CITOCHROMO C OKSIDAZĖ: STRUKTŪRA, FUNKCIJOS, INHIBITORIAI - BIOLOGIJA - 2025

Citochromo c oksidazės yra sudėtingas fermentinio veikimo baltymų, kurie gali kirsti lipidų dvisluoksnės iš ląstelių membranos. Jis tirpsta ir yra daugiausia susijęs su vidine mitochondrijų membrana, randamas tiek prokariotiniuose organizmuose (bakterijose), tiek eukariotuose (vienaląsčiuose ir daugialąsčiuose).

Šis fermentas, dar vadinamas IV kompleksu, yra gyvybiškai svarbus organizmo aerobinėse metabolinėse funkcijose, nes jis yra būtinas elektronų transportavimo grandinėje, kurioje ląstelė degina cukrų ir surenka dalį energijos, išsiskiriančios saugoti adenozino trifosfatą arba ATP.

Hemo rutulinis ir lazdelinis modelis, kurio molekulė randama galvijų širdyje esančioje citochromo c oksidazės kristalinėje struktūroje. Paimta ir redaguota iš: Benjah-bmm27.

Pavadinimas citochromas reiškia „ląsteliniai pigmentai“. Tai kraujo baltymai, nešantys elektronus. Citochromus 1884 m. Atrado airių gydytojas Charlesas Alexanderis MacMunnas. MacMunnas pradininkas atradė kvėpavimo pigmentą kraujyje, šiandien vadinamą citochromu 1.

1920-aisiais rusų entomologas ir parazitologas Davidas Keilinas iš naujo atrado ir apibūdino kvėpavimo takų pigmentus ir buvo tas, kuris juos pavadino citochromais. Nors MacMunnas juos atrado 1884 m., Mokslo bendruomenė jį pamiršo ir kai kurie net klaidingai interpretavo jo darbus.

Bendrosios savybės

Paprastai kvėpavimo pigmentai turi būdingus matomos šviesos spektrus. Yra žinoma, kad yra bent keturi integruoti membraninių baltymų kompleksai, kuriuose yra 5 skirtingų tipų citochromai: a, a3, b, c1 ir c, klasifikuojami pagal spektrinės absorbcijos maksimumų bangos ilgį.

Paprastai jie randami ant vidinės mitochondrijų membranos. Tačiau jų taip pat pastebėta endoplazminiame retikulume ir chloroplastuose, eukariotiniuose ir prokariotiniuose organizmuose.

Jie pristato hemo protezų grupę, kurioje yra geležies (Fe). Kiekvienas žinomas citochromas veikia multienzimų kompleksuose, pernešdamas elektronus kvėpavimo procese ar grandinėje.

Citochromai turi funkciją dalyvauti oksidacijos-redukcijos reakcijose. Redukcijos reakcijos, kai jie priima elektronus, kiekvienam citochromo tipui vyksta skirtingai, o jų vertė nustatoma pagal elektronų srautą kvėpavimo grandinėje.

-Citochromas c

Yra žinomos keturios citochromo c klasės, kurios yra šios.

I klasė

Šioje klasėje yra tirpūs mažai besisukantys citochromai c (žemas smeigė), esantys bakterijose ir mitochondrijose. Jie yra aštuonkampiai. Hemo surišimo vieta yra histidino N gale, o šeštąjį ligandą C-gale teikia metionino liekana.

Iš šios klasės netgi galima atpažinti keletą poklasių, kurių trimatė struktūra buvo nustatyta.

II klasė

Šiai klasei būdingas didelis citochromo sukasi nugara ir kai kurie žemo sukimosi citochromai. Tie, kuriems yra didelis posūkis, rišimo vieta yra arti C-galo, o turintiems žemą posūkį šeštasis ligandas atrodo kaip metionino liekana šalia N-galo. Jie yra penkiakoordinuoti su penktuoju ligando histidinu.

III klasė

Šiai klasei būdingi citochromai c, turintys daugialypį hemą (c3 ir c7) ir mažai oksidaciją mažinantį potencialą, turintys tik 30 aminorūgščių liekanų vienoje hemo grupėje. Šios klasės atstovų grupėse heme c grupės struktūros ir funkcijos yra nelygiavertės, be to, jos turi skirtingus redokso potencialus. Jie yra aštuonkampiai.

IV klasė

Kai kurių autorių teigimu, ši klasė buvo sukurta tik norint apimti sudėtinius baltymus, kuriuos turi kitos protezavimo grupės, taip pat heme c arba flavocitochromą c, be kitų.

Citochromo c oksidazė arba kompleksas IV

Citochromo c oksidazė yra mitochondrijų fermentas, atliekantis galutinę elektronų pernešimo ląstelėje kvėpavimo fazę. Šis fermentas katalizuoja elektronų pernešimą iš redukuoto citochromo c į deguonį.

Kai kurie cheminiai junginiai, tokie kaip cianidas, anglies dioksidas ir azidas, gali slopinti šio fermento veikimą, sukeldami vadinamąją ląstelių cheminę asfiksiją. Kitos IV komplekso slopinimo formos yra genetinės mutacijos.

Evoliucijos požiūriu citochromo c oksidazė randama tik aerobiniuose organizmuose, o kelios mokslininkų grupės teigia, kad šio baltymo buvimas rodo evoliucijos ryšius, kai augalai, grybeliai, taip pat ir gyvūnai turėjo bendrą protėvį.

Struktūra

Citochromo c oksidazė sudaro homodimerinį kompleksą, tai yra, sudarytą iš dviejų panašių monomerų, esančių vidinėje mitochondrijų membranoje. Fermentų kompleksą sudaro 3 - 4 subvienetai prokariotiniuose organizmuose ir ne daugiau kaip 13 (kai kurie rodo 14) polipeptidų organizmuose, tokiuose kaip žinduoliai.

Šiuose organizmuose 3 polipeptidai yra mitochondrinės kilmės, o likusieji - branduolyje. Kiekvienas monomeras turi 28 transmembraninius sraigtus, kurie atskiria hidrofilinius domenus nuo membranos matricos ir tarpląstelinės erdvės.

Jis turi vieną katalizinį vienetą, kuris randamas visuose fermentuose, katalizuojančiuose oksidacijos / redukcijos reakcijas, naudojant molekulinį deguonį (oksidazes, ypač hemo-varį). Komplekse yra citochromai a ir a3, sujungti I subvienetu ir dviem vario centrais.

Jis turi vieną ar daugiau heme c grupių, sujungtų su aplinkine baltymo struktūra viena ar keliomis (paprastai dviem) tioeterio jungtimis. Kiti autoriai teigia, kad tarp porfirino žiedo ir dviejų cisteino liekanų yra viena hemo C grupė, kovalentiškai sujungta su baltymu.

Vienintelė aukščiau paminėta heme c grupė yra apsupta hidrofobinių liekanų ir yra heksakordinuota, histidinas yra polipeptido grandinės 18 padėtyje, o metioninas - 80 padėtyje.

Citochromo c oksidazės subvienetas F. Paimta ir redagavo: Jawahar Swaminathan ir MSD darbuotojai Europos bioinformatikos institute

funkcijos

Citochromo c oksidazės yra trijų pagrindinių fiziologinių mechanizmų veikėjai, kuriuos pamatysime toliau.

Apoptozė arba užprogramuota ląstelių mirtis

Apoptozė yra užprogramuotas ląstelių sunaikinimas ar mirtis, kurį sukelia pats organizmas ir kurio tikslas yra kontroliuoti augimą, vystymąsi, pažeistų audinių pašalinimą ir imuninės sistemos reguliavimą. Šiame fiziologiniame procese citochromo c oksidazė dalyvauja kaip tarpinė medžiaga.

Šis baltymas, kurį išskiria mitochondrijos, sukelia sąveiką su endoplazminiu retikulumi, dėl kurio išsiskiria arba išsiskiria kalcis. Palaipsnis kalcio padidėjimas lemia didžiulį citochromo c oksidazės išsiskyrimą, kol pasiekiamas citotoksinis kalcio lygis.

Citotoksinis kalcio kiekis ir citochromų išsiskyrimas sukelia tam tikrus kaspazės fermentus, kurie yra atsakingi už ląstelių sunaikinimą.

Ląstelių ar audinių regeneracija

Keli tyrimai rodo, kad kai citochromo c oksidazė yra veikiama 670 nanometrų bangos ilgio, ji dalyvauja funkciniame komplekse, kuris prasiskverbia į pažeistą ar sužeistą audinį ir padidina ląstelių regeneracijos greitį.

Energijos apykaita

Tai turbūt labiausiai žinoma ir pati tinkamiausia citochromo c oksidazės funkcija. Būtent oksidazės kompleksas (iš kvėpavimo takų grandinės) yra atsakingas už elektronų surinkimą iš citochromo c ir jų pernešimą į deguonies molekulę, redukuojant į dvi vandens molekules.

Prijungtas prie šio proceso, pro membraną įvyksta protono translokacija, todėl susidaro elektrocheminis gradientas, kurį ATP sintetazės kompleksas naudoja ATP (adenozino trifosfato) gamybai ar sintezei.

Inhibitoriai

Citochromo c oksidazę slopina įvairūs cheminiai junginiai ir procesai. Tai gali atsirasti kaip natūralus būdas reguliuoti fermento gamybą ar veikimą, arba jis gali atsitikti dėl apsinuodijimo.

Esant azidui, cianidui ar anglies monoksidui, citochromo c oksidazė prie jų jungiasi ir baltymų komplekso veikla yra slopinama. Tai sutrikdo ląstelių kvėpavimo procesą ir taip sukelia cheminį ląstelių uždusimą.

Kiti junginiai, tokie kaip azoto oksidas, vandenilio sulfidas, metanolis ir kai kurie metilinti alkoholiai, taip pat sukelia citochromo c oksidazės slopinimą.

Trūkumas

Citochromo c oksidazė yra fermentas, kurį kontroliuoja genai tiek branduolyje, tiek mitochondrijose. Yra genetinių pakitimų ar mutacijų, kurios gali sukelti citochromo c oksidazės trūkumą.

Šios mutacijos sutrikdo fermento funkcionalumą, nes jos keičia jo fermentinę struktūrą, sukeldamos metabolinius sutrikimus embriono vystymosi metu (remiantis žmonių tyrimais), kurie vėliau paveiks organizmą pirmaisiais jo gyvenimo metais.

Citochromo c oksidazės trūkumas veikia audinius, kuriems reikalingas didelis energijos kiekis, pavyzdžiui, širdį, kepenis, smegenis ir raumenis. Šių mutacijų simptomai atsispindi prieš dvejus gyvenimo metus ir gali pasireikšti kaip stiprios ar lengvos būklės.

Lengvus simptomus galima pastebėti net netrukus po pirmųjų metų, o su jais sergantiems žmonėms paprastai būna tik sumažėjusi raumenų įtampa (hipotonija) ir raumenų atrofija (miopatija).

Kita vertus, asmenims, kurių simptomai stipresni, gali būti raumenų atrofija ir encefalomiopatija. Kitos sąlygos, kurias sukelia citochromo c oksidazės nebuvimas, yra hipertrofinė kardiomiopatija, patologinis kepenų padidėjimas, Leigh sindromas ir pieno rūgšties acidozė.

Panaudojimas filogenijoje

Filogenija yra mokslas, atsakingas už organizmų kilmės, susidarymo ir evoliucinio vystymosi tyrimus protėvių ir palikuonių požiūriu. Pastaraisiais dešimtmečiais filogenijos tyrimai su molekuline analize buvo vis dažnesni, gavę daug informacijos ir išsprendę taksonomines problemas.

Šia prasme kai kurie filogenetiniai tyrimai rodo, kad citochromo c oksidazių naudojimas gali padėti užmegzti evoliucijos ryšius. Taip yra todėl, kad šis baltymų kompleksas yra labai konservuotas ir yra daugelyje organizmų, pradedant vienaląsčiais protistais ir baigiant dideliais stuburiniais.

To pavyzdžiai yra bandymai, atlikti su žmonėmis, šimpanzėmis (Pan paniscus) ir Rhesus makakais (Macaca mulatta). Tokie tyrimai atskleidė, kad žmogaus ir šimpanzės citochromo c oksidazės molekulės buvo tapačios.

Tai taip pat parodė, kad Rheuso makakos citochromo c oksidazės molekulės skyrėsi viena aminorūgštimi nuo pirmųjų dviejų, todėl dar kartą patvirtino protėvių ir palikuonių ryšius tarp šimpanzių ir žmonių.

Nuorodos

1. RP Ambler (1991). Bakterijų citochromų sekos kintamumas c. „Biochimica et Biophysica Acta“ (BBA) - bioenergetikai.
2. Citochromas c. Atkurta iš newworldencyclopedia.org.
3. V. Colmanas, E. Costa, R. Chavesas, V. Tórtora (2015). Biologiniai citochromo c vaidmenys: mitochondrijų elektronų pernešimas, užprogramuota ląstelių žūtis ir peroksido aktyvumo padidėjimas. Medicinos fakulteto metraščiai.
4. Citochromo c oksidazės subvienetas I. Atkurta iš ebi.ac.uk.
5. L. Youfenas, P. Jeong-Soonas, D. Jian-Hong ir B. Yidongas (2007). Citochromo c oksidazės IV subvienetas yra būtinas fermentų komplekso montažui ir kvėpavimo funkcijai. Bioenergetikos ir biomembranų žurnalas.
6. Genų grupė: Mitochondrijų kompleksas IV: citochromo c oksidazės subvienetai (COX, MT-CO). Atkurta iš genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Citochromo atradimas. Biocheminis išsilavinimas.
8. Citochromo c oksidazė, trūkumas…. Atgauta iš ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde ir KG Ahern (2002). Biochemestrija. 3 leidimas. „Benjamin“ / „Cummings Publishing Company, Inc.“