ЦИТОХРОМ С ОКСИДАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, ІНГІБІТОРИ - БІОЛОГІЯ

Цитохром з оксидаза є комплексом ферментних білків , які можуть перетинати ліпідний бішар клітинної мембрани. Він нерозчинний і пов'язаний головним чином із внутрішньою мембраною мітохондрій, виявляється як у прокаріотичних організмах (бактеріях), так і в еукаріотів (одноклітинних та багатоклітинних).

Цей фермент також називають комплексом IV, життєво важливим для аеробних метаболічних функцій організмів, оскільки він є важливим для ланцюга транспорту електронів, в якому клітина спалює цукри і захоплює частину енергії, що виділяється для зберігання аденозинтрифосфату або АТФ.

Кулькова модель гема з молекули, знайденої в кристалічній структурі цитохрому с оксидази в серці великої рогатої худоби. Знято та відредаговано з: Бенья-bmm27.

Назва цитохром означає «клітинні пігменти». Це білки крові, які несуть електрони. Цитохроми були виявлені ірландським лікарем Чарльзом Олександром МакМунном у 1884 році. МакМунн був першопрохідцем у відкритті дихального пігменту в крові, який сьогодні називають цитохромом 1

У 1920-х роках російський ентомолог і паразитолог Девід Кейлін знову відкрив і охарактеризував дихальні пігменти і був тим, хто назвав їх цитохромами. Хоча МакМунн відкрив їх у 1884 році, наукове співтовариство забуло його, а деякі навіть неправильно трактували його роботи.

Загальна характеристика

В основному дихальні пігменти мають характерні спектри видимого світла. Відомо, що є щонайменше чотири цілісні мембранні білкові комплекси, в яких міститься 5 різних типів цитохромів: a, a3, b, c1 і c, класифіковані за довжинами хвиль максимумів спектрального поглинання.

Вони, як правило, знаходяться на внутрішній мембрані мітохондрій. Однак вони спостерігалися також у ендоплазматичному ретикулумі та хлоропластах, у еукаріотичних та прокаріотичних організмах.

Вони представляють гемопротезну групу, що містить залізо (Fe). Кожен з відомих цитохромів діє в багатоферментних комплексах при транспортуванні електронів в дихальному процесі або ланцюзі.

Цитохроми мають функцію участі в окислювально-відновних реакціях. Реакції відновлення, коли вони приймають електрони, відбуваються по-різному для кожного типу цитохрому, і їх значення визначається потоком електронів у дихальному ланцюзі.

-Цітохром c

Відомі чотири класи цитохрому c, які є наступними.

I клас

У межах цього класу є розчинні цитохроми с низьким спіном (низький шпин), присутні в бактеріях і мітохондріях. Вони є восьмигранними. Місце зв'язування гема знаходиться на N-кінці гістидину, а шостий ліганд подається залишком метіоніну на С-кінці.

З цього класу можна навіть розпізнати кілька підкласів, тривимірна структура яких визначена.

II клас

Цитохром с високим спіном і деякі низькі спінові цитохроми зустрічаються в цьому класі. У тих, хто має високу чергу, ділянка зв'язування близький до С-кінця, а у тих, хто має низький оборот, шостий ліганд виявляється залишком метіоніну поблизу N-кінця. Вони пентакоординовані з п'ятим лігандом гістидином.

III клас

Цей клас характеризується представленням цитохромів c з багаторазовим гемом (c3 та c7) та низьким потенціалом відновлення окислення із лише 30 амінокислотними залишками на гемогрупу. У представників цього класу групи heme c мають нееквівалентну структуру та функції, крім представлення різних окислювально-відновних потенціалів. Вони є восьмигранними.

IV клас

На думку деяких авторів, цей клас був створений виключно для включення складних білків, які присутні інші протезні групи, а також гема с або флавоцитохрому с, серед інших.

Цитохром с оксидаза або комплекс IV

Цитохром с оксидаза - мітохондріальний фермент, який здійснює завершальну фазу транспорту електронів при клітинному диханні. Цей фермент каталізує транспорт електронів від відновленого цитохрому с до кисню.

Деякі хімічні сполуки, такі як ціанід, вуглекислий газ та азид, можуть гальмувати функціонування цього ферменту, викликаючи так звану клітинну хімічну асфіксію. Іншими формами гальмування комплексу IV є генетичні мутації.

З еволюційної точки зору цитохром с оксидаза зустрічається лише в аеробних організмах, і кілька груп вчених припускають, що присутність цього білка вказує на еволюційні зв’язки, де рослини, гриби, а також тварини поділяли спільного предка.

Будова

Цитохром с оксидаза утворює гомодимерний комплекс, тобто складається з двох подібних мономерів у внутрішній мембрані мітохондрій. Ферментний комплекс складається з 3 до 4 субодиниць прокаріотичних організмів і максимум до 13 (деякі вважають 14) поліпептидів у організмах, таких як ссавці.

У цих організмах 3 поліпептиди мають мітохондріальне походження, а решта походять з ядра. Кожен мономер має 28 трансмембранних спіралей, які розділяють гідрофільні домени проти мембранної матриці та міжмембранного простору.

Він має єдину каталітичну одиницю, яка міститься у всіх ферментах, що каталізують реакції окислення / відновлення, використовуючи молекулярний кисень (оксидази, особливо гема-мідь). Комплекс містить цитохроми А і А3, з'єднані підрозділом І та двома мідними центрами.

Він має одну або декілька груп гемів c, пов'язаних з навколишньою структурою білка одним або декількома (як правило, двома) тиоефірними зв'язками. Інші автори припускають, що між порфіриновим кільцем та двома цистеїновими залишками існує одна група гема С, ковалентно пов'язана з білком.

Єдина згадана вище група гема с оточена гідрофобними залишками і є гексакоординованою з гістидином у положенні 18 поліпептидної ланцюга, а метіоніном у положенні 80.

Субодиниця цитохрому с оксидази F. Знято та відредаговано у: Джавахара Свамінанатана та співробітників MSD Європейського інституту біоінформатики

Особливості

Оксидази цитохрому с є головними героями трьох основних фізіологічних механізмів, які ми побачимо нижче.

Апоптоз або запрограмована загибель клітин

Апоптоз - це запрограмоване руйнування або загибель клітин, спричинене самим організмом і метою якого є контроль росту, розвитку, усунення пошкоджених тканин та регуляція імунної системи. У цьому фізіологічному процесі цитохром с оксидаза бере участь як проміжний продукт.

Цей білок, що виділяється мітохондріями, призводить до взаємодії з ендоплазматичним ретикулумом, що викликає секрецію або вивільнення кальцію. Прогресуюче збільшення кальцію викликає масове вивільнення цитохрому с оксидази до досягнення цитотоксичних рівнів кальцію.

Цитотоксичний рівень кальцію та вивільнення цитохромів c викликають каскадну активацію декількох ферментів каспази, які відповідають за руйнування клітин.

Регенерація клітин або тканин

Кілька досліджень свідчать, що коли цитохром с оксидаза потрапляє на довжину хвилі 670 нанометрів, вона бере участь у функціональному комплексі, який проникає у пошкоджену або травмовану тканину та збільшує швидкість регенерації клітин.

Енергетичний обмін

Це, мабуть, найвідоміша та найрелевантніша функція цитохрому с оксидази. Саме оксидазний комплекс (дихальної ланцюга) відповідає за збір електронів з цитохрому с і перенесення їх до молекули кисню, зменшення його до двох молекул води.

Зв'язаний з цим процесом, транслокація протона відбувається через мембрану, внаслідок чого утворюється електрохімічний градієнт, який комплекс синтетичного АТФ використовує для отримання або синтезу АТФ (аденозинтрифосфату).

Інгібітори

Цитохром с оксидаза гальмується різними хімічними сполуками та процесами. Спосіб його виникнення може виникнути як природний спосіб регулювання вироблення або дії ферменту, або він може статися випадково через отруєння.

У присутності азиду, ціаніду або оксиду вуглецю цитохром с оксидаза пов'язується з ними і функціонування білкового комплексу гальмується. Це викликає порушення в клітинному дихальному процесі і, таким чином, викликає хімічне задухання клітин.

Інші сполуки, такі як оксид азоту, сірководень, метанол та деякі метильовані спирти, також викликають пригнічення цитохрому с оксидази.

Дефіцит

Цитохром с оксидаза - фермент, який контролюється генами як в ядрі, так і в мітохондріях. Існують генетичні зміни або мутації, які можуть призвести до дефіциту цитохром с оксидази.

Ці мутації порушують функціональність ферменту, оскільки вони змінюють його ферментативну структуру, приносячи з собою метаболічні порушення під час ембріонального розвитку (за даними людських досліджень), що згодом позначиться на організмі в перші роки його життя.

Дефіцит цитохрому с оксидази впливає на тканини з високим попитом на енергію, такі як серце, печінка, мозок та м’язи. Симптоми цих мутацій відображаються до двох років життя і можуть проявлятися як сильні або легкі стани.

Легкі симптоми можна помітити навіть незабаром після першого року життя, а у людей, які перебувають у них, зазвичай спостерігається лише зниження м’язової напруги (гіпотонія) та атрофія м’язів (міопатія).

З іншого боку, люди з сильнішими симптомами можуть мати атрофію м’язів та енцефаломіопатію. Іншими станами, спричиненими відсутністю цитохром с оксидази, є гіпертрофічна кардіоміопатія, патологічне збільшення печінки, синдром Лей та лактоацидоз.

Використання в філогенезі

Філогенія - це наука, яка відповідає за дослідження походження, становлення та еволюційного розвитку організмів з погляду нащадків. В останні десятиліття дослідження філогенезу з молекулярним аналізом все частіше зустрічаються, даючи багато інформації та вирішуючи таксономічні проблеми.

У цьому сенсі деякі філогенетичні дослідження вказують, що використання цитохром с оксидаз може допомогти встановити еволюційні зв’язки. Це пояснюється тим, що цей білковий комплекс є висококонсервованим і присутній у найрізноманітніших організмах, починаючи від одноклітинних протестів до великих хребетних.

Прикладами цього є тести, проведені на людях, шимпанзе (Pan paniscus) та макаках резус (Macaca mulatta). Такі випробування показали, що молекули цитохрому с цитохрому с оксидази людини та шимпанзе були ідентичними.

Він також показав, що молекули цитохрому с оксидази макака резус відрізняються на одну амінокислоту від молекул перших двох, отже, підтверджуючи зв’язки предків-нащадків між шимпанзе та людиною.

Список літератури

Р. П. Амблер (1991). Варіативність послідовності бактеріальних цитохромів c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - біоенергетика.
Цитохром c. Відновлено з сайту newworldencyclopedia.org.
В. Колман, Е. Коста, Р. Чавес, В. Тортора (2015). Біологічні ролі цитохрому с: мітохондріальний транспорт електронів, запрограмована загибель клітин та посилення активності пероксиду. Літописи медичного факультету.
Субодиниця цитохрому с оксидази I. Відновлено з ebi.ac.uk.
Л. Юфен, П. Йонг-Сун, Д. Цзянь-Гонг та Б. Ідун (2007). Субодиниця IV цитохрому с оксидази є важливою для монтажно-дихальної функції ферментного комплексу. Журнал біоенергетики та біомембран.
Група генів: мітохондріальний комплекс IV: субодиниці цитохрому с оксидази (COX, MT-CO). Відновлено з genenames.org.
EF Hartree (1973). Відкриття цитохрому. Біохімічна освіта.
Цитохром с оксидаза, дефіцит…. Відновлено з ivami.com.
CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Біохіметрія. 3-е видання. Benjamin / Cummings Publishing, Inc.

ЦИТОХРОМ С ОКСИДАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, ІНГІБІТОРИ - БІОЛОГІЯ - 2025