Cytokrom c oxidas - Cytochrome c oxidase

Cytokrom c oxidas
Cytokrom C Oxidas 1OCC i membran 2.png
Kristallstrukturen för nötkreaturcytokrom c -oxidas i ett fosfolipid tvåskikt. Mellanmembranutrymmet ligger högst upp på bilden. Anpassad från PDB : 1OCC (Det är en homodimer i denna struktur)
Identifierare
EG -nr. 1.9.3.1
CAS -nr. 9001-16-5
Databaser
IntEnz IntEnz -vy
BRENDA BRENDA -inträde
ExPASy NiceZyme -vy
KEGG KEGG -post
MetaCyc Metabolisk väg
PRIAM profil
PDB -strukturer RCSB PDB PDBe PDBsum
Genontologi AmiGO / QuickGO
Cytokrom c oxidas
Cmplx4.PNG
Subenheten I och II Complex IV exklusive alla andra subenheter, PDB : 2EIK
Identifierare
Symbol Cytokrom c oxidas
OPM superfamilj 4
OPM -protein 2dyr
Membranome 257

Den Enzymet cytokrom c oxidas eller komplex IV , EC 1.9.3.1 , är ett stort transmembranprotein -komplex hittas i bakterier , arkéer , och mitokondrier av eukaryoter .

Det är det sista enzymet i andningselektrontransportkedjan av celler belägna i membranet. Den tar emot en elektron från var och en av fyra cytokrom c -molekyler och överför dem till en dioximolekyl och omvandlar det molekylära syret till två molekyler vatten. I denna process binder den fyra protoner från den inre vattenfasen för att skapa två vattenmolekyler och translokerar ytterligare fyra protoner över membranet, vilket ökar transmembranskillnaden mellan protonelektrokemisk potential som ATP -syntaset sedan använder för att syntetisera ATP .

Strukturera

Komplexet

Komplexet är ett stort integrerat membranprotein som består av flera metallproteser och 14 proteinunderenheter hos däggdjur. Hos däggdjur är elva subenheter kärnkraftiga och tre syntetiseras i mitokondrier. Komplexet innehåller två hemes , ett cytokrom a och cytokrom a 3 , och två kopparcentra , Cu A och Cu B centra. Faktum är att cytokrom a 3 och Cu B bildar ett binukleärt centrum som är platsen för syrereduktion. Cytokrom c , som reduceras med den föregående komponenten i andningskedjan (cytokrom bc1 -komplex, komplex III), lägger till nära Cu A binukleära centrum och passerar en elektron till den och oxideras tillbaka till cytokrom c som innehåller Fe 3+ . Det reducerade Cu A binukleära centret överför nu en elektron till cytokrom a, som i sin tur leder en elektron vidare till cytokrom a 3 -Cu B binukleär centrum. De två metalljonerna i detta binukleära centrum är 4,5 Å från varandra och koordinerar en hydroxidjon i det fullständigt oxiderade tillståndet.

Kristallografiska studier av cytokrom c-oxidas visar en ovanlig posttranslationell modifiering, som länkar C6 från Tyr (244) och ε-N för His (240) (nummerering av bovint enzym). Det spelar en viktig roll för att göra det möjligt för cytokrom a 3 - Cu B binukleärt centrum att acceptera fyra elektroner för att reducera molekylärt syre till vatten . Reduktionsmekanismen trodde tidigare innefatta en peroxidmellanprodukt , som man trodde skulle leda till superoxidproduktion . Den för närvarande accepterade mekanismen innebär emellertid en snabb fyra-elektronreduktion som involverar omedelbar klyvning av syre-syrebindning, vilket undviker någon mellanprodukt som sannolikt kommer att bilda superoxid.

De bevarade underenheterna

Tabell över bevarade subenheter av cytokrom c -oxidaskomplex
Nej. Underenhetens namn Mänskligt protein Proteinbeskrivning från UniProt Pfam -familj med humant protein
1 Cox1 COX1_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 1 Pfam PF00115
2 Cox2 COX2_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 2 Pfam PF02790 , Pfam PF00116
3 Cox3 COX3_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 3 Pfam PF00510
4 Cox4i1 COX41_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 4 isoform 1, mitokondriell Pfam PF02936
5 Cox4a2 COX42_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 4 isoform 2, mitokondriell Pfam PF02936
6 Cox5a COX5A_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 5A, mitokondriell Pfam PF02284
7 Cox5b COX5B_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 5B, mitokondriell Pfam PF01215
8 Cox6a1 CX6A1_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 6A1, mitokondriell Pfam PF02046
9 Cox6a2 CX6A2_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 6A2, mitokondriell Pfam PF02046
10 Cox6b1 CX6B1_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 6B1 Pfam PF02297
11 Cox6b2 CX6B2_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 6B2 Pfam PF02297
12 Cox6c COX6C_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 6C Pfam PF02937
13 Cox7a1 CX7A1_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 7A1, mitokondriell Pfam PF02238
14 Cox7a2 CX7A2_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 7A2, mitokondriell Pfam PF02238
15 Cox7a3 COX7S_HUMAN Förmodat cytokrom c oxidas subenhet 7A3, mitokondriell Pfam PF02238
16 Cox7b COX7B_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 7B, mitokondriell Pfam PF05392
17 Cox7c COX7C_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 7C, mitokondriell Pfam PF02935
18 Cox7r COX7R_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 7A-relaterat protein, mitokondriellt Pfam PF02238
19 Cox8a COX8A_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 8A, mitokondriell P Pfam PF02285
20 Cox8c COX8C_HUMAN Cytokrom c oxidas subenhet 8C, mitokondriell Pfam PF02285
Monteringsenheter
1 Coa1 COA1_HUMAN Cytokrom c oxidas montering faktor 1 homolog Pfam PF08695
2 Coa3 COA3_HUMAN Cytokrom c oxidas monteringsfaktor 3 homolog, mitokondriell Pfam PF09813
3 Coa4 COA4_HUMAN Cytokrom c oxidas monteringsfaktor 4 homolog, mitokondriell Pfam PF06747
4 Coa5 COA5_HUMAN Cytokrom c oxidas monteringsfaktor 5 Pfam PF10203
5 Coa6 COA6_HUMAN Cytokrom c oxidas montering faktor 6 homolog Pfam PF02297
6 Coa7 COA7_HUMAN Cytokrom c oxidas monteringsfaktor 7, Pfam PF08238
7 Cox11 COX11_HUMAN Cytokrom c -oxidasmonteringsprotein COX11 mitokondriellt Pfam PF04442
8 Cox14 COX14_HUMAN Cytokrom c oxidas församlingsprotein Pfam PF14880
9 Cox15 COX15_HUMAN Cytokrom c oxidas montering protein COX15 homolog Pfam PF02628
10 Cox16 COX16_HUMAN Cytokrom c oxidas församlingsprotein COX16 homolog mitokondriellt Pfam PF14138
11 Cox17 COX17_HUMAN Cytokrom c oxidas kopparchaperon Pfam PF05051
12 Cox18 COX18_HUMAN Mitokondriellt inre membranprotein (Cytokrom c -oxidasmonteringsprotein 18) Pfam PF02096
13 Cox19 COX19_HUMAN Cytokrom c oxidas församlingsprotein Pfam PF06747
14 Cox20 COX20_HUMAN Cytokrom c -oxidasprotein 20 homolog Pfam PF12597

hopsättning

COX -montering i jäst är en komplex process som inte helt förstås på grund av den snabba och irreversibla aggregeringen av hydrofoba subenheter som bildar holoenzymkomplexet, liksom aggregering av mutanta subenheter med exponerade hydrofoba fläckar. COX -subenheter kodas i både kärnkrafts- och mitokondriella genomer. De tre subenheterna som bildar COX -katalytiska kärnan är kodade i mitokondriellt genom.

Hemes och kofaktorer infogas i underenheterna I & II. De två hemmolekylerna finns i underenhet I och hjälper till med transport till underenhet II där två kopparmolekyler hjälper till med fortsatt överföring av elektroner. Delenheterna I och IV initierar montering. Olika subenheter kan associera till att bilda subkomplexa mellanprodukter som senare binder till andra subenheter för att bilda COX-komplexet. Vid ändringar efter montering kommer COX att bilda en homodimer. Detta krävs för aktivitet. Båda dimererna är anslutna med en kardiolipinmolekyl , som har visat sig spela en nyckelroll i stabiliseringen av holoenzymkomplexet. Dissocieringen av subenheterna VIIa och III i samband med avlägsnande av kardiolipin resulterar i total förlust av enzymaktivitet. Det är känt att subenheter som är kodade i kärngenomet spelar en roll för enzymdimerisering och stabilitet. Mutationer till dessa underenheter eliminerar COX -funktionen.

Montering är känd för att ske i minst tre distinkta hastighetsbestämande steg. Produkterna från dessa steg har hittats, även om specifika subenhetskompositioner inte har bestämts.

Syntes och montering av COX -subenheterna I, II och III underlättas av translationella aktivatorer, som interagerar med de 5 'otranslaterade regionerna i mitokondriella mRNA -transkript. Translationsaktivatorer är kodade i kärnan. De kan fungera genom antingen direkt eller indirekt interaktion med andra komponenter i översättningsmaskiner, men exakta molekylära mekanismer är oklara på grund av svårigheter i samband med syntetisering av översättningsmaskiner in vitro. Även om interaktionerna mellan subenheterna I, II och III som är kodade i mitokondriellt genom ger ett mindre bidrag till enzymstabilitet än interaktioner mellan bigenomiska subenheter, är dessa subenheter mer bevarade, vilket indikerar potentiella outforskade roller för enzymaktivitet.

Biokemi

Sammanfattande reaktion:

4 Fe 2+ -cytokrom c + 4 H + in + O 2 → 4 Fe 3+ -cytokrom c + 2 H 2 O + 4 H + ut

Två elektroner passerar från två cytokrom c, genom Cu A och cytokrom a -ställen till cytokrom a 3 - Cu B binukleärt centrum, vilket reducerar metaller till Fe 2+ -formen och Cu + . Hydroxiden liganden är protonerad och förloras som vatten, vilket skapar ett tomrum mellan de metaller som är fyllda med O 2 . Syret reduceras snabbt, med två elektroner som kommer från Fe 2+ cytokrom a 3 , som omvandlas till ferryloxoformen (Fe 4+ = O). Syreatomen nära Cu B tar upp en elektron från Cu + , och en andra elektron och en proton från hydroxylen i Tyr (244), som blir en tyrosylradikal. Det andra syret omvandlas till en hydroxidjon genom att plocka upp två elektroner och en proton. En tredje elektron som härrör från ett annat cytokrom c passerar genom de två första elektronbärarna till cytokrom a 3 - Cu B binukleär centrum, och denna elektron och två protoner omvandlar tyrosylradikalen tillbaka till Tyr och hydroxiden bunden till Cu B 2+ till en vattenmolekyl. Den fjärde elektronen från en annan cytokrom c strömmar genom Cu A och cytokrom a till cytokrom a 3 - Cu B binukleär centrum, vilket reducerar Fe 4+ = O till Fe 3+ , med syreatomen som plockar upp en proton samtidigt och regenererar detta syre som en hydroxidjon koordinerad i mitten av cytokromet ett 3 - Cu B -centrum som det var i början av denna cykel. Nettoprocessen är att fyra reducerade cytokrom c används tillsammans med 4 protoner för att reducera O 2 till två vattenmolekyler.

Hämning

COX finns i tre konformationstillstånd: helt oxiderat (pulserat), delvis reducerat och helt reducerat. Varje hämmare har en hög affinitet till ett annat tillstånd. I pulserat tillstånd oxideras både hem a 3 och kärncentralerna Cu B ; detta är konformationen av det enzym som har den högsta aktiviteten. En två-elektronreduktion initierar en konformationsförändring som tillåter syre att binda på det aktiva stället till det delvis reducerade enzymet. Fyra elektroner binder till COX för att helt reducera enzymet. Dess helt reducerade tillstånd, som består av en reducerad Fe 2+ vid cytokrom a 3 hemgrupp och en reducerad Cu B + binukleär centrum, anses vara enzymets inaktiva eller vilande tillstånd.

Cyanid , azid och kolmonoxid binder alla till cytokrom c -oxidas, vilket hämmar proteinet från att fungera och leder till kemisk kvävning av celler. Högre koncentrationer av molekylärt syre behövs för att kompensera för ökande hämmarkoncentrationer, vilket leder till en total minskning av metabolisk aktivitet i cellen i närvaro av en hämmare. Andra ligander, såsom kväveoxid och svavelväte, kan också hämma COX genom att binda till regleringsställen på enzymet, vilket minskar graden av cellulär andning.

Cyanid är en icke-konkurrerande hämmare för COX, som binder med hög affinitet till enzymets delvis reducerade tillstånd och hindrar ytterligare reduktion av enzymet. I pulserande tillstånd binder cyanid långsamt, men med hög affinitet. Liganden är avsedd att elektrostatiskt stabilisera båda metallerna på en gång genom att placera sig mellan dem. En hög kväveoxidkoncentration, såsom en som tillsätts exogent till enzymet, vänder cyanidhämning av COX.

Kväveoxid kan reversibelt binda till endera metalljonen i det binukleära centrumet för att oxideras till nitrit. NO och CN - kommer att konkurrera med syre för att binda på platsen, vilket minskar graden av cellulär andning. Endogen NO, dock, som produceras vid lägre nivåer, förstärker CN - inhibering. Högre halter av NO, som korrelerar med förekomsten av mer enzym i reducerat tillstånd, leder till en större hämning av cyanid. Vid dessa basala koncentrationer är det känt att NO -hämning av komplex IV har fördelaktiga effekter, såsom att öka syrehalten i blodkärlens vävnader. Enzymets oförmåga att reducera syre till vatten resulterar i en syreuppbyggnad, som kan spridas djupare in i omgivande vävnader. INGEN hämning av komplex IV har en större effekt vid lägre syrekoncentrationer, vilket ökar dess användbarhet som en vasodilatator i vävnader med behov.

Vätesulfid kommer att binda COX på ett icke -konkurrenskraftigt sätt vid en regleringsplats på enzymet, liknande kolmonoxid. Sulfid har den högsta affiniteten till antingen enzymets pulserade eller delvis reducerade tillstånd och kan delvis reducera enzymet vid hem a 3 -centret. Det är oklart om endogena H 2 S nivåer är tillräcklig för att hämma enzymet. Det finns ingen interaktion mellan vätesulfid och den helt reducerade konformationen av COX.

Metanol i sprit omvandlas till myrsyra , vilket också hämmar samma oxidasystem. Höga nivåer av ATP kan allosteriskt hämma cytokrom c -oxidas, bindande inifrån mitokondriell matris.

Extramitokondriella och subcellulära lokaliseringar

Plats för de tre cytokrom c -oxidas -underenhetsgenerna i det mänskliga mitokondriella genomet: COXI , COXII och COXIII (orange lådor).

Cytokrom c oxidas har 3 subenheter som kodas av mitokondriellt DNA (cytokrom c oxidas subenhet I , subenhet II och subenhet III ). Av dessa 3 subenheter som kodas av mitokondriellt DNA har två identifierats på extramitokondriella platser. I bukspottkörteln acinar vävnad, dessa subenheter hittades i zymogen granuler. Dessutom, i den främre hypofysen , hittades relativt stora mängder av dessa subenheter i tillväxthormonsekretionsgranulat . Den extramitokondriella funktionen av dessa cytokrom c -oxidasunderenheter har ännu inte karakteriserats. Förutom cytokrom c -oxidasunderenheter har extramitokondriell lokalisering också observerats för ett stort antal andra mitokondriella proteiner. Detta ökar möjligheten om förekomsten av ännu oidentifierade specifika mekanismer för proteintranslokation från mitokondrier till andra cellulära destinationer.

Genetiska defekter och störningar

Defekter som involverar genetiska mutationer som förändrar funktion eller struktur av cytokrom c -oxidas (COX) kan resultera i allvarliga, ofta dödliga metaboliska störningar . Sådana störningar uppträder vanligtvis i tidig barndom och påverkar övervägande vävnader med höga energikrav (hjärna, hjärta, muskler). Bland de många klassificerade mitokondriella sjukdomarna anses de som involverar dysfunktionell COX -montering vara de allvarligaste.

De allra flesta COX-störningar är kopplade till mutationer i kärnkodade proteiner som kallas sammansättningsfaktorer eller sammansättningsproteiner. Dessa monteringsfaktorer bidrar till COX-struktur och funktionalitet och är involverade i flera väsentliga processer, inklusive transkription och translation av mitokondrionkodade underenheter, bearbetning av preproteiner och membraninsättning, och kofaktorbiosyntes och inkorporering.

För närvarande har mutationer identifierats i sju COX -monteringsfaktorer : SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 och LRPPRC . Mutationer i dessa proteiner kan resultera i förändrad funktionalitet för subkomplex montering, koppartransport eller translationell reglering. Varje genmutation är associerad med etiologin för en specifik sjukdom, med vissa som har konsekvenser vid flera störningar. Störningar som involverar dysfunktionell COX -sammansättning via genmutationer inkluderar Leigh syndrom , kardiomyopati , leukodystrofi , anemi och sensorineural dövhet .

Histokemi

Neurons ökade beroende av oxidativ fosforylering för energi underlättar användningen av COX -histokemi vid kartläggning av regional hjärnmetabolism hos djur, eftersom det upprättar en direkt och positiv korrelation mellan enzymaktivitet och neuronal aktivitet. Detta kan ses i sambandet mellan COX -enzymmängd och aktivitet, vilket indikerar reglering av COX på nivån av genuttryck. COX -distribution är inkonsekvent över olika regioner i djurhjärnan, men dess fördelningsmönster är konsekvent över djur. Detta mönster har observerats i ap-, mus- och kalvhjärnan. Ett isozym av COX har konsekvent detekterats i histokemisk analys av hjärnan.

Sådan hjärnkartläggning har åstadkommits i spontana mutanta möss med cerebellarsjukdom, såsom spolare och en transgen modell av Alzheimers sjukdom . Denna teknik har också använts för att kartlägga inlärningsaktivitet i djurhjärnan.

Ytterligare bilder

Se även

Referenser

externa länkar