Cytokrom c oksidase - Cytochrome c oxidase
Cytokrom c oksidase | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identifikatorer | |||||||||
EF -nr. | 1.9.3.1 | ||||||||
CAS -nr. | 9001-16-5 | ||||||||
Databaser | |||||||||
IntEnz | IntEnz -visning | ||||||||
BRENDA | BRENDA -oppføring | ||||||||
ExPASy | NiceZyme utsikt | ||||||||
KEGG | KEGG -oppføring | ||||||||
MetaCyc | metabolsk vei | ||||||||
PRIAM | profil | ||||||||
PDB -strukturer | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
Genontologi | AmiGO / QuickGO | ||||||||
|
Cytokrom c oksidase | |
---|---|
Identifikatorer | |
Symbol | Cytokrom c oksidase |
OPM superfamilie | 4 |
OPM -protein | 2dyr |
Membranome | 257 |
Den enzymet cytokrom c oksidase eller kompleks IV , EC 1.9.3.1 , er et stort transmembranprotein kompleks som finnes i bakterier , archaea , og mitokondrier i eukaryoter .
Det er det siste enzymet i respiratoriske elektrontransportkjeder av celler som ligger i membranen. Den mottar et elektron fra hvert av fire cytokrom c -molekyler, og overfører dem til ett dioksymolekyl, og omdanner det molekylære oksygenet til to molekyler vann. I denne prosessen binder den fire protoner fra den indre vandige fasen for å lage to vannmolekyler, og translokerer ytterligere fire protoner over membranen, noe som øker transmembranforskjellen mellom protonens elektrokjemiske potensial som ATP -syntasen deretter bruker til å syntetisere ATP .
Struktur
Komplekset
Komplekset er et stort integrert membranprotein sammensatt av flere metallproteser og 14 proteinunderenheter hos pattedyr. Hos pattedyr er elleve underenheter kjernefysiske, og tre syntetiseres i mitokondriene. Komplekset inneholder to hemer , et cytokrom a og cytokrom a 3 , og to kobbersentre , Cu A- og Cu B -sentrene. Faktisk danner cytokrom a 3 og Cu B et binukleært senter som er stedet for oksygenreduksjon. Cytokrom c , som reduseres med den foregående komponenten i respirasjonskjeden (cytokrom bc1 -kompleks, kompleks III), legger til kai nær Cu A binukleær senter og sender et elektron til den, og blir oksidert tilbake til cytokrom c som inneholder Fe 3+ . Det reduserte Cu A binukleære senteret sender nå et elektron videre til cytokrom a, som igjen sender et elektron videre til cytokromet et 3 -Cu B binukleært senter. De to metallionene i dette binukleære senteret er 4,5 Å fra hverandre og koordinerer et hydroksidion i fullstendig oksidert tilstand.
Krystallografiske studier av cytokrom c-oksidase viser en uvanlig post-translasjonell modifikasjon, som kobler C6 til Tyr (244) og ε-N til His (240) (nummerering av storfeenzym). Det spiller en avgjørende rolle i å gjøre cytokrom et 3 - Cu B binukleært senter i stand til å akseptere fire elektroner for å redusere molekylært oksygen til vann . Reduksjonsmekanismen ble tidligere antatt å involvere et peroksydmellomprodukt , som antas å føre til superoksidproduksjon . Imidlertid innebærer den nåværende aksepterte mekanismen en rask reduksjon på fire elektroner som involverer umiddelbar oksygen-oksygenbindingsspaltning, og unngår ethvert mellomprodukt som sannsynligvis vil danne superoksid.
De bevarte underenhetene
Nei. | Navn på underenhet | Menneskelig protein | Proteinbeskrivelse fra UniProt | Pfam -familie med humant protein |
---|---|---|---|---|
1 | Cox1 | COX1_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 1 | Pfam PF00115 |
2 | Cox2 | COX2_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 2 | Pfam PF02790 , Pfam PF00116 |
3 | Cox3 | COX3_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 3 | Pfam PF00510 |
4 | Cox4i1 | COX41_HUMAN | Cytokrom c oksidase underenhet 4 isoform 1, mitokondriell | Pfam PF02936 |
5 | Cox4a2 | COX42_HUMAN | Cytokrom c oksidase underenhet 4 isoform 2, mitokondriell | Pfam PF02936 |
6 | Cox5a | COX5A_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 5A, mitokondriell | Pfam PF02284 |
7 | Cox5b | COX5B_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 5B, mitokondriell | Pfam PF01215 |
8 | Cox6a1 | CX6A1_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 6A1, mitokondriell | Pfam PF02046 |
9 | Cox6a2 | CX6A2_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 6A2, mitokondriell | Pfam PF02046 |
10 | Cox6b1 | CX6B1_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 6B1 | Pfam PF02297 |
11 | Cox6b2 | CX6B2_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 6B2 | Pfam PF02297 |
12 | Cox6c | COX6C_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 6C | Pfam PF02937 |
1. 3 | Cox7a1 | CX7A1_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 7A1, mitokondriell | Pfam PF02238 |
14 | Cox7a2 | CX7A2_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 7A2, mitokondriell | Pfam PF02238 |
15 | Cox7a3 | COX7S_HUMAN | Antatt cytokrom c oksidase -underenhet 7A3, mitokondriell | Pfam PF02238 |
16 | Cox7b | COX7B_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 7B, mitokondriell | Pfam PF05392 |
17 | Cox7c | COX7C_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 7C, mitokondriell | Pfam PF02935 |
18 | Cox7r | COX7R_HUMAN | Cytokrom c oksidase-underenhet 7A-relatert protein, mitokondrielt | Pfam PF02238 |
19 | Cox8a | COX8A_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 8A, mitokondriell P | Pfam PF02285 |
20 | Cox8c | COX8C_HUMAN | Cytokrom c oksidase -underenhet 8C, mitokondriell | Pfam PF02285 |
Monteringsenheter | ||||
1 | Coa1 | COA1_HUMAN | Cytokrom c oksidasemontasjefaktor 1 homolog | Pfam PF08695 |
2 | Coa3 | COA3_HUMAN | Cytokrom c oksidasemontasjefaktor 3 homolog, mitokondriell | Pfam PF09813 |
3 | Coa4 | COA4_HUMAN | Cytokrom c oksidasemontasjefaktor 4 homolog, mitokondriell | Pfam PF06747 |
4 | Coa5 | COA5_HUMAN | Cytokrom c oksidasemontasjefaktor 5 | Pfam PF10203 |
5 | Coa6 | COA6_HUMAN | Cytokrom c oksidasemontasjefaktor 6 homolog | Pfam PF02297 |
6 | Coa7 | COA7_HUMAN | Cytokrom c oksidase samlingsfaktor 7, | Pfam PF08238 |
7 | Cox11 | COX11_HUMAN | Cytokrom c -oksidasesamlingsprotein COX11 mitokondrielt | Pfam PF04442 |
8 | Cox14 | COX14_HUMAN | Cytokrom c oksidasesamlingsprotein | Pfam PF14880 |
9 | Cox15 | COX15_HUMAN | Cytokrom c oksidasesamling protein COX15 homolog | Pfam PF02628 |
10 | Cox16 | COX16_HUMAN | Cytokrom c oksidasesamling protein COX16 homolog mitokondrielt | Pfam PF14138 |
11 | Cox17 | COX17_HUMAN | Cytokrom c oksidase kobberchaperone | Pfam PF05051 |
12 | Cox18 | COX18_HUMAN | Mitokondrielt indre membranprotein (cytokrom c -oksidasesammensetningsprotein 18) | Pfam PF02096 |
1. 3 | Cox19 | COX19_HUMAN | Cytokrom c oksidasesamlingsprotein | Pfam PF06747 |
14 | Cox20 | COX20_HUMAN | Cytokrom c oksidaseprotein 20 homolog | Pfam PF12597 |
montering
COX -montering i gjær er en kompleks prosess som ikke er helt forstått på grunn av den raske og irreversible aggregeringen av hydrofobe underenheter som danner holoenzymkomplekset, samt aggregering av mutante underenheter med utsatte hydrofobe flekker. COX -underenheter er kodet i både atom- og mitokondrielle genomer. De tre underenhetene som danner COX katalytisk kjerne er kodet i mitokondrielle genom.
Hemes og kofaktorer settes inn i underenhetene I & II. De to hemmolekylene befinner seg i underenhet I, og hjelper til med transport til underenhet II der to kobbermolekyler hjelper med fortsatt overføring av elektroner. Underenheter I og IV starter montering. Ulike underenheter kan knytte seg til å danne subkomplekse mellomprodukter som senere binder seg til andre underenheter for å danne COX-komplekset. Ved endringer etter montering vil COX danne en homodimer. Dette er nødvendig for aktivitet. Begge dimerer er forbundet med et kardiolipinmolekyl , som har vist seg å spille en nøkkelrolle i stabilisering av holoenzymkomplekset. Dissosiasjonen av underenhetene VIIa og III i forbindelse med fjerning av kardiolipin resulterer i totalt tap av enzymaktivitet. Det er kjent at underenheter kodet i kjernegenomet spiller en rolle i enzymdimerisering og stabilitet. Mutasjoner til disse underenhetene eliminerer COX -funksjonen.
Montering er kjent for å skje i minst tre forskjellige hastighetsbestemmende trinn. Produktene fra disse trinnene er funnet, selv om spesifikke underenhetssammensetninger ikke er bestemt.
Syntese og montering av COX -underenhetene I, II og III tilrettelegges av translasjonsaktivatorer, som samhandler med de 5 'utranslaterte områdene i mitokondrielle mRNA -transkripsjoner. Translasjonsaktivatorer er kodet i kjernen. De kan operere gjennom enten direkte eller indirekte interaksjon med andre komponenter i oversettelsesmaskiner, men eksakte molekylære mekanismer er uklare på grunn av vanskeligheter forbundet med å syntetisere oversettelsesmaskiner in vitro. Selv om interaksjonene mellom underenhetene I, II og III som er kodet i mitokondrielle genom, gir et mindre bidrag til enzymstabilitet enn interaksjoner mellom bigenomiske underenheter, er disse underenhetene mer konserverte, noe som indikerer potensielle uutforskede roller for enzymaktivitet.
Biokjemi
Oppsummerende reaksjon:
- 4 Fe 2+ -cytokrom c + 4 H + inn + O 2 → 4 Fe 3+ -cytokrom c + 2 H 2 O + 4 H + ut
To elektroner føres fra to cytokrom c'er, gjennom Cu A og cytokrom a -stedene til cytokrom a 3 - Cu B binukleært senter, og reduserer metallene til Fe 2+ -formen og Cu + . Hydroksidliganden protoneres og går tapt som vann, og danner et tomrom mellom metallene som fylles av O 2 . Oksygenet reduseres raskt, med to elektroner som kommer fra Fe 2+ cytokrom a 3 , som omdannes til ferrylokso -formen (Fe 4+ = O). Oksygenatomet nær Cu B henter ett elektron fra Cu + , og et andre elektron og et proton fra hydroksylet til Tyr (244), som blir et tyrosylradikal. Det andre oksygenet omdannes til et hydroksydion ved å plukke opp to elektroner og et proton. Et tredje elektron som stammer fra et annet cytokrom c føres gjennom de to første elektronbærerne til cytokrom a 3 - Cu B binukleært senter, og dette elektronet og to protoner omdanner tyrosylradikalet tilbake til Tyr, og hydroksidet bundet til Cu B 2+ til et vannmolekyl. Det fjerde elektronet fra et annet cytokrom c strømmer gjennom Cu A og cytokrom a til cytokrom a 3 - Cu B binukleært senter, reduserer Fe 4+ = O til Fe 3+ , med oksygenatomet som tar opp et proton samtidig, og regenererer dette oksygenet som et hydroksydion koordinert i midten av cytokromet et 3 - Cu B -senter slik det var ved starten av denne syklusen. Nettprosessen er at fire reduserte cytokrom c -er brukes, sammen med 4 protoner, for å redusere O 2 til to vannmolekyler.
Inhibering
COX eksisterer i tre konformasjonstilstander: fullstendig oksidert (pulserende), delvis redusert og fullt redusert. Hver hemmer har en høy affinitet til en annen tilstand. I pulserende tilstand oksyderes både hem a 3 og Cu B atomkjernene; dette er konformasjonen til enzymet som har den høyeste aktiviteten. En reduksjon på to elektroner starter en konformasjonsendring som gjør at oksygen kan binde seg på det aktive stedet til det delvis reduserte enzymet. Fire elektroner binder seg til COX for å redusere enzymet fullt ut. Dens fullt reduserte tilstand, som består av en redusert Fe 2+ ved cytokrom a 3 hem -gruppen og et redusert Cu B + binukleært senter, regnes som enzymets inaktive eller hvilende tilstand.
Cyanid , azid og karbonmonoksid binder seg alle til cytokrom c -oksidase, noe som hemmer proteinet fra å fungere og fører til kjemisk kvelning av celler. Høyere konsentrasjoner av molekylært oksygen er nødvendig for å kompensere for økende hemmerkonsentrasjoner, noe som fører til en total reduksjon i metabolsk aktivitet i cellen i nærvær av en hemmer. Andre ligander, som nitrogenoksid og hydrogensulfid, kan også hemme COX ved å binde seg til regulatoriske steder på enzymet, noe som reduserer frekvensen av cellulær respirasjon.
Cyanid er en ikke-konkurransedyktig hemmer for COX, som binder seg med høy affinitet til enzymets delvis reduserte tilstand og hindrer ytterligere reduksjon av enzymet. I pulserende tilstand binder cyanid sakte, men med høy affinitet. Liganden er posisjonert for å elektrostatisk stabilisere begge metallene samtidig ved å posisjonere seg mellom dem. En høy nitrogenoksidkonsentrasjon, slik som en som tilføres eksogent til enzymet, reverserer cyanidhemming av COX.
Nitrogenoksid kan reversibelt binde seg til metallion i det binukleære senteret for å bli oksidert til nitritt. NO og CN - vil konkurrere med oksygen om å binde seg på stedet, noe som reduserer cellulær respirasjon. Endogen NO, derimot, som er produsert ved lavere nivåer, forsterker CN - inhibering. Høyere nivåer av NO, som korrelerer med eksistensen av mer enzym i redusert tilstand, fører til en større hemming av cyanid. Ved disse basalkonsentrasjonene er det kjent at ingen hemming av kompleks IV har gunstige effekter, for eksempel å øke oksygennivået i blodkarvev. Enzymets manglende evne til å redusere oksygen til vann resulterer i en opphopning av oksygen, som kan diffundere dypere inn i omkringliggende vev. INGEN hemming av kompleks IV har en større effekt ved lavere oksygenkonsentrasjoner, noe som øker dets bruk som vasodilatator i behovsvev.
Hydrogensulfid vil binde COX på en ikke -konkurransedyktig måte på et reguleringssted på enzymet, i likhet med karbonmonoksid. Sulfid har den høyeste affinitet til enten de pulserende eller delvis reduserte tilstandene til enzymet, og er i stand til delvis å redusere enzymet ved hem a 3 sentrum. Det er uklart om endogene H 2 S-nivåer er tilstrekkelig til å inhibere enzymet. Det er ingen interaksjon mellom hydrogensulfid og den fullt reduserte konformasjonen av COX.
Metanol i sprit omdannes til maursyre , som også hemmer det samme oksidasystemet. Høye nivåer av ATP kan allosterisk hemme cytokrom c -oksidase, bindende fra mitokondriell matrise.
Ekstramitokondrielle og subcellulære lokaliseringer
Cytokrom c oksidase har 3 underenheter som er kodet av mitokondrielt DNA (cytokrom c oksidase underenhet I , underenhet II og underenhet III ). Av disse 3 underenhetene som er kodet av mitokondrielt DNA, har to blitt identifisert på ekstramitokondrielle steder. I bukspyttkjertelen acinarvev ble disse underenhetene funnet i zymogengranulat . I tillegg ble det i den fremre hypofysen funnet relativt høye mengder av disse underenhetene i veksthormonsekretoriske granuler. Den ekstramitokondriale funksjonen til disse cytokrom c -oksidase -underenhetene har ennå ikke blitt karakterisert. Foruten cytokrom c -oksidase -underenheter har ekstramitokondriell lokalisering også blitt observert for et stort antall andre mitokondrielle proteiner. Dette øker muligheten for eksistensen av ennå uidentifiserte spesifikke mekanismer for proteintranslokasjon fra mitokondrier til andre mobildestinasjoner.
Genetiske defekter og lidelser
Defekter som involverer genetiske mutasjoner som endrer funksjonalitet eller struktur for cytokrom c -oksidase (COX) kan resultere i alvorlige, ofte dødelige metabolske forstyrrelser . Slike lidelser manifesterer seg vanligvis i tidlig barndom og påvirker hovedsakelig vev med høye energibehov (hjerne, hjerte, muskler). Blant de mange klassifiserte mitokondrielle sykdommene antas de som involverer dysfunksjonell COX -montering å være den mest alvorlige.
De aller fleste COX-lidelser er knyttet til mutasjoner i kjernekodede proteiner referert til som samlingsfaktorer eller samlingsproteiner. Disse monteringsfaktorene bidrar til COX-struktur og funksjonalitet, og er involvert i flere viktige prosesser, inkludert transkripsjon og oversettelse av mitokondrionkodede underenheter, behandling av preproteiner og membraninnsetting, og kofaktorbiosyntese og inkorporering.
Foreløpig er mutasjoner identifisert i syv COX -forsamlingsfaktorer : SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 og LRPPRC . Mutasjoner i disse proteinene kan resultere i endret funksjonalitet for subkompleks montering, kobbertransport eller translasjonsregulering. Hver genmutasjon er assosiert med etiologien til en bestemt sykdom, med noen som har implikasjoner ved flere lidelser. Lidelser som involverer dysfunksjonell COX -samling via genmutasjoner inkluderer Leigh syndrom , kardiomyopati , leukodystrofi , anemi og sensorineural døvhet .
Histokjemi
Neurons økte avhengighet av oksidativ fosforylering for energi letter bruken av COX -histokjemi ved kartlegging av regional hjernemetabolisme hos dyr, siden det etablerer en direkte og positiv sammenheng mellom enzymaktivitet og nevronaktivitet. Dette kan sees i sammenhengen mellom COX -enzymmengde og aktivitet, noe som indikerer regulering av COX på nivået av genuttrykk. COX -distribusjon er inkonsekvent på tvers av forskjellige områder av dyrehjernen, men fordelingsmønsteret er konsistent på tvers av dyr. Dette mønsteret har blitt observert i ape-, mus- og kalvhjernen. Ett isozym av COX har blitt påvist konsekvent i histokjemisk analyse av hjernen.
Slik hjernekartlegging er oppnådd hos spontane mutante mus med cerebellar sykdom som reeler og en transgen modell av Alzheimers sykdom . Denne teknikken har også blitt brukt til å kartlegge læringsaktivitet i dyrehjernen.
Flere bilder
Se også
- Cytokrom c oksidase -underenhet I
- Cytokrom c oksidase -underenhet II
- Cytokrom c oksidase -underenhet III
- Heme a
Referanser
Eksterne linker
- Cytokromoksidase -hjemmesiden ved Rice University
- Interaktiv molekylær modell av cytokrom c -oksidase (krever MDL -klokkeslett )
- UMich Orientation of Proteins in Membranes families/superfamily-4
- Cytochrome-c+Oxidase ved US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)