Cytokrom c-oxidas
| Cytokrom c-oxidas | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Kristallstrukturen hos bovint cytokrom c -oxidas i ett fosfolipiddubbelskikt. Intermembranutrymmet ligger till toppen av bilden. Anpassad från (Det är en homodimer i denna struktur)
| |||||||||
| Identifiers | |||||||||
| EG nr. | 1.9.3.1 | ||||||||
| CAS-nr. | 9001-16-5 | ||||||||
| Databaser | |||||||||
| IntEnz | IntEnz-vy | ||||||||
| BRENDA | BRENDA inträde | ||||||||
| ExPASy | NiceZyme-vy | ||||||||
| KEGG | KEGG inträde | ||||||||
| MetaCyc | Metabolisk väg | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| PDB- strukturer | RCSB PDB PDBe PDB summa | ||||||||
| Genontologi | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
| Cytokrom c-oxidas | |
|---|---|
 underenheter I och II av komplex IV exklusive alla andra underenheter, <a i=2>identifierare
| |
| Identifiers | |
| Symbol | Cytokrom c-oxidas |
| OPM superfamilj | 4 |
| OPM-protein | 2dyr |
| Membran | 257 |
Enzymet cytokrom c-oxidas eller komplex IV , (var EC 1.9.3.1 , nu omklassificerat som ett translokas EC 7.1.1.9 ) är ett stort transmembranproteinkomplex som finns i bakterier , arkéer och mitokondrier hos eukaryoter .
Det är det sista enzymet i den respiratoriska elektrontransportkedjan av celler som finns i membranet . Den tar emot en elektron från var och en av fyra cytokrom c- molekyler och överför dem till en syremolekyl och fyra protoner , vilket producerar två molekyler vatten. Förutom att binda de fyra protonerna från den inre vattenfasen, transporterar den ytterligare fyra protoner över membranet, vilket ökar transmembranskillnaden i protonelektrokemisk potential , som ATP-syntaset sedan använder för att syntetisera ATP .
Strukturera
Komplexet
Komplexet är ett stort integrerat membranprotein som består av flera metallprotesställen och 14 proteinsubenheter hos däggdjur. Hos däggdjur är elva underenheter ursprungligen nukleära och tre syntetiseras i mitokondrierna. Komplexet innehåller två hemer , en cytokrom a och cytokrom a3 , 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 av den föregående komponenten i andningskedjan (cytokrom bc1-komplex, komplex III), hamnar nära det binukleära Cu A -centrumet och skickar en elektron till det och oxideras tillbaka till cytokrom c innehållande Fe 3+ . Det reducerade Cu A binukleära centret skickar nu en elektron vidare till cytokrom a, som i sin tur skickar en elektron vidare till cytokrom a 3 >-Cu B binukleärt centrum. De två metalljonerna i detta binukleära centrum är 4,5 Å ifrån varandra och koordinerar en hydroxidjon i helt oxiderat tillstånd.
Kristallografiska studier av cytokrom c-oxidas visar en ovanlig posttranslationell modifiering, som länkar C6 för Tyr(244) och e-N för His(240) (nötkreatursenzymnumrering). Det spelar en avgörande roll för att göra det möjligt för cytokrom ett 3 - Cu B binukleärt centrum att acceptera fyra elektroner för att reducera molekylärt syre och fyra protoner till vatten. Reduktionsmekanismen ansågs tidigare involvera en peroxidmellanprodukt , vilket antogs leda till superoxidproduktion . Den för närvarande accepterade mekanismen involverar emellertid en snabb fyra-elektronreduktion som involverar omedelbar syre-syrebindningsklyvning, vilket undviker alla mellanprodukter som sannolikt bildar superoxid.
De konserverade underenheterna
| Nej. | Namn på underenhet | Mänskligt protein | Proteinbeskrivning från UniProt | Pfam familj med humant protein |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Cox1 | COX1_HUMAN | Cytokrom c oxidas underenhet 1 | Pfam PF00115 |
| 2 | Cox2 | COX2_HUMAN | Cytokrom c oxidas subenhet 2 | Pfam PF02790 , Pfam PF00116 |
| 3 | Cox3 | COX3_HUMAN | Cytokrom c oxidas underenhet 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 | Förmodad cytokrom c-oxidassubenhet 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, mitokondriell | 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 |
| Montering av underenheter | ||||
| 1 | Coa1 | COA1_HUMAN | Cytokrom c-oxidasmonteringsfaktor 1 homolog | Pfam PF08695 |
| 2 | Coa3 | COA3_HUMAN | Cytokrom c oxidas assembly factor 3 homolog, mitokondriell | Pfam PF09813 |
| 3 | Coa4 | COA4_HUMAN | Cytokrom c oxidas assembly factor 4 homolog, mitokondriell | Pfam PF06747 |
| 4 | Coa5 | COA5_HUMAN | Cytokrom c oxidas monteringsfaktor 5 | Pfam PF10203 |
| 5 | Coa6 | COA6_HUMAN | Cytokrom c-oxidasmonteringsfaktor 6 homolog | Pfam PF02297 |
| 6 | Coa7 | COA7_HUMAN | Cytokrom c oxidas monteringsfaktor 7, | Pfam PF08238 |
| 7 | Cox11 | COX11_HUMAN | Cytokrom c-oxidassammansättningsprotein COX11 mitokondrie | Pfam PF04442 |
| 8 | Cox14 | COX14_HUMAN | Cytokrom c-oxidassammansättningsprotein | Pfam PF14880 |
| 9 | Cox15 | COX15_HUMAN | Cytokrom c-oxidassammansättningsprotein COX15-homolog | Pfam PF02628 |
| 10 | Cox16 | COX16_HUMAN | Cytokrom c-oxidassammansättningsprotein COX16 homolog mitokondrie | Pfam PF14138 |
| 11 | Cox17 | COX17_HUMAN | Cytokrom c oxidas koppar chaperone | Pfam PF05051 |
| 12 | Cox18 | COX18_HUMAN | Mitokondriellt inre membranprotein (cytokrom c oxidas assembly protein 18) | Pfam PF02096 |
| 13 | Cox19 | COX19_HUMAN | Cytokrom c-oxidassammansättningsprotein | Pfam PF06747 |
| 14 | Cox20 | COX20_HUMAN | Cytokrom c-oxidasprotein 20 homolog | Pfam PF12597 |
hopsättning
COX-sammansättning i jäst är en komplex process som inte är helt förstådd på grund av den snabba och irreversibla aggregeringen av hydrofoba subenheter som bildar holoenzymkomplexet, såväl som aggregering av mutanta subenheter med exponerade hydrofoba fläckar. COX-subenheter är kodade i både nukleära och mitokondriella genomet. De tre underenheterna som bildar den COX katalytiska kärnan är kodade i mitokondriella genomet.
Hemer och kofaktorer infogas i subenheter I & II. De två hemmolekylerna finns i subenhet I och hjälper till med transporten till subenhet II där två kopparmolekyler hjälper till med den fortsatta överföringen av elektroner. Subenheter I och IV initierar montering. Olika subenheter kan associeras för att bilda subkomplexa intermediärer som senare binder till andra subenheter för att bilda COX-komplexet. Vid modifieringar efter montering kommer COX att bilda en homodimer. Detta krävs för aktivitet. Dimerer är förbundna med en kardiolipinmolekyl , som har visat sig spela en nyckelroll i stabiliseringen av holoenzymkomplexet. Dissociationen av subenheterna VIIa och III i samband med avlägsnandet av kardiolipin resulterar i total förlust av enzymaktivitet. Subenheter som kodas i det nukleära genomet är kända för att spela en roll i enzymdimerisering och stabilitet. Mutationer till dessa subenheter eliminerar COX-funktionen.
Sammansättning är känd för att ske i åtminstone tre distinkta hastighetsbestämmande steg. Produkterna från dessa steg har hittats, även om specifika subenhetskompositioner inte har bestämts.
Syntes och sammansättning av COX-subenheter I, II och III underlättas av translationella aktivatorer, som interagerar med de 5'-otranslaterade regionerna av mitokondriella mRNA-transkript. Translationella aktivatorer är kodade i kärnan. De kan fungera genom antingen direkt eller indirekt interaktion med andra komponenter i översättningsmaskineri, men exakta molekylära mekanismer är oklara på grund av svårigheter förknippade med att syntetisera översättningsmaskiner in vitro. Även om interaktionerna mellan subenheter I, II och III som kodas inom mitokondriernas genom ger ett mindre bidrag till enzymstabilitet än interaktioner mellan bigenomiska subenheter, är dessa subenheter mer konserverade, vilket indikerar potentiella outforskade roller för enzymaktivitet.
Biokemi
Den övergripande reaktionen är
- 4 Fe 2+ – cytokrom c + 4 H + + O 2 → 4 Fe 3+ – cytokrom c + 2 H 2 O Δ f G o ' = - 218 kJ/mol
Två elektroner passerar från två cytokrom c, genom Cu A- och cytokrom a-ställena till cytokrom ett 3 -Cu B -binukleärt centrum, vilket reducerar metallerna till Fe 2+ -formen och Cu + . Hydroxidliganden protoneras och går förlorad som vatten, vilket skapar ett tomrum mellan metallerna som fylls av 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 av 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 från en annan cytokrom c leds genom de två första elektronbärarna till cytokrom a 3 -Cu B binukleärt 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 binukleärt centrum, vilket reducerar Fe 4+ =O till Fe 3+ , med syreatomen som samtidigt plockar upp en proton och regenererar detta syre som en hydroxidjon koordinerad i mitten av cytokrom ett 3 - Cu B -centrum som det var i början av denna cykel. Totalt sett oxideras fyra reducerade cytokrom c medan O 2 och fyra protoner reduceras till två vattenmolekyler.
Hämning
COX finns i tre konformationstillstånd: helt oxiderad (pulsad), delvis reducerad och helt reducerad. Varje inhibitor har en hög affinitet till ett annat tillstånd. oxideras både hem a 3 och Cu B kärncentra; detta är konformationen av det enzym som har högst aktivitet. En tvåelektronreduktion initierar en konformationsförändring som tillåter syre att binda vid 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 en 3 hemgrupp och ett reducerat Cu B + binukleärt 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 inhibitorkoncentrationer, vilket leder till en total minskning av metabolisk aktivitet i cellen i närvaro av en inhibitor. Andra ligander, såsom kväveoxid och vätesulfid, kan också hämma COX genom att binda till regulatoriska platser på enzymet, vilket minskar hastigheten för cellandning.
Cyanid är en icke-kompetitiv hämmare för COX, binder med hög affinitet till det delvis reducerade tillståndet av enzymet och hindrar ytterligare reduktion av enzymet. I pulsat tillstånd binder cyanid långsamt, men med hög affinitet. Liganden är placerad för att elektrostatiskt stabilisera båda metallerna på en gång genom att placera sig mellan dem. En hög kväveoxidkoncentration, såsom en tillsatt exogent till enzymet, reverserar cyanidinhibering av COX.
Kväveoxid kan reversibelt binda till endera metalljonen i det binukleära centrumet för att oxideras till nitrit. NO och CN − kommer att tävla med syre för att binda på platsen, vilket minskar hastigheten för cellandning. Endogent NO, som produceras vid lägre nivåer, ökar emellertid CN - hämningen. Högre nivåer av NO, som korrelerar med förekomsten av mer enzym i reducerat tillstånd, leder till en större hämning av cyanid. Vid dessa basala koncentrationer är NO-hämning av komplex IV känd för att ha gynnsamma effekter, såsom ökande syrenivåer i blodkärlsvävnader. Enzymets oförmåga att reducera syre till vatten resulterar i en ansamling av syre, som kan diffundera djupare in i omgivande vävnader. NO-inhibering av komplex IV har en större effekt vid lägre syrekoncentrationer, vilket ökar dess användbarhet som vasodilator i behovsvävnader.
Svavelväte kommer att binda COX på ett icke-konkurrensmässigt sätt vid en reglerande plats 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 -centrum. Det är oklart om endogena H2S- nivåer är tillräckliga för att hämma enzymet. Det finns ingen interaktion mellan vätesulfid och den helt reducerade konformationen av COX.
Metanol i denaturerad sprit omvandlas till myrsyra , som också hämmar samma oxidassystem. Höga nivåer av ATP kan allosteriskt hämma cytokrom c-oxidas, bindande inifrån den mitokondriella matrisen.
Extramitokondriella och subcellulära lokaliseringar
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 pankreatisk acinär vävnad hittades dessa subenheter i zymogengranuler . Dessutom, i den främre hypofysen , hittades relativt höga mängder av dessa subenheter i sekretoriska granuler av tillväxthormon . Den extramitokondriella funktionen hos dessa cytokrom c-oxidassubenheter har ännu inte karakteriserats. Förutom cytokrom c-oxidassubenheter har extramitokondriell lokalisering också observerats för ett stort antal andra mitokondriella proteiner. Detta ökar möjligheten om existensen av ännu oidentifierade specifika mekanismer för proteintranslokation från mitokondrier till andra cellulära destinationer.
Genetiska defekter och störningar
Defekter som involverar genetiska mutationer som förändrar cytokrom c- oxidas (COX) funktionalitet eller struktur kan resultera i allvarliga, ofta dödliga metabola störningar . Sådana störningar manifesterar sig vanligtvis i tidig barndom och påverkar främst vävnader med höga energibehov (hjärna, hjärta, muskler). Bland de många klassificerade mitokondriella sjukdomarna anses de som involverar dysfunktionell COX-montering vara de allvarligaste.
Den stora majoriteten av COX-störningar är kopplade till mutationer i nukleärt kodade proteiner som kallas för sammansättningsfaktorer eller sammansättningsproteiner. Dessa sammansättningsfaktorer bidrar till COX-struktur och funktionalitet och är involverade i flera väsentliga processer, inklusive transkription och translation av mitokondrierkodade subenheter, bearbetning av preproteiner och membraninsättning, och kofaktorbiosyntes och inkorporering.
För närvarande har mutationer identifierats i sju COX-sammansättningsfaktorer: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 och LRPPRC . Mutationer i dessa proteiner kan resultera i förändrad funktionalitet av subkomplex sammansättning, koppartransport eller translationell reglering. Varje genmutation är associerad med etiologin för en specifik sjukdom, med vissa implikationer i flera sjukdomar. Störningar som involverar dysfunktionell COX-montering via genmutationer inkluderar Leighs syndrom , kardiomyopati , leukodystrofi , anemi och sensorineural dövhet .
Histokemi
Neuronernas ökade beroende av oxidativ fosforylering för energi underlättar användningen av COX-histokemi vid kartläggning av regional hjärnmetabolism hos djur, eftersom det etablerar en direkt och positiv korrelation mellan enzymaktivitet och neuronaktivitet. Detta kan ses i sambandet mellan COX-enzymmängd och aktivitet, vilket indikerar regleringen av COX på nivån av genuttryck. COX-fördelning är inkonsekvent över olika regioner av djurhjärnan, men dess distributionsmönster är konsekvent över djur. Detta mönster har observerats i apan, musen och kalvens hjärna. Ett isozym av COX har konsekvent detekterats i histokemisk analys av hjärnan. Sådan hjärnkartläggning har åstadkommits i spontana muterade möss med cerebellär sjukdom såsom reeler och en transgen modell av Alzheimers sjukdom . Denna teknik har också använts för att kartlägga inlärningsaktivitet i djurhjärnan.
Ytterligare bilder
ETC
Komplex IV
.svg){kind=spacer}
Se även
externa länkar
- Cytochrome Oxidase hemsida vid Rice University
- Interaktiv molekylär modell av cytokrom c-oxidas (kräver MDL Chime )
- UMich Orientering av proteiner i membranfamiljer /superfamilj-4
- Cytokrom-c+oxidas vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
