesune z Cu A centra k hemu a , což vede ke změně redox potenciálu a způsobí, že se molekuly vody v kanálu D přeorientují a otevře se proton. V důsledku přesunu elektronu z Cu A do hemu a se proton pohybuje kanálem D a je zatížen do místa zatížení protonu PLS . 
3. Elektron přechází do binukleárního centra na hem a 3 , v důsledku čehož jeden substrátový proton vstupuje přes K kanál. Současně proton v PLS zaznamenává významné zvýšení své kyselosti (z pK=11 na pK=5).
4. V konečné fázi cyklu je proton předem nabitý v PLS vyvržen, jak se předpokládá, v důsledku elektrostatického odpuzování od protonu substrátu, který se podílí na redukci kyslíku v binukleárním centru.

Regulace a montáž

Biogeneze komplexu IV je velmi složitý a dobře regulovaný proces, který je již dlouhou dobu předmětem intenzivního studia. Sestavení komplexu zahrnuje více než dvacet pomocných faktorů zakódovaných v jádře a také proteiny, které do něj vkládají atomy hemů a , a 3 a mědi. Patří sem také alespoň 15 proteinů aktivujících translaci mitochondriálních podjednotek odpovědných za správnou transkripci a sestřih mRNA a aktivaci translace , speciální translokázy nezbytné pro transport jaderných podjednotek do mitochondrií a také enzymy pro biosyntézu kofaktorů [34] . Kromě speciálních montážních faktorů vyžaduje biogeneze komplexu IV značný počet proteinů s vysokou specificitou, včetně ATP-dependentních peptidáz odpovědných za zpracování propeptidů [16] .

Posttranslační regulace aktivity komplexu IV není o nic méně složitá a je dosahována mnoha různými způsoby. Patří mezi ně fosforylace podjednotek , reverzibilní vazba některých periferních podjednotek, regulace pomocí určitých izoforem jaderných podjednotek, která závisí na stadiu vývoje a typu tkáně, alosterická regulace pomocí ATP a ADP na deseti vazebných místech (u savčí cytochromoxidázy) , mono- a dimerizační komplex, stejně jako jeho interakce s jinými respiračními komplexy s tvorbou respiráz [16] .

Fosforylace podjednotek komplexu je zvláště důležitá, protože spojuje jeho aktivitu s působením regulačních kaskád buňky a prací Krebsova cyklu . Fosforylace a defosforylace způsobují efekty, jako je uvolňování inhibice prostřednictvím ATP během období stresu nebo spouštění apoptózy . Celkem bylo v komplexu nalezeno 18 pozic pro fosforylaci, ale přesná funkce fosforylace pro každou z těchto pozic nebyla stanovena [16] .

Pozice v systému klasifikace proteinů

Cytochromoxidáza patří do proteinové nadrodiny hem- měďoxidoreduktáz (v klasifikaci enzymů byla převedena do třídy 7 - translokázy), která zahrnuje většinu v současnosti známých koncových oxidáz , jakož i reduktázy oxidu dusnatého (II. ) , které katalyzují dvouelektronovou redukci NO na N 2 O za vzniku vody. Všichni zástupci této nadrodiny se vyznačují přítomností podjednotky I s konzervativní terciární strukturou , jedním hemem s nízkým spinem a binukleárním centrem z atomu mědi a hemu s vysokým spinem. Členové nadrodiny se dělí do rodin podle typu hemu, přítomnosti dalších kofaktorů, aminokyselinové sekvence, terciární struktury a počtu podjednotek, typu oxidovaného substrátu a struktury protonových přenosových kanálů nebo jejich nepřítomnosti. [35] . Přítomnost dalších podjednotek nesoucích další hemy nebo atomy kovů (nebo jejich úplná absence) umožňuje těmto enzymům přijímat elektrony z různých typů substrátů: různých membránových nosičů, jako jsou chinony , ve vodě rozpustné cytochromy nebo modré proteiny vázající měď [ 36] .

Rodina A je největší a nejvíce studovanou rodinou všech oxidoreduktáz hemové mědi. Vyznačuje se složením hemů typu aa 3 nebo caa 3 . Zástupci této rodiny se obvykle skládají ze tří podjednotek: I, II a III, které jsou homologní s podjednotkami typického člena rodiny, mitochondriální cytochrom c oxidázy. Mají alespoň dva protonové kanály, D a K, a translokují protony se stechiometrií H + /e - . Savčí cytochrom c oxidáza patří do podrodiny A 1 spolu s cytochromoxidázami P. denitrificans a R. sphaeroides [37] .

Oxidázy rodiny B se skládají ze tří podjednotek: I, II a IIa. Podjednotka IIa je jediný transmembránový řetězec podobný strukturou jako druhý transmembránový řetězec podjednotky II z rodiny A. Mají pouze jeden alternativní protonový kanál K, stechiometrie přenosu protonů je 0,5-0,75 H + /e - [36] [38] [ 39] . Charakteristický je soubor hemů typu ba 3 , b(o)a 3 a aa 3 [35] .

Rodina C zahrnuje pouze koncové oxidázy typu cbb 3 . Mají další podjednotku, která může vázat jeden nebo dva hemy c [35] . Jedná se o druhou největší skupinu kyslíkových reduktáz (24 %) po rodině A (71 %) [36] . Existuje alternativní kanál K, který se strukturou liší od K-kanálu reduktáz z rodiny B. Stechiometrie přenosu protonů je 0,2-0,4 H + /e - , ale podle jiných údajů 0,6-1 [35] . Tato rodina se nachází pouze mezi bakteriemi, protože většina archaea nemůže syntetizovat hem c [36] .

Na základě bioinformatické analýzy bylo navrženo izolovat malé rodiny D, E, F, G a H, které jsou zastoupeny pouze v archaea a jsou extrémně rozmanité. V klasickém systému jsou všechny tyto rodiny zahrnuty do rodiny B, ale vysoká diverzita jejich primární struktury hovoří ve prospěch jejich separace do samostatných rodin [36] .

Intracelulární distribuce

Tři jádrové podjednotky cytochrom c oxidázy kódované v mitochondriálním genomu byly nedávno nalezeny mimo mitochondrie. Byly nalezeny v zymogenních granulích pankreatických acini . Relativně vysoké koncentrace těchto podjednotek byly nalezeny v sekrečních granulích spolu s růstovým hormonem v přední hypofýze [40] . Funkce těchto podjednotek mimo mitochondrie nebyly dosud stanoveny. Kromě podjednotek cytochrom c oxidázy bylo mimo mitochondrie nalezeno mnoho dalších mitochondriálních proteinů [41] [42] . V souvislosti s těmito poznatky byla vyslovena hypotéza o existenci neznámého mechanismu transportu proteinů z mitochondrií do jiných buněčných kompartmentů [40] [42] [43] .

Inhibitory

Kyanidy , sulfidy , azidy , oxid uhelnatý a oxid dusnatý [44] se váží na oxidované nebo redukované dvojjaderné centrum enzymu a soutěží s kyslíkem, inhibují enzym, což vede k buněčné smrti v důsledku chemické asfyxie . Metanol , který je součástí průmyslového alkoholu , se v těle přeměňuje na kyselinu mravenčí , která může také inhibovat cytochromoxidázu [45] .

Klinické a praktické důsledky

Mutace ovlivňující enzymatickou aktivitu nebo strukturu cytochrom c oxidázy vedou k těžkým a obvykle smrtelným metabolickým poruchám. Takové poruchy se obvykle objevují v raném dětství a postihují především tkáně s vysokou spotřebou energie ( mozek , srdce, svaly). Mezi mnoha mitochondriálními onemocněními jsou za nejzávažnější považována onemocnění spojená s dysfunkcí nebo abnormální sestavou cytochromoxidázy [46] .

Naprostá většina dysfunkcí cytochromoxidázy je spojena s mutacemi v montážních faktorech tohoto komplexu kódovaného v jádře. Zajišťují správné sestavení a fungování komplexu a účastní se několika životně důležitých procesů, včetně transkripce a translace mitochondriálních podjednotek, zpracování propeptidů a jejich zabudování do membrány, jakož i biosyntézy kofaktorů a jejich fixace v komplexu [47 ] .

Dosud byly identifikovány mutace v sedmi montážních faktorech: SURF1 , SCO1 [ , SCO2 ] , COX10 [en , COX15 [ , COX20 , COA5 a LRPPRC . Mutace v těchto proteinech mohou vést ke změnám ve fungování komplexu, špatnému sestavení subkomplexů, narušení transportu mědi nebo regulaci translace. Mutace v každém z genů je spojena s etiologií konkrétního onemocnění, z nichž některé mohou vést k více poruchám. Mezi takové genetické poruchy patří Leighův syndrom , kardiomyopatie , encefalopatie , leukodystrofie , anémie a senzorineurální ztráta sluchu [47] .

Histochemie

Histochemické barvení komplexu IV se používá k mapování metabolicky aktivních oblastí mozku zvířat, protože existuje přímý vztah mezi aktivitou tohoto enzymu a aktivitou celého neuronu [48] . Takové mapování bylo provedeno na mutantních myších s různými poruchami mozečku , zejména na myších z linie reeler [49] a na transgenním modelu Alzheimerovy choroby [50] . Tato technika byla také použita k mapování oblastí zvířecího mozku, které jsou aktivní během učení [51] .

Čárové kódování DNA

Sekvence genové oblasti cytochrom c oxidázy podjednotky I (dlouhá asi 600 nukleotidů) je široce používána v projektech souvisejících s čárovým kódováním DNA  , tj. určováním, zda organismus patří k určitému taxonu na základě krátkých markerů v jeho DNA [52] [53]. .

Viz také

• komplex NADH dehydrogenázy
• Sukcinátdehydrogenáza
• Cytochrom-b6f-komplex
• Cytochrom-bc1-komplex
• Respirasome

Poznámky

1. ↑ V tomto případě se používá Kadenbachova nomenklatura, která je akceptována pro všechny savce.
2. ↑ Pokud není uvedeno jinak, podjednotka je vyjádřena ve všech tkáních.
3. ↑ Podle číslování býčího komplexu IV.

Zdroje

1. ↑ 1 2 3 4 Ermakov, 2005 , s. 243.
2. ↑ Elena A. Gorbiková, Ilja Belevič, Mårten Wikström a Michael I. Verkhovsky. Donor protonů pro štěpení vazby OGraphicO oxidázou cytochromu c  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 12. března 2008. - Sv. 105 , č. 31 . - S. 10733-10737 . - doi : 10.1073/pnas.0802512105 .
3. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , s. 244.
4. ↑ 1 2 Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras, Lawrence I. Grossman. Cytochrom c oxidáza: Evoluce kontroly prostřednictvím přidání jaderné podjednotky  (anglicky)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetika: časopis. - Duben 2012. - Sv. 1817 , č.p. 4 . - str. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 . — PMID 21802404 .
5. ↑ 1 2 3 4 Hartmut Michel. Structure and Mechanism of Otto Warburg's Respiratory Enzyme, the Cytochrome with Oxidase  (anglicky) (2013). Datum přístupu: 18. února 2016.
6. ↑ Thomas L. Mason a Gottfried Schatz. Cytochrom s oxidázou z pekařských kvasnic II. SITE OF TRANSLATION OF THE PROTEIN COMPONENTS  (anglicky)  // The Journal of Biological Chemistry  : journal. - 25. února - Sv. 248 . - S. 1355-1360 .
7. ↑ David Kelin. Historie buněčného dýchání a cytochromu . — Cambridge University Press, 1966.
8. ↑ William W. Parson. Moderní optická spektroskopie s cvičeními a příklady z biofyziky a biochemie . - Springer, 2009. - ISBN 978-3-662-46777-0 .
9. ↑ Warburg, Otto Heinrich. Atmungsferment und Oxydasen  //  Biochemische Zeitschrift : deník. - 1929. - Sv. 214 . - str. 1-3 .
10. ↑ D. Keilin, E. F. Hartree. Cytochrome and cytochrome oxidase  (anglicky)  // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences  : journal. - 18. května 1939. - Sv. 127 . - S. 167-191 . - doi : 10.1098/rspb.1939.0016 .
11. ↑ 1 2 Mårten Wikström. Meziprodukty aktivního místa při redukci O2 cytochromoxidázou a jejich deriváty  //  Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetika: časopis. - Duben 2012. - Sv. 1817 , č.p. 4 . - str. 468-475 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2011.10.010 .
12. ↑ Biologické oxidace:34. Kolokvium - Mosbach / Edited by H. Sund a V. Ullrich. — Berlín; Heidelberg; New York Tokio: Springer-Verlag, 1983. - S. 191. - ISBN 978-3-642-69469-1 .
13. ↑ Mårten KF Wikström. Protonová pumpa spojená s cytochrom c oxidázou v mitochondriích.  (anglicky)  // Nature: journal. - 1977 17. března - Sv. 266 . - str. 271-273 . - doi : 10.1038/266271a0 .
14. ↑ Petr R. Rich. Pohled na Petera Mitchella a chemiosmotické teorie  (anglicky)  // J Bioenerg Biomembr : journal. - 2008. - Sv. 40 . - str. 407-410 . - doi : 10.1007/s10863-008-9173-7 .
15. ↑ R. Gregory. Biofyzikální chemie reakcí dioxygenu při dýchání a fotosyntézách / Editoval Tore Vänngård. - Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1988. - S. 36. - ISBN 0-521-36604-6 .
16. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bernhard Kadenbacha, Maik Hüttemannb. Složení a funkce podjednotek savčí cytochrom c oxidázy  (anglicky)  // Mitochondrion: journal. - 2015. - Září ( vol. 24 ). - str. 64-76 . - doi : 10.1016/j.mito.2015.07.002 . — PMID 26190566 .
17. ↑ Pérez-Martínez, X., Funes, S., Tolkunova, E., Davidson, E., King, MP, González-Halphen, D. Struktura jaderně lokalizovaných genů cox3 u Chlamydomonas reinhardtii a u její bezbarvé blízké příbuzné Polytomella sp  (anglicky)  // Current Genetics: journal. - 2002. - Sv. 40 , č. 2 . - str. 399-404 . - doi : 10.1007/s00294-002-0270-6 . — PMID 11919679 .
18. ↑ Taanman JW Lidská cytochrom c oxidáza: struktura, funkce a nedostatek. (anglicky)  // J Bioenerg Biomembr. : deník. - 1997. - Sv. 29 , č. 2 . - S. 151-163 . — PMID 9239540 .
19. ↑ 1 2 3 4 Ileana C. Sotoa, Flavia Fontanesib, Jingjing Liua, Antoni Barrientosa. Biogeneze a sestavení eukaryotického cytochromu s oxidázovým katalytickým jádrem  (anglicky)  // et Biophysica Acta - Bioenergetika: časopis. - 2012. - Červen ( roč. 1817 , č. 6 ). - str. 883-897 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.005 . — PMID 21958598 .
20. ↑ Balsa E., Marco R., Perales-Clemente E., Szklarczyk R., Calvo E., Landázuri MO, Enríquez JA NDUFA4 je podjednotka komplexu IV savčího elektronového transportního řetězce  (anglicky)  // Cell Metab. : deník. - 2012. - Září ( roč. 16 , č. 3 ). - str. 378-386 . - doi : 10.1016/j.cmet.2012.07.015 . — PMID 22902835 .
21. ↑ Bernhard Kadenbacha, Maik Hüttemannb. Složení a funkce podjednotek savčí cytochrom c oxidázy  (anglicky)  // Mitochondrion: journal. - 2015. - Září ( vol. 15 ). - str. 64-76 . - doi : 10.1016/j.mito.2015.07.002 . — PMID 26190566 .
22. ↑ 1 2 Sone N., Takagi T. Monomer-dimerní struktura cytochrom-c oxidázy a komplex cytochromu bc1 z termofilní bakterie PS3. (anglicky)  // Biochim Biophys Acta : deník. - 1990. - Listopad ( roč. 1020 , č. 2 ). - S. 207-212 . - doi : 10.1016/0005-2728(90)90052-6 . — PMID 2173952 .
23. ↑ 1 2 3 4 5 Amandine Maréchala, Brigitte Meunierb, David Leea, Christine Orengoa, Peter R. Richa. Kvasinková cytochrom c oxidáza: Modelový systém pro studium mitochondriálních forem superrodiny hem-měď oxidázy  (anglicky)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetika: časopis. - 2012. - Duben ( roč. 1817 , č. 4 ). - S. 620-628 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.08.011 . — PMID 21925484 .
24. ↑ A. Harvey Millar, Holger Eubel, Lothar Jansch, Volker Kruft, Joshua L. Heazlewood, Hans-Peter Braun. Mitochondriální cytochrom s komplexy oxidázy a sukcinátdehydrogenázy obsahují rostlinně specifické podjednotky.  (anglicky)  // Plant Mol Biol: journal. - 2004. - září ( roč. 56 , č. 1 ). - str. 77-90 . — PMID 15604729 .
25. ↑ 1 2 Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras, Lawrence I. Grossman. Cytochrom c oxidáza: Vývoj kontroly přidáním jaderné podjednotky. (anglicky)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetika: časopis. - Duben 2012. - Sv. 1817 , č.p. 4 . - str. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 .
26. ↑ Arnold S., Goglia F., Kadenbach B. 3,5-Diodothyronin se váže na podjednotku Va cytochrom-c oxidázy a ruší alosterickou inhibici dýchání pomocí ATP. (anglicky)  // Eur J Biochem. : deník. - 1998. - Sv. 252 , č.p. 2 . - str. 325-330 . - doi : 10.1046/j.1432-1327.1998.2520325.x . — PMID 9523704 .
27. ↑ KM Kocha, K. Reilly, DSM Porplycia, J. McDonald, T. Snider, CD Moyes. Evoluce kyslíkové citlivosti podjednotky cytochrom c oxidázy 4  // American Physiological  Society : deník. - únor 2015. - Sv. 308 , č.p. 4 . - doi : 10.1152/ajpregu.00281.2014 .
28. ↑ 1 2 Tsukihara T., Aoyama H., Yamashita E., Tomizaki T., Yamaguchi H., Shinzawa-Itoh K., Nakashima R., Yaono R., Yoshikawa S. Struktury kovových míst oxidovaného bovinního srdečního cytochromu c oxidase at 2,8 A  (anglicky)  // Science : journal. - 1995. - Srpen ( roč. 269 , č. 5227 ). - S. 1069-1074 . - doi : 10.1126/science.7652554 . — PMID 7652554 .
29. ↑ Ermakov, 2005 , s. 245.
30. ↑ 1 2 3 4 Alexander A. Konstantinov. Cytochrom c oxidáza: Meziprodukty katalytického cyklu a jejich energeticky vázaná interkonverze  // písmena  FEBS : deník. - Březen 2012. - Sv. 586 , č.p. 5 . - S. 630-639 . - doi : 10.1016/j.febslet.2011.08.037 .
31. ↑ 1 2 Ilja Belevič a Michael Verkhovsky. Domácí stránka skupiny molekulární biofyziky  . Staženo: 20. února 2016.
32. ↑ Vivek Sharmaa, Giray Enkavia, Ilpo Vattulainena, Tomasz Róga a Mårten Wikströmc. Protonově spojený přenos elektronů a role molekul vody v čerpání protonů cytochrom c oxidázou  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - Leden 2015. - Sv. 112 , č. 7 . - str. 2040-2045 . - doi : 10.1073/pnas.1409543112 .
33. ↑ 1 2 Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Regis Pomès. Elektrostatické řízení čerpání protonů v cytochrom c oxidase  (anglicky)  // BBA : journal. - Březen 2008. - Sv. 1777 , č.p. 3 . - str. 277-284 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2007.11.010 .
34. ↑ Ileana C. Sotoa, Flavia Fontanesib, Jingjing Liua, Antoni Barrientos. Biogeneze a sestavení eukaryotického cytochromu s oxidázovým katalytickým jádrem  (anglicky)  // Biochimica et Biophysica Acta : deník. - Červen 2012. - Sv. 1817 , č.p. 6 . - str. 883-897 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.005 .
35. ↑ 1 2 3 4 Filipa L. Sousaa, Renato J. Alvesb, Miguel A. Ribeiroa, José B. Pereira-Lealb, Miguel Teixeiraa, Manuela M. Pereiraa. Nadrodina hem-měďnatých kyslíkových reduktáz: Typy a evoluční úvahy  (anglicky)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetika: časopis. - Duben 2012. - Sv. 1817 , č.p. 4 . - S. 629-637 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.020 .
36. ↑ 1 2 3 4 5 Konopí J., Gennis RB. Rozmanitost nadrodiny hemu a mědi v archaea: poznatky z genomiky a strukturálního modelování. (eng.)  // Results Probl Cell Differ. : deník. - 2008. - Sv. 45 . - str. 1-31 . - doi : 10.1007/400_2007_046. . — PMID 18183358 .
37. ↑ Shinya Yoshikawa a Atsuhiro Shimada. Reaction Mechanism of Cytochrome with Oxidase  (anglicky)  // Chem. Rev. : deník. - 2015. - Sv. 115 , č. 4 . - S. 1936-1989 . - doi : 10.1021/cr500266a .
38. ↑ Sergey A. Siletsky, Ilja Belevich, Audrius Jasaitis, Alexander A. Konstantinov, Mårten Wikström. Časově rozlišený jednorázový obrat oxidázy ba3 z Thermus thermophilus  (anglicky)  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika. — 2007-12. — Sv. 1767 , iss. 12 . - S. 1383-1392 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2007.09.010 .
39. ↑ Sergej A. Siletskij, Ilja Belevič, Nikolaj P. Belevič, Tewfik Soulimane, Mårten Wikström. Časově rozlišená generace membránového potenciálu pomocí ba cytochrom c oxidázy z Thermus thermophilus spojená s injekcí jednoho elektronu do stavů O a OH   // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika . — 2017-11. — Sv. 1858 , iss. 11 . — S. 915–926 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2017.08.007 .
40. ↑ 1 2 Sadacharan SK, Singh B., Bowes T., Gupta RS Lokalizace mitochondriální DNA kódovaného cytochromu s oxidázovými podjednotkami I a II v granulích pankreatického zymogenu potkana a granulích růstového hormonu hypofýzy  (anglicky)  // Histochem. Buněčný biol. : deník. - 2005. - Sv. 124 , č. 5 . - str. 409-421 . - doi : 10.1007/s00418-005-0056-2 . — PMID 16133117 .
41. ↑ Gupta RS, Ramachandra NB, Bowes T., Singh B. Neobvyklá buněčná dispozice mitochondriálních molekulárních chaperonů Hsp60, Hsp70 a Hsp10  //  Novartis Found. Symp. : deník. - 2008. - Sv. 291 . - str. 59-68; diskuse 69-73, 137-40 . - doi : 10.1002/9780470754030.ch5 . — PMID 18575266 .
42. ↑ 1 2 Soltys BJ, Gupta RS Mitochondriální proteiny na neočekávaných buněčných místech: export proteinů z mitochondrií z evoluční perspektivy   // ​​Int . Rev. Cytol. : deník. - 2000. - Sv. 194 . - S. 133-196 . - doi : 10.1016/s0074-7696(08)62396-7 . — PMID 10494626 .
43. ↑ Soltys BJ, Gupta RS Mitochondriální matricové proteiny na neočekávaných místech: jsou exportovány? (anglicky)  // Trends Biochem. sci. : deník. - 1999. - Sv. 24 , č. 5 . - S. 174-177 . - doi : 10.1016/s0968-0004(99)01390-0 . — PMID 10322429 .
44. ↑ Alonso JR, Cardellach F., López S., Casademont J., Miró O. Oxid uhelnatý specificky inhibuje cytochrom c oxidázu lidského mitochondriálního respiračního řetězce   // Pharmacol . Toxicol. : deník. - 2003. - září ( roč. 93 , č. 3 ). - S. 142-146 . - doi : 10.1034/j.1600-0773.2003.930306.x . — PMID 12969439 .
45. ↑ Chris E. Cooper & Guy C. Brown. Inhibice mitochondriální cytochromoxidázy plyny oxid uhelnatý, oxid dusnatý, kyanovodík a sirovodík: chemický mechanismus a fyziologický význam  (anglicky)  // Bioenerg Biomembr : journal. - 2008. - Říjen ( vol. 40 ). - str. 533-539 . - doi : 10.1007/s10863-008-9166-6 .
46. ↑ Pecina P., Houstková H., Hansíková H., Zeman J., Houstek J. Genetické defekty cytochrom c oxidasového shromáždění  (neopr.)  // Physiol Res. - 2004. - T. 53 Suppl 1 . - S. S213-23 . — PMID 15119951 .
47. ↑ 1 2 Zee JM, Glerum DM Defekty v sestavování cytochromoxidázy u lidí: lekce z kvasinek   // Biochem . Buněčný biol. : deník. - 2006. - prosinec ( roč. 84 , č. 6 ). - S. 859-869 . - doi : 10.1139/o06-201 . — PMID 17215873 .
48. ↑ Wong-Riley MT Cytochromoxidáza: endogenní metabolický marker pro neuronální aktivitu. (anglicky)  // Trends Neurosci. : deník. - 1989. - Sv. 12 , č. 3 . - S. 94-111 . - doi : 10.1016/0166-2236(89)90165-3 . — PMID 2469224 .
49. ↑ Strazielle C., Hayzoun K., Derer M., Mariani J., Lalonde R. Regionální mozkové variace aktivity cytochrom oxidázy u myší mutantů Relnrl-orl. (anglicky)  // J. Neurosci. Res. : deník. - 2006. - Duben ( roč. 83 , č. 5 ). - S. 821-831 . - doi : 10.1002/jnr.20772 . — PMID 16511878 .
50. ↑ Strazielle C., Sturchler-Pierrat C., Staufenbiel M., Lalonde R. Aktivita regionální mozkové cytochromoxidázy u transgenních myší s prekurzorovým proteinem beta-amyloidů se švédskou mutací. (anglicky)  // Neuroscience : deník. - Elsevier , 2003. - Sv. 118 , č. 4 . - S. 1151-1163 . - doi : 10.1016/S0306-4522(03)00037-X . — PMID 12732258 .
51. ↑ Conejo NM, Gonzalez-Pardo H., Gonzalez-Lima F., Arias JL Prostorové učení vodního bludiště: progrese mozkových okruhů mapovaná histochemií cytochromoxidázy. (anglicky)  // Neurobiol. Učit se. Mem. : deník. - 2010. - Sv. 93 , č. 3 . - str. 362-371 . - doi : 10.1016/j.nlm.2009.12.002 . — PMID 19969098 .
52. ↑ Paul D.N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. Biologické identifikace pomocí čárových kódů DNA  (anglicky)  // Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences  : journal. - únor 2003. - sv. 270 , č.p. 1512 . - str. 313-321 . - doi : 10.1098/rspb.2002.2218 .
53. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 let od zavedení čárového kódování DNA: od teorie k aplikaci  //  Journal of Applied Genetics : journal. - únor 2014. - Sv. 55 , č. 1 . - str. 43-52 . — ISSN 2190-3883 . - doi : 10.1007/s13353-013-0180-y .

Literatura

• Fyziologie rostlin / Ed. I. P. Ermáková. - M . : Akademie, 2005. - 634 s.
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehningerovy Základy biochemie. Bioenergetika a metabolismus. = Leningerovy principy biochemie. — Binom. Vědomostní laboratoř, 2012. - V. 2. - S. 344. - 692 s. — (Nejlepší zahraniční učebnice). — ISBN 978-5-94774-365-4 .

Odkazy

• Instituto Gulbenkian de Ciência a Universidade Nova de Lisboa. Klasifikátor heme-měďných kyslíkových reduktáz (HCOs) (2009-2010). (neurčitý)
• UMich Orientace proteinů v membránových rodinách/nadrodině-4
• MeSH Cytochrom-c+oxidáza