CYTOKROM C-OXIDAS: STRUKTUR, FUNKTIONER, HÄMMARE - BIOLOGI - 2025

Den cytokrom c oxidas är ett komplex av enzymatiska proteiner som kan passera lipiddubbelskiktet i cellmembranet. Det är hemosolubble och är främst förknippat med mitokondriens inre membran, och finns både i prokaryotiska organismer (bakterier) och i eukaryoter (unicellulära och multicellulära).

Också kallad komplex IV är detta enzym viktigt i de aeroba metaboliska funktionerna hos organismer, eftersom det är viktigt i elektrontransportkedjan där cellen bränner sockerarter och fångar upp en del av den energi som frigörs för att lagra adenosintrifosfat eller ATP.

Ball-and-stick-modell av heme, av en molekyl som finns i den kristallina strukturen hos cytokrom c-oxidas i bovinhjärtat. Hämtad och redigerad från: Benjah-bmm27.

Namnet cytokrom betyder "cellpigment." Dessa är blodproteiner som bär elektroner. Cytokromer upptäcktes av den irländska läkaren Charles Alexander MacMunn 1884. MacMunn var banbrytande i upptäckten av luftvägarna i blodet, idag kallat cytokrom 1.

Under 1920-talet återupptäckte och kännetecknade den ryska entomologen och parasitologen David Keilin andningspigment och var den som kallade dem cytokromer. Trots att MacMunn hade upptäckt dem 1884, hade den vetenskapliga gemenskapen glömt honom och vissa hade till och med misstolkat hans arbete.

Generella egenskaper

I allmänhet har andningspigment karakteristiska synliga ljusspektra. Det är känt att det finns åtminstone fyra integrerade membranproteinkomplex där det finns 5 olika typer av cytokromer: a, a3, b, c1 och c, klassificerade enligt våglängderna för spektralabsorptionsmaxima.

De finns vanligtvis på mitokondriens inre membran. De har emellertid också observerats i endoplasmatisk retikulum och kloroplaster, i eukaryota och prokaryota organismer.

De presenterar den hemprotetiska gruppen som innehåller järn (Fe). Var och en av de kända cytokromerna verkar i multienzymkomplex vid transport av elektroner i respirationsprocessen eller kedjan.

Cytokromer har funktionen att delta i oxidationsreduktionsreaktioner. Reduktionsreaktioner, där de accepterar elektron, uppstår på olika sätt för varje typ av cytokrom, och deras värde bestäms av flödet av elektroner i andningskedjan.

-Cytokrom c

Fyra klasser av cytokrom c är kända, vilka är som följer.

Klass I

Inom denna klass finns de lösliga lågspinncytokromerna c (lågspinn), närvarande i bakterier och mitokondrier. De är oktaedralen. Det heme-bindande stället är vid N-terminalen av histidin och den sjätte liganden tillförs av en metioninrest vid C-terminalen.

I denna klass kan flera underklasser till och med erkännas, vars tredimensionella struktur har bestämts.

Klass II

Högspinncytokrom c och vissa lågspinncytokromer finns i denna klass. De med hög sväng har bindningsstället nära C-terminalen, och i de med låg svängning verkar den sjätte liganden vara en metioninrest nära N-änden (N-terminalen på engelska). De koordineras med femte ligandhistidin.

Klass III

Denna klass kännetecknas av att presentera cytokromer c med multipel heme (c3 och c7) och en låg oxidationsreducerande potential, med endast 30 aminosyrarester per hemgrupp. I representanter för denna klass har heme c-grupper icke-ekvivalent struktur och funktioner, förutom att de presenterar olika redoxpotentialer. De är oktaedralen.

Klass IV

Enligt vissa författare skapades denna klass endast för att inkludera komplexa proteiner som andra protesgrupper finns, liksom heme c, eller flavocytokrom c, bland andra.

Cytokrom c-oxidas eller komplex IV

Cytokrom c-oxidas är ett mitokondriellt enzym som utför den sista fasen av elektrontransport i cellulär andning. Detta enzym katalyserar transporten av elektroner från reducerad cytokrom c till syre.

Vissa kemiska föreningar som cyanid, koldioxid och azid kan hämma funktionen av detta enzym, vilket kan orsaka den så kallade cellulära kemiska asfyxin. Andra former av hämning av komplex IV är genetiska mutationer.

Ur evolutionär synvinkel finns cytokrom c-oxidas endast i aeroba organismer, och flera forskare grupper tyder på att närvaron av detta protein indikerar evolutionsförhållanden där växter, svampar och djur delade en gemensam förfader.

Strukturera

Cytokrom c-oxidas bildar ett homodimert komplex, det vill säga sammansatt av två liknande monomerer i mitokondriens inre membran. Enzymkomplexet består av 3 till 4 subenheter i prokaryota organismer och upp till maximalt 13 (vissa antyder 14) polypeptider i organismer såsom däggdjur.

I dessa organismer är 3 polypeptider av mitokondrialt ursprung och resten har sitt ursprung i kärnan. Varje monomer har 28 transmembrane helices som separerar hydrofila domäner mot membranmatrisen och intermembranutrymmet.

Den har en enda katalytisk enhet, som finns i alla enzymer som katalyserar oxidations- / reduktionsreaktioner med hjälp av molekylärt syre (oxidaser, särskilt heme-koppar). Komplexet innehåller cytokromer a och a3 kopplade till underenhet I och två kopparcentra.

Den har en eller flera heme c-grupper kopplade till den omgivande proteinstrukturen genom en eller flera (vanligtvis två) tioeterbindningar. Andra författare antyder att det finns en enda heme-C-grupp som är kovalent kopplad till proteinet mellan porfyrinringen och två cysteinrester.

Den enda h-c-gruppen som nämnts ovan är omgiven av hydrofoba rester och är hexakoordinerad med histidin i position 18 i polypeptidkedjan och metionin i position 80.

Cytokrom c oxidas subenhet F. Taget och redigerat från: Jawahar Swaminathan och MSD-personalen vid European Institute of Bioinformatics

Funktioner

Cytokrom c-oxidaser är protagonister i tre huvudsakliga fysiologiska mekanismer, som vi kommer att se nedan.

Apoptos eller programmerad celldöd

Apoptos är programmerad cellförstörelse eller död, orsakad av själva organismen och vars syfte är att kontrollera tillväxt, utveckling, eliminering av skadade vävnader och regleringen av immunsystemet. I denna fysiologiska process deltar cytokrom c-oxidas som mellanprodukt.

Detta protein, frisatt av mitokondrierna, leder till en interaktion med endoplasmatisk retikulum, vilket orsakar utsöndring eller frisättning av kalcium. Den gradvisa ökningen av kalcium utlöser en massiv frisättning av cytokrom c-oxidas tills cytotoxiska nivåer av kalcium uppnås.

Cytotoxiska kalciumnivåer och frisättningen av cytokromer c orsakar kaskadaktivering av flera kaspasenzymer, som är ansvariga för förstörelsen av celler.

Cell- eller vävnadsregenerering

Flera studier indikerar att när cytokrom c-oxidas utsätts för våglängder på 670 nanometer, deltar det i ett funktionellt komplex, som tränger igenom skadad eller skadad vävnad och ökar frekvensen av cellregenerering.

Energi metabolism

Detta är kanske den mest kända och den mest relevanta funktionen av cytokrom c-oxidas. Det är just oxidaskomplexet (i andningskedjan) som ansvarar för att samla upp elektronerna från cytokrom c och överföra dem till syremolekylen, reducera den till två vattenmolekyler.

I anslutning till denna process sker en protontranslokation genom membranet, vilket resulterar i generering av en elektrokemisk gradient som ATP-syntetaskomplexet använder för att producera eller syntetisera ATP (adenosintrifosfat).

hämmare

Cytokrom c-oxidas hämmas av olika kemiska föreningar och processer. Hur det inträffar kan uppstå som ett naturligt sätt att reglera produktionen eller verkan av enzymet eller det kan inträffa av misstag på grund av förgiftning.

I närvaro av azid, cyanid eller kolmonoxid binder cytokrom c-oxidas till dessa och proteinkomplexets funktion hämmas. Detta orsakar en störning i den cellulära andningsprocessen och orsakar således den kemiska kvävningen av cellerna.

Andra föreningar såsom kväveoxid, vätesulfid, metanol och vissa metylerade alkoholer orsakar också hämning av cytokrom c-oxidas.

Brist

Cytokrom c-oxidas är ett enzym som kontrolleras av gener i både kärnan och mitokondrierna. Det finns genetiska förändringar eller mutationer som kan leda till brist på cytokrom c-oxidas.

Dessa mutationer stör funktionen hos enzymet, eftersom de förändrar dess enzymatiska struktur, vilket medför metaboliska störningar under embryonal utveckling (enligt mänskliga studier), vilket senare kommer att påverka organismen under de första levnadsåren.

Cytokrom c-oxidasbrist påverkar vävnader med hög energibehov, såsom hjärta, lever, hjärna och muskler. Symtomen på dessa mutationer återspeglas före de två levnadsåren och kan manifestera sig som starka eller milda förhållanden.

Milda symtom kan ses även strax efter det första ålder, och individer med dem har vanligtvis bara minskad muskelspänning (hypotoni) och muskelatrofi (myopati).

Å andra sidan kan individer med starkare symtom ha muskelatrofi och encefalomyopati. Andra tillstånd orsakade av frånvaro av cytokrom c-oxidas är hypertrofisk kardiomyopati, patologisk utvidgning av levern, Leigh-syndrom och mjölksyraos.

Användningar i fylogeni

Filogeni är den vetenskap som är ansvarig för studier av ursprung, bildning och evolutionär utveckling från förfäder-ättlingens synvinkel, av organismer. Under de senaste decennierna har fylogenstudier med molekylanalyser varit mer och mer frekventa, vilket gav mycket information och löste taxonomiska problem.

I detta avseende indikerar vissa fylogenetiska studier att användningen av cytokrom c-oxidaser kan bidra till att upprätta evolutionära förhållanden. Detta beror på att detta proteinkomplex är starkt konserverat och finns i en mängd olika organismer, allt från unicellulära protister till stora ryggradsdjur.

Exempel på detta är tester som utfördes med människor, schimpanser (Pan paniscus) och Rhesus macaques (Macaca mulatta). Sådana test avslöjade att de mänskliga och schimpanscytokromcoxidasmolekylerna var identiska.

Det visade också att cytokrom c-oxidasmolekylerna i Rhesus-makaken skilde sig åt med en aminosyra från de från de två första, och bekräftade således förhållanden mellan förfäder och ättlingar mellan schimpanser och människor.

referenser

1. RP Ambler (1991). Sekvensvariabilitet i bakteriecytokromer c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics.
2. Cytokrom c. Återställs från newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Biologiska roller för cytokrom c: mitokondriell elektrontransport, programmerad celldöd och vinst i peroxidaktivitet. Annaler från medicinska fakulteten.
4. Cytokrom c-oxidas-underenhet I. Återställdes från ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Cytokrom c Oxidas subenhet IV är avgörande för montering och andningsfunktion hos enzymkomplexet. Journal of Bioenergetics and Biomembranes.
6. Gengrupp: Mitokondrialt komplex IV: cytokrom c-oxidasunderenheter (COX, MT-CO). Återställs från genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Upptäckten av cytokrom. Biokemisk utbildning.
8. Cytokrom c oxidas, brist på … Återställs från ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biochemestry. 3: e upplagan. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.