Cytokrom c-oxidas

Cytokrom c-oxidas ( cytokromoxidas ) eller cytokrom c-syre:oxidoreduktas , även känd som cytokrom aa 3 och komplex IV  , är ett terminalt oxidas i den aeroba respiratoriska elektrontransportkedjan som katalyserar överföringen av elektroner från cytokrom c till syre för att bildas vatten [1] . Cytokromoxidas finns i det inre mitokondriella membranet i alla eukaryoter , där det vanligtvis kallas komplex IV, såväl som i cellmembranet hos många aeroba bakterier [2] .

Komplex IV oxiderar sekventiellt fyra molekyler av cytokrom c och, accepterar fyra elektroner, reducerar O 2 till H 2 O. När O 2 reduceras, fångas fyra H + från mitokondriella matrisen för att bilda två H 2 O -molekyler , och ytterligare fyra H + + pumpas aktivt genom membranet . Således bidrar cytokromoxidas till skapandet av en protongradient för ATP- syntes och är en del av den oxidativa fosforyleringsvägen [3] . Dessutom spelar detta multiproteinkomplex en nyckelroll för att reglera aktiviteten av hela andningskedjan och energiproduktionen av den eukaryota cellen [4] .

Studiens historia

Cytokromoxidas upptäcktes av den irländska läkaren och vetenskapsmannen C. A. McMann , som 1885 beskrev reversibla förändringar i absorptionsspektrumet vid en våglängd på 605 nm som uppstår under oxidation i djurceller, vilket är en karakteristisk spektral signatur för cytokromoxidas. Men hans arbete kritiserades av de inflytelserika fysiologerna Goppe-Seyler och Levy, som postulerade att McMann helt enkelt observerade upptaget av hemoglobinnedbrytningsprodukter . Som ett resultat upphörde forskningen om detta enzym i mer än 30 år, tills Hans Fischer bekräftade McManns resultat 1923 [5] [6] [7] .

Ytterligare forskning om detta enzym fortsatte av den tyske vetenskapsmannen Otto Warburg . I sitt arbete hämmade han andning i en jästsuspension med CO och fick sedan absorptionsspektra genom att ta bort hämningen genom att bestråla med en koherent ljusstråle med olika våglängder . Av de erhållna uppgifterna följde det att det hämmade enzymet  är ett hemoprotein i vilket hem är i komplex med CO [8] [9] . Warburg kopplade ett nytt, okänt protein till funktionen av cellandning och använde på det termen Atmungsferment , eller "respiratoriskt enzym", som han använde sedan 1924. Verket publicerades 1929 och 1931 fick Warburg Nobelpriset i fysiologi eller medicin för det med formuleringen "för upptäckten av andningsenzymets natur och verkningsmekanism" [5] .

Ett betydande bidrag till förståelsen av komplex IV gjordes av den brittiske vetenskapsmannen David Keilin . 1939 upptäckte han i samarbete med E. F. Hartree en tidigare okänd cytokrom, kallad a 3 , som hade förmågan att oxidera cytokrom c . Det nya cytokromet hade samma absorptionsspektrum som det mystiska andningsenzymet Warburg och hämmades även av CO och KCN [10] . I sitt arbete myntade Kaylin namnet cytokrom c-oxidas, föreslog av Malcolm Dixon 1928 [11] . Warburg och Kaylin argumenterade länge om karaktären av ciokromoxidas: Warburg trodde att endast järn kunde vara en kofaktor för detta enzym , medan Kaylin trodde att det var ett kopparinnehållande protein. Allt eftersom åren gick visade det sig att båda stora forskarna hade rätt: cytokromoxidas innehåller både järninnehållande hem och kopparatom [12] .

Mekanismen för syrebindning av cytokromoxidas studerades av den amerikanske biokemisten Britton Chance , som i mitten av 1970-talet, med hjälp av avancerad NMR -teknik och spektroskopi vid låga temperaturer, upptäckte ett enzym- substratkomplex av cytokromoxidas, en addukt av heme a 3 med molekylärt syre [11] .

1977 visade den finske vetenskapsmannen Martin Wikström att cytokromoxidas pumpar protoner genom membranet under sitt arbete [13] , vilket under lång tid inte kunde accepteras av skaparen av den kemiosmotiska hypotesen , Peter Mitchell . Ändå vittnade de ackumulerande experimentella uppgifterna till förmån för Wikströms rättfärdighet, och senare erkände Mitchell sitt misstag [5] [14] .

De första försöken att isolera enzymet gjordes med början 1941: eftersom inga förfaranden ännu hade utvecklats för isolering av stora membranproteiner, måste försök och misstag göras. Tidiga isoleringsprocedurer använde gallsalter , vilket orsakade stora förluster i aktivitet. Tillkomsten av icke-joniska tvättmedel som Triton X-100 orsakade en ny boom i detta område från 1966 till 1974 och gjorde det möjligt att få de första rena preparaten [15] . Den första tredimensionella strukturen med atomupplösning av komplexet dök upp lite senare, 1995 [5] .

Strukturell organisation av Complex IV

Komplex IV från mitokondrier hos däggdjur och fåglar [16] består av 13 proteinsubenheter , varav tre har katalytisk aktivitet, binder kofaktorer och kodas av mitokondriella gener (undantaget är subenhet III i Chlamydomonas reinhardtii och Polytomella sp , som är kodad i kärnan [17] ). De återstående tio subenheterna är kodade i kärnans DNA [18] [19] . 2012 rapporterades upptäckten av den 14:e subenheten [20] , men senare motbevisades den [21] . I mitokondriella membranet existerar komplexet som en homodimer , där varje monomer består av 13 subenheter. Molekylvikten för en sådan dimer isolerad från bovina mitokondrier är cirka 350 kDa [22] . De få monomerer som finns i membranet har dubbelt så hög katalytisk aktivitet [16] .

Hos S. cerevisiae består komplex IV av endast 11 subenheter, men de saknade subenheterna i bovina komplexet är små perifera proteiner, så jästcytokromoxidas skiljer sig inte signifikant från det hos däggdjur [23] [19] . Mycket mindre är känt om komplex IV i växter , och till denna dag är det fortfarande ett av de mest outforskade komplexen av växtmitokondrier. Nyligen genomförda experiment för att isolera den från Arabidopsis och studera den med naturlig blåelektrofores visade att den verkar bestå av åtta subenheter som liknar de i komplex IV av andra eukaryoter, och sex ytterligare växtspecifika subenheter. En mindre exakt separation av komplex IV från potatis och bönor gav ett bandmönster liknande det för Arabidopsis: man kan med säkerhet säga att deras komplex IV består av minst 9-10 subenheter [24] . Bakteriekomplex finns i membranet som monomerer och består av 3–4 subenheter , varav tre är homologa med tre eukaryota subenheter kodade i mitokondrier [22] [19] [4] .

Underenheter

Tre stora subenheter av komplexet (I-III), homologa med bakteriella, bär alla nödvändiga kofaktorer och utför de huvudsakliga katalysreaktionerna som bland annat är förknippade med protonöverföring. Små nukleära subenheter belägna i periferin deltar inte i denna process. För närvarande är specifika funktioner endast kända för fyra nukleära subenheter (IV, Va, VIa-L, VIa-H), men det är uppenbart att alla spelar en roll i sammansättningen, dimeriseringen och regleringen av komplexets aktivitet [23] . Kärnan i komplex IV har en extremt hög katalytisk aktivitet, som undertrycks av extra nukleära subenheter som är nära förknippade med den, vilket är särskilt viktigt för regleringen av hela andningen som helhet. Hos ryggradsdjur representeras många av dessa subenheter av flera vävnadsspecifika isoformer , var och en kodad av en separat gen . Uttrycket av varje isoform beror på typen av vävnad , utvecklingsstadiet för organismen och kan förändras beroende på yttre förhållanden, vilket gör att du tydligt kan reglera energitillförseln av olika organ och vävnader [16] .

Uppkomsten av en mängd olika nukleära subenheter efter genomomfattande duplicering hos ryggradsdjur sammanfaller ungefär med deras förlust av ett alternativt oxidas , vilket gav en alternativ väg för elektroner till syre, förbi komplex IV. Rollen för dessa subenheter har särskilt ökat eftersom däggdjursceller har förlorat förmågan att växla mellan olika terminala oxidaser, vilket sker i prokaryoter. Till exempel har E. coli två terminala kinonoxidaser; vid normal syrehalt uttrycker den övervägande cytokrom bo 3 , och vid låg syrehalt övergår den till cytokrom bd , som har en ökad affinitet för syre, men inte pumpar protoner. Uppenbarligen, under sådana förhållanden, antog nukleära subenheter funktionen att kontrollera aktiviteten av all oxidativ fosforylering beroende på nivån av syre [25] .

Va-subenheten binder specifikt sköldkörtelhormonet 3,5-dijodtyronin , men interagerar inte med tyroxin eller trijodtyronin . Som ett resultat av denna interaktion upphör komplex IV att hämmas allosteriskt av ATP. Denna mekanism förklarar den kortsiktiga stimulerande effekten av sköldkörtelhormoner på däggdjursmetabolism [ 26] [16] .

Hos däggdjur uttrycks IV-2-subenheten huvudsakligen i hjärnan och lungorna , och i andra vävnader induceras dess syntes under hypoxiska förhållanden . Hos fiskar är denna isoform starkare uttryckt i gälarna [25] . Även om alla ryggradsdjur har en kopia av båda subenhet IV-isoformerna, sker aktivering av IV-2- uttryck som svar på brist på syre endast hos däggdjur och saknas hos fiskar och reptiler , och hos fåglar COX4-2-genen som kodar för IV-2-isoformen är inte funktionell [27] . Möss knockout för IV-2-genen hade svårt att dra ihop luftvägarna , minskade nivåer av ATP i lungorna , och med åldern uppträdde patologier i andningssystemet, inklusive Charcot-Leiden-kristaller . Dessa experimentella data indikerar vikten av IV-2-isoformen för normal funktion av lungorna hos däggdjur [16] .

För subenheter VIa-L och VIa-H var det möjligt att bestämma specifika funktioner. Det visade sig att protonpumpningskapaciteten (H + /e - stökiometri ) för njure - leverkomplexet minskade från 1 till 0,5 vid låga koncentrationer av fri palmitinsyra , vilket inte inträffade med hjärt - muskelkomplex IV innehållande VIa-H isoform. Den hypotetiska fysiologiska betydelsen av denna process är att förbättra termogenesen och bibehålla kroppstemperaturen i alla vävnader utom muskler som svar på fritt palmitat. VIa-H-subenheten från hjärtat och musklerna stimulerar komplexets arbete genom att binda ADP , och vice versa, minskar H + /e - stökiometrin vid ett högt ATP/ADP-förhållande. Den fysiologiska betydelsen av denna funktion är att öka termogenesen i musklerna under sömn eller vila, när ATP-konsumtionen minskar och ATP/ADP-kvoten förblir hög. VIa-H-subenheten saknas i fisk [16] .

Kofaktorer

Komplexa IV-kofaktorer är placerade på två stora enheter, I och II, inbäddade i membranet. Subenhet I bildar tolv transmembrana α-helixar och innehåller tre redoxcentra: hem a ( redoxpotential + 0,22 V [1] ) och det så kallade binukleära centret a 3 -Cu B , som inkluderar hem a 3 och en kopparatom CuB . Hem a och a 3 är kemiskt identiska, men järnet i hem a är sexkoordinerat eftersom det bildar sex koordinationsbindningar med de fyra kväveatomerna i pyrrolringarna och två kväveatomer av närliggande histidinrester , medan det i hem a 3 bildas endast fem koordinationsbindningar, vilket gör den sjätte bindningen tillgänglig för bindning med molekylärt syre . Mitt emot hemjärnet a 3 finns en kopparatom Cu B ligerad med tre histidinrester. Även om det inte finns några bindande element mellan järn och koppar i det binukleära centret, observeras stark antiferromagnetisk konjugation mellan dem [28] . Redoxpotentialen för det binukleära centret är ungefär +0,24 V [1] .

Kristallografiska studier avslöjade en ovanlig posttranslationell modifiering av subenhet I: histidin-240 [K 3] är kovalent bunden genom sin kväveatom i tau - positionen till meta - kolet i bensenringen av tyrosin - 244. Denna tyrosinrest tillför en elektron och en proton för att reducera syre för att bilda en neutral radikal . Dessutom skapar den kovalenta bindningen en pentamer ring av aminosyror , vars glutamatrest är en viktig komponent i protontransporten [ 23] .

Subenhet II har ett Cu A - centrum ( redoxpotential = − 0,70 V [1] ), som består av två kopparatomer direkt sammankopplade med en kovalent bindning. Den är ligerad med sex aminosyrarester: två cysteinrester , två histidinrester, en metioninrester och en glutaminsyrapeptidkarboxyl . Fungerar som en enelektronbärare [28] .

Röntgendiffraktionsanalys och platsspecifik mutagenes av subenhet I avslöjade vägarna genom vilka protoner kan penetrera komplexet och korsa membranet. Dessa vägar kallas D-, K- och H-kanaler. Kanaler kantade med polära aminosyrarester innehåller ett annat antal vattenmolekyler. Mg 2+ -jonen som finns i komplexet kan vara precis vad som behövs för att stabilisera dessa molekyler. Det antas att K-kanalen förbinder matrisens vattenfas med det binukleära centrumet och tjänar till att leverera "substrat"-protonerna som är nödvändiga för bildandet av vatten från syre. D-kanalen verkar bilda en genomgående bana, och både "substrat"-protoner och protoner som pumpas genom membranet kan passera genom den. I eukaryoter har ytterligare en H-kanal hittats, som troligen också är från ände till ände [23] [29] .

Reaktion

Den totala reaktionen som katalyseras av komplexet beskrivs med följande ekvation:

En elektrons väg i komplexet är känd. Cytokrom c binder till subenhet II medierad av subenheter I, III och VIb och återställer Cu A - centret som ligger nära membranytan. Från Cu A - centret går elektronen till hem a och sedan till det binukleära centrumet en 3 -Cu B belägen i membranets tjocklek. Det är i det binukleära centrumet som O 2 binds och reduceras till H 2 O [3] . Eftersom syre har en hög elektronaffinitet frigör det en stor mängd fri energi i processen för reduktion till vatten . På grund av detta kan aeroba organismer ta emot mycket mer energi än vad som kan produceras uteslutande med anaeroba medel.

Syreminskningsmekanism

Mekanismen för syrereduktion har länge varit föremål för intensiva studier, men är inte helt klarlagd. Den katalytiska cykeln för cytokromoxidas består av sex stadier, betecknade med A (addukt, engelsk  addukt ) [30] , P (peroximellanprodukt från engelsk  peroximellanprodukt ), F (ferryloxointermediär från engelsk  ferryl-oxointermediär ) [30] , O H (totalt oxiderat högenergitillstånd från det engelska  Fullt oxiderat högenergitillstånd ), E (enelektron reducerat tillstånd från det engelska  enelektron reducerat tillstånd ) och R (reducerat tillstånd från det engelska  reducerade tillståndet ) och så kallade efter det binukleära centrets tillstånd [31] . Det bör noteras att nomenklaturen för katalytiska tillstånd är avsevärt föråldrad, inte alltid återspeglar det verkliga kemiska tillståndet i det binukleära centret och behålls till stor del av historiska skäl. Till exempel i P- stadiet är syre i det binukleära centret inte alls i peroxidform , som man trodde för 30 år sedan, utan i oxoferryltillståndet, där bindningen mellan syreatomerna redan är bruten [30] . Enligt moderna koncept sker syrereduktion i cytokrom c-oxidas genom snabb och fullständig reduktion med parvis elektronöverföring, vilket utesluter bildandet av reaktiva syrearter . Följande händelseförlopp inträffar [30] [32] [33] :

• A Ett helt reducerat binukleärt centrum binder snabbt O 2 för att bilda en syreaddukt, vilket leder till konformationella omarrangemang (indikeras med tunna svarta pilar).
• P M Det sker en snabb överföring av fyra elektroner till syre: två tillförs av hemjärn a 3 (Fe II → Fe IV ), en annan är belägen i närheten av Cu B (Cu I → Cu II ), och den fjärde kommer från tyrosin-244-resten, ger det också den proton som behövs för att bryta O 2 -dubbelbindningen . Den resulterande neutrala tyrosinradikalen reduceras till tillståndet av en anjon på bekostnad av en elektron från cytokrom c .
• P R Protonering av Cu(II)-OH − sker med bildandet av en vattenmolekyl.
• F Den resulterande vattenmolekylen binder till Cu B - koordinationsbindningen. Järn Fe (IV) \u003d O 2- reduceras till Fe III , och syret som är associerat med det protoneras. Den första vattenmolekylen frigörs.
• O H Tyrosinanjonen protoneras och Cu B reduceras till Cu I på bekostnad av en elektron från cytokrom c .
• EH Järn reduceras till Fe II , varefter OH-gruppen associerad med det protoneras för att bilda en andra vattenmolekyl.
• R I detta tillstånd är det binukleära centret helt reducerat och komplexet är redo att binda en ny syremolekyl.

Protontransportmekanism

Det är känt att eukaryot cytokromoxidas överför en proton över membranet för varje elektron som tas emot från cytokrom c . I taget pumpar komplexet en "substrat" -proton , som används för att bilda vatten, genom kanal K och överför ytterligare en proton över membranet genom kanal D. Under en katalytisk cykel inträffar translokationshändelsen i fyra relativt stabila stadier: PM , F , O H och EH . _

Den exakta mekanismen för protontransport är fortfarande inte klar: på senare år har många modeller föreslagits där försök har gjorts för att beskriva denna process i detalj [33] . Det är inte heller klart hur konjugeringen av elektronenergin med protonernas rörelse utförs. Men generellt kan det beskrivas på följande sätt [31] :

1. I det inledande skedet av cykeln stängs protonkanalerna i komplexet, sedan överför cytokrom c en elektron till Cu A - centrum.
2. Elektronen rör sig snabbt från Cu A - centrum till heme a , vilket leder till en förändring av redoxpotentialen och gör att vattenmolekylerna i kanal D omorienteras, vilket gör att den öppnar sig för en proton. Som ett resultat av att en elektron flyttas från Cu A till hem a , rör sig en proton genom kanal D och laddas in i PLS - protonladdningsplatsen . 
3. Elektronen passerar till det binukleära centrumet för att hema a 3 , som ett resultat av vilket en substratproton kommer in genom K-kanalen. Samtidigt upplever protonen i PLS en signifikant ökning av surheten (från pK=11 till pK=5).
4. I det sista skedet av cykeln skjuts den proton som är förladdad i PLS ut, som man tror, ​​på grund av elektrostatisk repulsion från substratprotonen, som deltar i reduktionen av syre i det binukleära centret.

Reglering och montering

Biogenes av komplex IV är en mycket komplex och välreglerad process, som har varit föremål för intensiva studier under lång tid. Sammansättningen av komplexet involverar mer än tjugo hjälpfaktorer som kodas i kärnan, såväl som proteiner som infogar hemes a , a 3 och kopparatomer i den. Detta inkluderar också minst 15 translationsaktiverande proteiner från mitokondriella subenheter som är ansvariga för korrekt transkription och splitsning av mRNA och translationsaktivering , speciella translokaser som är nödvändiga för transport av nukleära subenheter till mitokondrier, såväl som enzymer för biosyntesen av kofaktorer [34] . Förutom speciella monteringsfaktorer kräver biogenesen av komplex IV ett stort antal proteiner med hög specificitet, inklusive ATP-beroende peptidaser som är ansvariga för propeptidbearbetning [16] .

Post-translationell reglering av komplex IV-aktivitet är inte mindre komplex och uppnås på många olika sätt. Dessa inkluderar subenhetsfosforylering , reversibel bindning av vissa perifera subenheter, reglering genom användning av vissa isoformer av nukleära subenheter, vilket beror på utvecklingsstadiet och vävnadstyp, allosterisk reglering av ATP och ADP vid tio bindningsställen (i däggdjurscytokromoxidas) , mono- och dimeriseringskomplex, såväl som dess interaktion med andra andningskomplex med bildandet av respiraser [16] .

Fosforylering av subenheterna i komplexet är av särskild betydelse, eftersom det kopplar dess aktivitet till verkan av regulatoriska kaskader av cellen och arbetet med Krebs-cykeln . Fosforylering och defosforylering orsakar effekter som att frigöra hämning genom ATP under tider av stress eller utlösa apoptos . Totalt hittades 18 positioner för fosforylering i komplexet, men den exakta funktionen av fosforylering för var och en av dessa positioner har inte fastställts [16] .

Position i proteinklassificeringssystemet

Cytokromoxidas tillhör proteinsuperfamiljen av hem-kopparoxidoreduktaser ( i klassificeringen av enzymer överfördes det till klass 7-translokaser), som inkluderar de flesta av de för närvarande kända terminala oxidaserna , såväl som reduktaser av kväveoxid (II ) ) , som katalyserar tvåelektronreduktionen av NO till N2O för att bilda vatten. Alla representanter för denna superfamilj kännetecknas av närvaron av subenhet I med en konservativ tertiär struktur , en lågspinnad hem och ett binukleärt centrum från en kopparatom och en högspinningshem. Medlemmar av superfamiljen är indelade i familjer beroende på typen av hem, närvaron av ytterligare kofaktorer, aminosyrasekvens, tertiär struktur och antal subenheter, typen av substrat som oxideras och strukturen av protonöverföringskanaler eller deras frånvaro. [35] . Närvaron av ytterligare subenheter som bär ytterligare hemer eller metallatomer (eller fullständig frånvaro av dem) gör det möjligt för dessa enzymer att ta emot elektroner från olika typer av substrat: olika membranbärare såsom kinoner , vattenlösliga cytokromer eller blå kopparbindande proteiner [ 36] .

Familj A är den största och mest studerade familjen av alla hemkopparoxidoreduktaser. Det kännetecknas av sammansättningen av hemer av typen aa 3 eller caa 3 . Representanter för denna familj består vanligtvis av tre subenheter: I, II och III, som är homologa med subenheterna av den typiska familjemedlemmen, mitokondriellt cytokrom c-oxidas. De har minst två protonkanaler, D och K, och translokerar protoner med stökiometri H + /e - . Däggdjurscytokrom c-oxidas tillhör A 1 -underfamiljen, tillsammans med P. denitrificans och R. sphaeroides [37] cytokromoxidaser .

Familj B-oxidaser består av tre subenheter: I, II och IIa. Subenhet IIa är den enda transmembrankedjan som i struktur liknar den andra transmembrankedjan av subenhet II från familj A. De har bara en alternativ protonkanal K, protonöverföringsstökiometri är 0,5-0,75 H + /e - [36] [38] [ 39] . En uppsättning hemes av typen ba 3 , b(o)a 3 och aa 3 [35] är karakteristisk .

Familj C inkluderar endast terminala oxidaser av typen cbb 3 . De har en extra subenhet som kan binda en eller två hemer c [35] . Detta är den näst största familjen av syrereduktaser (24 %) efter familj A (71 %) [36] . Det finns en alternativ kanal K, som i struktur skiljer sig från K-kanalen av reduktaser från familj B. Stökiometrin för protonöverföring är 0,2-0,4 H + /e - , men enligt andra data 0,6-1 [35] . Denna familj finns endast bland bakterier, eftersom de flesta arkéer inte kan syntetisera hem c [36] .

Baserat på bioinformatikanalys föreslogs det att isolera små familjer D, E, F, G och H, som endast är representerade i arkéer och är extremt olika. I det klassiska systemet ingår alla dessa familjer i B-familjen, men den höga mångfalden av deras primära struktur talar för att dela upp dem i separata familjer [36] .

Intracellulär distribution

Tre kärnsubenheter av cytokrom c-oxidas som kodas i mitokondriernas genom har nyligen hittats utanför mitokondrierna. De hittades i zymogena granulat av pankreatisk acini . Relativt höga koncentrationer av dessa subenheter har hittats i sekretoriska granuler tillsammans med tillväxthormon i hypofysen [40] . Funktionerna för dessa subenheter utanför mitokondrierna har ännu inte fastställts. Förutom cytokrom c-oxidassubenheter har många andra mitokondriella proteiner hittats utanför mitokondrier [41] [42] . I samband med dessa fynd lades en hypotes fram om förekomsten av en okänd mekanism för transport av proteiner från mitokondrier till andra cellulära avdelningar [40] [42] [43] .

Inhibitorer

Cyanider , sulfider , azider , kolmonoxid och kvävemonoxid [44] binder till enzymets oxiderade eller reducerade binukleära centrum och konkurrerar med syre, vilket hämmar enzymet, vilket leder till celldöd av kemisk asfyxi . Metanol , som ingår i industriell alkohol , omvandlas i kroppen till myrsyra , som även kan hämma cytokromoxidas [45] .

Kliniska och praktiska konsekvenser

Mutationer som påverkar den enzymatiska aktiviteten eller strukturen hos cytokrom c-oxidas leder till allvarliga och vanligtvis dödliga metabola störningar. Sådana störningar uppträder vanligtvis i tidig barndom och påverkar främst vävnader med hög energiförbrukning ( hjärna , hjärta, muskler). Bland de många mitokondriella sjukdomarna anses sjukdomar associerade med dysfunktion eller onormal sammansättning av cytokromoxidas vara de allvarligaste [46] .

Den stora majoriteten av cytokromoxidasdysfunktioner är associerade med mutationer i sammansättningsfaktorerna för detta komplex som kodas i kärnan. De säkerställer korrekt sammansättning och drift av komplexet och är involverade i flera vitala processer, inklusive transkription och translation av mitokondriella subenheter, bearbetning av propeptider och deras inkorporering i membranet, såväl som biosyntes av kofaktorer och deras fixering i komplexet [47 ] .

Hittills har mutationer identifierats i sju sammansättningsfaktorer: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 och LRPPRC . Mutationer i dessa proteiner kan leda till förändringar i komplexets funktion, felaktig sammansättning av subkomplex, störningar av koppartransport eller reglering av translation. En mutation i var och en av generna är associerad med etiologin för en viss sjukdom, av vilka några kan leda till flera sjukdomar. Sådana genetiska störningar inkluderar Leighs syndrom , kardiomyopati , encefalopati , leukodystrofi , anemi och sensorineural hörselnedsättning [47] .

Histokemi

Histokemisk färgning av komplex IV används för att kartlägga metaboliskt aktiva områden i hjärnan hos djur, eftersom det finns ett direkt samband mellan aktiviteten hos detta enzym och aktiviteten hos hela neuronen [48] . Sådan kartläggning utfördes på muterade möss med olika störningar i lillhjärnan , särskilt på möss från haspellinjen [49] och på en transgen modell av Alzheimers sjukdom [50] . Denna teknik har också använts för att kartlägga områden i djurhjärnan som är aktiva under inlärning [51] .

DNA-streckkodning

Sekvensen för cytokrom c-oxidas-subenhet I-genregionen (cirka 600 nukleotider lång) används i stor utsträckning i projekt relaterade till DNA-streckkodning  , d.v.s. att avgöra om en organism tillhör en viss taxon baserat på korta markörer i dess DNA [52] [53] .

Se även

• NADH-dehydrogenaskomplex
• Succinatdehydrogenas
• Cytokrom-b6f-komplex
• Cytokrom-bc1-komplex
• Respirasom

Anteckningar

1. ↑ I detta fall används Kadenbachs nomenklatur, som är accepterad för alla däggdjur.
2. ↑ Om inget annat anges uttrycks subenheten i alla vävnader.
3. ↑ Enligt numreringen av det hausseartade komplexet IV.

Källor

1. ↑ 1 2 3 4 Ermakov, 2005 , sid. 243.
2. ↑ Elena A. Gorbikova, Ilya Belevich, Mårten Wikström och Michael I. Verkhovsky. Protondonatorn för OGraphicO-bindningsklyvning av cytokrom c-oxidas  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 12 mars 2008. - Vol. 105 , nr. 31 . - P. 10733-10737 . - doi : 10.1073/pnas.0802512105 .
3. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , sid. 244.
4. ↑ 1 2 Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras, Lawrence I. Grossman. Cytokrom c-oxidas: Evolution of control via nuclear subunit addition  (engelska)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics : journal. - April 2012. - Vol. 1817 , nr. 4 . - S. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 . — PMID 21802404 .
5. ↑ 1 2 3 4 Hartmut Michel. Struktur och mekanism för Otto Warburgs respiratoriska enzym, cytokrom med oxidas  (engelska) (2013). Tillträdesdatum: 18 februari 2016.
6. ↑ Thomas L. Mason och Gottfried Schatz. Cytokrom med Oxidas från Bakers' Yeast II. PLATS FÖR ÖVERSÄTTNING AV PROTEINKOMPONENTERNA  (engelska)  // The Journal of Biological Chemistry  : tidskrift. - 25 februari. - Vol. 248 . - P. 1355-1360 .
7. ↑ David Kelin. Historien om cellandning och cytokrom . — Cambridge University Press, 1966.
8. ↑ William W. Parson. Modern optisk spektroskopi med övningar och exempel från biofysik och biokemi . - Springer, 2009. - ISBN 978-3-662-46777-0 .
9. ↑ Warburg, Otto Heinrich. Atmungsferment und Oxydasen  //  Biochemische Zeitschrift : journal. - 1929. - Vol. 214 . - S. 1-3 .
10. ↑ D. Keilin, E. F. Hartree. Cytokrom och cytokromoxidas  (engelska)  // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences  : journal. - 18 maj 1939. - Vol. 127 . - S. 167-191 . - doi : 10.1098/rspb.1939.0016 .
11. ↑ 1 2 Mårten Wikström. Active site intermediates i reduktionen av O2 av cytokromoxidas och deras derivat  //  Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - April 2012. - Vol. 1817 , nr. 4 . - s. 468-475 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2011.10.010 .
12. ↑ Biologiska oxidationer:34. Colloquium - Mosbach / Redigerad av H. Sund och V. Ullrich. — Berlin; Heidelberg; New York Tokyo: Springer-Verlag, 1983. - S. 191. - ISBN 978-3-642-69469-1 .
13. ↑ Mårten KF Wikström. Protonpump kopplad till cytokrom c-oxidas i mitokondrier.  (engelska)  // Natur: journal. - 1977 mars 17. - Vol. 266 . - s. 271-273 . - doi : 10.1038/266271a0 .
14. ↑ Peter R. Rich. Ett perspektiv på Peter Mitchell och den kemiosmotiska teorin  (engelska)  // J Bioenerg Biomembr : journal. - 2008. - Vol. 40 . - s. 407-410 . - doi : 10.1007/s10863-008-9173-7 .
15. ↑ R. Gregory. Biophysical Chemistry of Dioxygen Reactions in Respiration and Photosyntheses / Redigerad av Tore Vänngård. - Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press, 1988. - S. 36. - ISBN 0-521-36604-6 .
16. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bernhard Kadenbacha, Maik Hüttemannb. Subenhetssammansättningen och funktionen hos däggdjurscytokrom c-oxidas  (engelska)  // Mitochondrion : journal. - 2015. - September ( vol. 24 ). - S. 64-76 . - doi : 10.1016/j.mito.2015.07.002 . — PMID 26190566 .
17. ↑ Pérez-Martínez, X., Funes, S., Tolkunova, E., Davidson, E., King, MP, González-Halphen, D. Structure of nuclear-localized cox3 geners in Chlamydomonas reinhardtii och i dess färglösa nära släkting Polytomella sp  (engelska)  // Current Genetics: journal. - 2002. - Vol. 40 , nej. 2 . - s. 399-404 . - doi : 10.1007/s00294-002-0270-6 . — PMID 11919679 .
18. ↑ Taanman JW Humant cytokrom c-oxidas: struktur, funktion och brist. (engelska)  // J Bioenerg Biomembr. : journal. - 1997. - Vol. 29 , nr. 2 . - S. 151-163 . — PMID 9239540 .
19. ↑ 1 2 3 4 Ileana C. Sotoa, Flavia Fontanesib, Jingjing Liua, Antoni Barrientosa. Biogenes och sammansättning av eukaryot cytokrom med oxidaskatalytisk kärna  (engelska)  // et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - 2012. - Juni ( vol. 1817 , nr 6 ). - s. 883-897 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.005 . — PMID 21958598 .
20. ↑ Balsa E., Marco R., Perales-Clemente E., Szklarczyk R., Calvo E., Landázuri MO, Enríquez JA NDUFA4 är en subenhet av komplex IV i däggdjurselektrontransportkedjan  (engelska)  // Cell Metab. : journal. - 2012. - September ( vol. 16 , nr 3 ). - s. 378-386 . - doi : 10.1016/j.cmet.2012.07.015 . — PMID 22902835 .
21. ↑ Bernhard Kadenbacha, Maik Hüttemannb. Subenhetssammansättningen och funktionen hos däggdjurscytokrom c-oxidas  (engelska)  // Mitochondrion : journal. - 2015. - September ( vol. 15 ). - S. 64-76 . - doi : 10.1016/j.mito.2015.07.002 . — PMID 26190566 .
22. ↑ 1 2 Sone N., Takagi T. Monomer-dimer-struktur av cytokrom-c-oxidas och cytokrom bc1-komplex från den termofila bakterien PS3. (engelska)  // Biochim Biophys Acta : journal. - 1990. - November ( vol. 1020 , nr 2 ). - S. 207-212 . - doi : 10.1016/0005-2728(90)90052-6 . — PMID 2173952 .
23. ↑ 1 2 3 4 5 Amandine Maréchala, Brigitte Meunierb, David Leea, Christine Orengoa, Peter R. Richa. Yeast cytochrome c oxidase: Ett modellsystem för att studera mitokondriella former av hem–kopparoxidas superfamiljen  (engelska)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - 2012. - April ( vol. 1817 , nr 4 ). - s. 620-628 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.08.011 . — PMID 21925484 .
24. ↑ A. Harvey Millar, Holger Eubel, Lothar Jansch, Volker Kruft, Joshua L. Heazlewood, Hans-Peter Braun. Mitokondriell cytokrom med oxidas- och succinatdehydrogenaskomplex innehåller växtspecifika subenheter.  (engelska)  // Plant Mol Biol: journal. - 2004. - September ( vol. 56 , nr 1 ). - S. 77-90 . — PMID 15604729 .
25. ↑ 1 2 Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras, Lawrence I. Grossman. Cytokrom c-oxidas: Utveckling av kontroll via tillsats av nukleär subenhet. (engelska)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: tidskrift. - April 2012. - Vol. 1817 , nr. 4 . - S. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 .
26. ↑ Arnold S., Goglia F., Kadenbach B. 3,5-Diiodothyronine binder till subenheten Va av cytokrom-c-oxidas och upphäver den allosteriska hämningen av andningen av ATP. (engelska)  // Eur J Biochem. : journal. - 1998. - Vol. 252 , nr. 2 . - s. 325-330 . - doi : 10.1046/j.1432-1327.1998.2520325.x . — PMID 9523704 .
27. ↑ KM Kocha, K. Reilly, DSM Porplycia, J. McDonald, T. Snider, CD Moyes. Utveckling av syrekänsligheten hos cytokrom c oxidas subenhet 4  // American Physiological  Society : journal. - Februari 2015. - Vol. 308 , nr. 4 . - doi : 10.1152/ajpregu.00281.2014 .
28. ↑ 1 2 Tsukihara T., Aoyama H., Yamashita E., Tomizaki T., Yamaguchi H., Shinzawa-Itoh K., Nakashima R., Yaono R., Yoshikawa S. Structures of metal sites of oxidated bovine heart cytochrome c oxidas vid 2,8 A  (engelska)  // Science : journal. - 1995. - August ( vol. 269 , nr 5227 ). - P. 1069-1074 . - doi : 10.1126/science.7652554 . — PMID 7652554 .
29. ↑ Ermakov, 2005 , sid. 245.
30. ↑ 1 2 3 4 Alexander A. Konstantinov. Cytokrom c-oxidas: Mellanprodukter i den katalytiska cykeln och deras energikopplade omvandling  //  FEBS - bokstäver : journal. - Mars 2012. - Vol. 586 , nr. 5 . - s. 630-639 . - doi : 10.1016/j.febslet.2011.08.037 .
31. ↑ 1 2 Ilya Belevich & Michael Verkhovsky. Hemsida för Molecular Biophysics  Group . Hämtad: 20 februari 2016.
32. ↑ Vivek Sharmaa, Giray Enkavia, Ilpo Vattulainena, Tomasz Róga och Mårten Wikströmc. Protonkopplad elektronöverföring och vattenmolekylernas roll i protonpumpning av cytokrom c-oxidas  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - Januari 2015. - Vol. 112 , nr. 7 . - P. 2040-2045 . - doi : 10.1073/pnas.1409543112 .
33. ↑ 1 2 Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Regis Pomès. Elektrostatisk kontroll av protonpumpning i cytokrom c-oxidas  (engelska)  // BBA : journal. - Mars 2008. - Vol. 1777 , nr. 3 . - s. 277-284 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2007.11.010 .
34. ↑ Ileana C. Sotoa, Flavia Fontanesib, Jingjing Liua, Antoni Barrientos. Biogenes och sammansättning av eukaryot cytokrom med oxidaskatalytisk kärna  (engelska)  // Biochimica et Biophysica Acta : journal. - Juni 2012. - Vol. 1817 , nr. 6 . - s. 883-897 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.005 .
35. ↑ 1 2 3 4 Filipa L. Sousaa, Renato J. Alvesb, Miguel A. Ribeiroa, José B. Pereira-Lealb, Miguel Teixeiraa, Manuela M. Pereiraa. Superfamiljen av hem-kopparsyrereduktaser: Typer och evolutionära överväganden  (engelska)  // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics: journal. - April 2012. - Vol. 1817 , nr. 4 . - s. 629-637 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.09.020 .
36. ↑ 1 2 3 4 5 Hemp J., Gennis RB. Mångfalden av hem-koppar superfamiljen i archaea: insikter från genomik och strukturell modellering. (eng.)  // Resultat Probl Cell Differ. : journal. - 2008. - Vol. 45 . - S. 1-31 . - doi : 10.1007/400_2007_046. . — PMID 18183358 .
37. ↑ Shinya Yoshikawa och Atsuhiro Shimada. Reaktionsmekanism för cytokrom med oxidas  (engelska)  // Chem. Varv. : journal. - 2015. - Vol. 115 , nr. 4 . - P. 1936-1989 . - doi : 10.1021/cr500266a .
38. ↑ Sergey A. Siletsky, Ilya Belevich, Audrius Jasaitis, Alexander A. Konstantinov, Mårten Wikström. Tidslöst enkelomsättning av ba3-oxidas från Thermus thermophilus  (engelska)  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — 2007-12. — Vol. 1767 , iss. 12 . - P. 1383-1392 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2007.09.010 .
39. ↑ Sergey A. Siletsky, Ilya Belevich, Nikolai P. Belevich, Tewfik Soulimane, Mårten Wikström. Tidsupplöst generering av membranpotential av ba-cytokrom c-oxidas från Thermus thermophilus kopplat till enkelelektroninjektion i O- och OH-tillstånden   // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics . — 2017-11. — Vol. 1858 , iss. 11 . — S. 915–926 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2017.08.007 .
40. ↑ 1 2 Sadacharan SK, Singh B., Bowes T., Gupta RS Lokalisering av mitokondriellt DNA-kodat cytokrom med oxidassubenheter I och II i bukspottkörtelzymogengranuler från råtta och hypofysväxthormongranuler  (engelska)  // Histochem. Cell biol. : journal. - 2005. - Vol. 124 , nr. 5 . - s. 409-421 . - doi : 10.1007/s00418-005-0056-2 . — PMID 16133117 .
41. ↑ Gupta RS, Ramachandra NB, Bowes T., Singh B. Ovanlig cellulär disposition av de mitokondriella molekylära chaperonerna Hsp60, Hsp70 och Hsp10  //  Novartis Found. Symp. : journal. - 2008. - Vol. 291 . - s. 59-68; diskussion 69-73, 137-40 . - doi : 10.1002/9780470754030.ch5 . — PMID 18575266 .
42. ↑ 1 2 Soltys BJ, Gupta RS Mitokondriella proteiner på oväntade cellulära platser: export av proteiner från mitokondrier ur ett evolutionärt perspektiv   // Int . Varv. Cytol. : journal. - 2000. - Vol. 194 . - S. 133-196 . - doi : 10.1016/s0074-7696(08)62396-7 . — PMID 10494626 .
43. ↑ Soltys BJ, Gupta RS Mitokondriella-matrisproteiner på oväntade platser: exporteras de? (engelska)  // Trends Biochem. sci. : journal. - 1999. - Vol. 24 , nr. 5 . - S. 174-177 . - doi : 10.1016/s0968-0004(99)01390-0 . — PMID 10322429 .
44. ↑ Alonso JR, Cardellach F., López S., Casademont J., Miró O. Kolmonoxid hämmar specifikt cytokrom c-oxidas från human mitokondriell respiratorisk kedja   // Pharmacol . Toxicol. : journal. - 2003. - September ( vol. 93 , nr 3 ). - S. 142-146 . - doi : 10.1034/j.1600-0773.2003.930306.x . — PMID 12969439 .
45. ↑ Chris E. Cooper & Guy C. Brown. Hämningen av mitokondriell cytokromoxidas av gaserna kolmonoxid, kväveoxid, vätecyanid och vätesulfid: kemisk mekanism och fysiologisk betydelse  (engelska)  // Bioenerg Biomembr : tidskrift. - 2008. - Oktober ( vol. 40 ). - S. 533-539 . - doi : 10.1007/s10863-008-9166-6 .
46. ↑ Pecina P., Houstková H., Hansíková H., Zeman J., Houstek J. Genetiska defekter av cytochrome c oxidase assembly  (neopr.)  // Physiol Res. - 2004. - T. 53 Suppl 1 . - S. S213-23 . — PMID 15119951 .
47. ↑ 1 2 Zee JM, Glerum DM Defekter i cytokromoxidassammansättning hos människor: lärdomar från jäst   // Biochem . Cell biol. : journal. - 2006. - December ( vol. 84 , nr 6 ). - P. 859-869 . - doi : 10.1139/o06-201 . — PMID 17215873 .
48. ↑ Wong-Riley MT Cytokromoxidas: en endogen metabolisk markör för neuronal aktivitet. (engelska)  // Trender Neurosci. : journal. - 1989. - Vol. 12 , nr. 3 . - S. 94-111 . - doi : 10.1016/0166-2236(89)90165-3 . — PMID 2469224 .
49. ↑ Strazielle C., Hayzoun K., Derer M., Mariani J., Lalonde R. Regionala hjärnvariationer av cytokromoxidasaktivitet i Relnrl-orl mutantmöss. (engelska)  // J. Neurosci. Res. : journal. - 2006. - April ( vol. 83 , nr 5 ). - s. 821-831 . - doi : 10.1002/jnr.20772 . — PMID 16511878 .
50. ↑ Strazielle C., Sturchler-Pierrat C., Staufenbiel M., Lalonde R. Regional hjärncytokromoxidasaktivitet i transgena möss av beta-amyloidprekursorprotein med den svenska mutationen. (engelska)  // Neurovetenskap : journal. - Elsevier , 2003. - Vol. 118 , nr. 4 . - P. 1151-1163 . - doi : 10.1016/S0306-4522(03)00037-X . — PMID 12732258 .
51. ↑ Conejo NM, Gonzalez-Pardo H., Gonzalez-Lima F., Arias JL Spatial inlärning av vattenlabyrinten: progression av hjärnkretsar kartlagda med cytokromoxidashistokemi. (engelska)  // Neurobiol. lära sig. Mem. : journal. - 2010. - Vol. 93 , nr. 3 . - s. 362-371 . - doi : 10.1016/j.nlm.2009.12.002 . — PMID 19969098 .
52. ↑ Paul D.N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. Biologiska identifieringar genom DNA-streckkoder  (engelska)  // Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences  : journal. - Februari 2003. - Vol. 270 , nr. 1512 . - s. 313-321 . - doi : 10.1098/rspb.2002.2218 .
53. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 år sedan införandet av DNA-streckkodning: från teori till tillämpning  //  Journal of Applied Genetics : tidskrift. - Februari 2014. - Vol. 55 , nr. 1 . - S. 43-52 . — ISSN 2190-3883 . - doi : 10.1007/s13353-013-0180-y .

Litteratur

• Plant Physiology / Ed. I. P. Ermakova. - M . : Akademin, 2005. - 634 sid.
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehningers Fundamentals of Biochemistry. Bioenergetik och metabolism. = Leninger Principles of Biochemistry. — Binom. Kunskapslaboratoriet, 2012. - V. 2. - S. 344. - 692 sid. — (Den bästa utländska läroboken). — ISBN 978-5-94774-365-4 .

Länkar

• Instituto Gulbenkian de Ciência & Universidade Nova de Lisboa. Hem-koppar syrereduktaser (HCO) klassificerare (2009-2010). (obestämd)
• UMich Orientering av proteiner i membranfamiljer /superfamilj-4
• MeSH Cytokrom-c+oxidas