ЦИТОХРОМ С ОКСИДАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, ИНГИБИТОРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Цитохром с оксидаза представляет собой комплекс ферментных белков , которые могут пересекать липидный бислой клеточной мембраны. Он геморастворим и в основном связан с внутренней мембраной митохондрий, обнаруживаясь как у прокариотических организмов (бактерий), так и у эукариот (одноклеточных и многоклеточных).

Также называемый комплексом IV, этот фермент жизненно важен для аэробных метаболических функций организмов, так как он важен в цепи переноса электронов, в которой клетка сжигает сахар и захватывает часть выделяемой энергии для хранения аденозинтрифосфата или АТФ.

Шариковая модель гема, молекулы, обнаруженной в кристаллической структуре цитохром с оксидазы в сердце крупного рогатого скота. Взято и отредактировано по ссылке: Benjah-bmm27.

Название цитохром означает «клеточные пигменты». Это белки крови, переносящие электроны. Цитохромы были обнаружены ирландским врачом Чарльзом Александром МакМанном в 1884 году. Макманн первым открыл дыхательный пигмент в крови, который сегодня называется цитохромом 1.

В 1920-х годах русский энтомолог и паразитолог Давид Кейлин заново открыл и охарактеризовал респираторные пигменты и назвал их цитохромами. Хотя Макманн обнаружил их в 1884 году, научное сообщество забыло о нем, а некоторые даже неверно истолковали его работу.

Общие характеристики

В целом респираторные пигменты имеют характерные спектры видимого света. Известно, что существует по крайней мере четыре интегральных мембранных белковых комплекса, в которых имеется 5 различных типов цитохромов: a, a3, b, c1 и c, классифицированных по длинам волн максимумов спектрального поглощения.

Обычно они находятся на внутренней мембране митохондрий. Однако они также наблюдались в эндоплазматическом ретикулуме и хлоропластах, у эукариотических и прокариотических организмов.

Они представляют собой простетическую группу гема, содержащую железо (Fe). Каждый из известных цитохромов действует в составе мультиферментных комплексов при переносе электронов в дыхательном процессе или цепи.

Цитохромы участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Реакции восстановления, в которых они принимают электроны, протекают по-разному для каждого типа цитохрома, и их величина определяется потоком электронов в дыхательной цепи.

-Цитохром с

Известно четыре класса цитохрома с, а именно следующие.

I класс

К этому классу относятся растворимые низкоспиновые цитохромы c (lowspin), присутствующие в бактериях и митохондриях. Они восьмигранные. Сайт связывания гема находится на N-конце гистидина, а шестой лиганд снабжен остатком метионина на C-конце.

Из этого класса можно даже выделить несколько подклассов, трехмерная структура которых определена.

II класс

В этом классе обнаружены высокоспиновый цитохром с и некоторые низкоспиновые цитохромы. Те, у кого есть высокий поворот, имеют сайт связывания близко к С-концу, а у тех, у кого низкий поворот, шестой лиганд, по-видимому, представляет собой остаток метионина рядом с N-концом (N-конец на английском языке). Они пентакоординированы с пятым лигандом гистидином.

III класс

Этот класс характеризуется наличием цитохромов c с множеством гемов (c3 и c7) и низким окислительно-восстановительным потенциалом, всего с 30 аминокислотными остатками на группу гема. У представителей этого класса группы гема c имеют неэквивалентную структуру и функции, помимо того, что они представляют разные окислительно-восстановительные потенциалы. Они восьмигранные.

IV класс

По мнению некоторых авторов, этот класс был создан только для включения сложных белков, которые присутствуют в других простетических группах, а также, среди прочих, гем с или флавоцитохром с.

Цитохром с оксидаза или Комплекс IV

Цитохром с оксидаза - это митохондриальный фермент, который выполняет заключительную фазу переноса электронов в клеточном дыхании. Этот фермент катализирует перенос электронов от восстановленного цитохрома с к кислороду.

Некоторые химические соединения, такие как цианид, диоксид углерода и азид, могут подавлять функционирование этого фермента, вызывая так называемую клеточную химическую асфиксию. Другие формы ингибирования комплекса IV - это генетические мутации.

С эволюционной точки зрения цитохром-с-оксидаза обнаруживается только в аэробных организмах, и несколько групп ученых предполагают, что присутствие этого белка указывает на эволюционные отношения, в которых растения, грибы, а также животные имели общего предка.

Структура

Цитохром с оксидаза образует гомодимерный комплекс, то есть состоящий из двух одинаковых мономеров во внутренней мембране митохондрий. Ферментный комплекс состоит из 3–4 субъединиц у прокариотических организмов и максимум из 13 (некоторые предполагают 14) полипептидов у организмов, таких как млекопитающие.

У этих организмов 3 полипептида имеют митохондриальное происхождение, а остальные происходят из ядра. Каждый мономер имеет 28 трансмембранных спиралей, которые отделяют гидрофильные домены от мембранного матрикса и межмембранного пространства.

Он имеет одну каталитическую единицу, которая присутствует во всех ферментах, которые катализируют реакции окисления / восстановления с использованием молекулярного кислорода (оксидазы, особенно гем-меди). Комплекс содержит цитохромы а и а3, связанные субъединицей I, и два медных центра.

Он имеет одну или несколько групп гема c, связанных с окружающей белковой структурой одной или несколькими (обычно двумя) тиоэфирными связями. Другие авторы предполагают, что существует одна группа гема C, ковалентно связанная с белком между порфириновым кольцом и двумя остатками цистеина.

Единственная группа гема c, упомянутая выше, окружена гидрофобными остатками и гексакоординирована, с гистидином в положении 18 полипептидной цепи и метионином в положении 80.

Субъединица цитохром с-оксидазы F. Взято и отредактировано: Джавахар Сваминатан и сотрудники MSD в Европейском институте биоинформатики.

Характеристики

Цитохром с оксидазы являются главными действующими лицами в трех основных физиологических механизмах, которые мы увидим ниже.

Апоптоз или запрограммированная гибель клеток

Апоптоз - это запрограммированное разрушение или гибель клеток, вызванное самим организмом и предназначенное для контроля роста, развития, удаления поврежденных тканей и регулирования иммунной системы. В этом физиологическом процессе цитохром с оксидаза участвует в качестве промежуточного звена.

Этот белок, высвобождаемый митохондриями, приводит к взаимодействию с эндоплазматическим ретикулумом, что вызывает секрецию или высвобождение кальция. Постепенное увеличение кальция вызывает массовое высвобождение цитохром с оксидазы до тех пор, пока не будет достигнут цитотоксический уровень кальция.

Цитотоксические уровни кальция и высвобождение цитохромов вызывают каскадную активацию нескольких ферментов каспаз, которые ответственны за разрушение клеток.

Регенерация клеток или тканей

Несколько исследований показывают, что когда цитохром-с-оксидаза подвергается воздействию волн длиной 670 нанометров, она участвует в функциональном комплексе, который проникает в поврежденные или поврежденные ткани и увеличивает скорость регенерации клеток.

Энергетический обмен

Это, пожалуй, самая известная и наиболее важная функция цитохром с оксидазы. Именно оксидазный комплекс (дыхательной цепи) отвечает за сбор электронов с цитохрома с и перенос их на молекулу кислорода, уменьшая ее до двух молекул воды.

Связанный с этим процессом, транслокация протона происходит через мембрану, что приводит к созданию электрохимического градиента, который комплекс АТФ-синтетазы использует для производства или синтеза АТФ (аденозинтрифосфата).

Ингибиторы

Цитохром с-оксидаза ингибируется различными химическими соединениями и процессами. То, как это происходит, может возникать как естественный способ регулирования производства или действия фермента или может возникать случайно из-за отравления.

В присутствии азида, цианида или окиси углерода цитохром с оксидаза связывается с ними, и функционирование белкового комплекса подавляется. Это вызывает нарушение клеточного дыхательного процесса и, таким образом, вызывает химическое удушение клеток.

Другие соединения, такие как оксид азота, сероводород, метанол и некоторые метилированные спирты, также вызывают ингибирование цитохром-с-оксидазы.

дефицит

Цитохром с оксидаза - это фермент, который контролируется генами как в ядре, так и в митохондриях. Существуют генетические изменения или мутации, которые могут привести к дефициту цитохром с оксидазы.

Эти мутации нарушают функциональность фермента, так как они изменяют его ферментативную структуру, вызывая метаболические нарушения во время эмбрионального развития (согласно исследованиям на людях), которые позже повлияют на организм в первые годы его жизни.

Дефицит цитохром с оксидазы влияет на ткани с высоким потреблением энергии, такие как сердце, печень, мозг и мышцы. Симптомы этих мутаций отражаются до двух лет жизни и могут проявляться как сильные или легкие состояния.

Легкие симптомы можно увидеть даже вскоре после достижения 1 года жизни, а у людей с ними обычно наблюдается только снижение мышечного напряжения (гипотония) и атрофия мышц (миопатия).

С другой стороны, люди с более сильными симптомами могут иметь атрофию мышц и энцефаломиопатию. Другими состояниями, вызванными отсутствием цитохром-соксидазы, являются гипертрофическая кардиомиопатия, патологическое увеличение печени, синдром Ли и лактоацидоз.

Использование в филогении

Филогения - это наука, которая отвечает за изучение происхождения, образования и эволюционного развития организмов с точки зрения предков и потомков. В последние десятилетия все чаще и чаще проводятся филогенетические исследования с использованием молекулярного анализа, которые дают большой объем информации и решают таксономические проблемы.

В этом смысле некоторые филогенетические исследования показывают, что использование цитохром с оксидаз может помочь установить эволюционные отношения. Это связано с тем, что этот белковый комплекс является высококонсервативным и присутствует у самых разных организмов, от одноклеточных простейших до крупных позвоночных.

Примерами этого являются тесты, проведенные на людях, шимпанзе (Pan paniscus) и макаках-резус (Macaca mulatta). Такие тесты показали, что молекулы цитохром с оксидазы человека и шимпанзе идентичны.

Он также показал, что молекулы цитохром-с-оксидазы макаки-резуса отличаются на одну аминокислоту от молекул первых двух, тем самым подтверждая отношения между предками и потомками между шимпанзе и людьми.

Ссылки

1. Р.П. Амблер (1991). Вариабельность последовательности бактериальных цитохромов c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика.
2. Цитохром c. Восстановлено с newworldencyclopedia.org.
3. В. Колман, Э. Коста, Р. Чавес, В. Тортора (2015). Биологические роли цитохрома с: транспорт электронов в митохондриях, запрограммированная гибель клеток и увеличение активности перекиси. Летопись медицинского факультета.
4. Субъединица цитохром с-оксидазы I. Получено с ebi.ac.uk.
5. Л. Юфен, П. Чон-Сун, Д. Цзян-Хонг и Б. Идонг (2007). Субъединица IV цитохром с-оксидазы важна для сборки и респираторной функции ферментного комплекса. Журнал биоэнергетики и биомембран.
6. Генная группа: Митохондриальный комплекс IV: субъединицы цитохром с оксидазы (ЦОГ, МТ-СО). Получено с genenames.org.
7. Э. Ф. Хартри (1973). Открытие цитохрома. Биохимическое образование.
8. Цитохром с оксидаза, дефицит…. Получено с ivami.com.
9. К. К. Мэтьюз, К. Э. ван Холде и К. Г. Ахерн (2002). Biochemestry. 3-е издание. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.