CITOKROM C OKSIDAZA: STRUKTURA, FUNKCIJE, INHIBITORI - BIOLOGIJA - 2026

Citokroma c oksidaze je kompleks enzimskih proteina koji prolaze u lipidni dvosloj stanične membrane. Hemotopljiv je i uglavnom je povezan s unutarnjom membranom mitohondrija, a nalazi se i u prokariotskim organizmima (bakterijama) i u eukariotima (jednoćelijskih i višećelijskih).

Nazvan još i kompleksom IV, ovaj enzim je važan u metaboličkim funkcijama aerobnih metabolizma, jer je neophodan u lancu prevoza elektrona u kojem stanica sagorijeva šećere i bilježi dio energije koja se oslobađa za skladištenje adenosin trifosfata ili ATP-a.

Kuglični model hema, molekule pronađene u kristalnoj strukturi citokrom c oksidaze u goveđem srcu. Preuzeto i uredjeno iz: Benjah-bmm27.

Naziv citokrom znači "stanični pigmenti". To su proteini u krvi koji nose elektrone. Citohrome je otkrio irski liječnik Charles Alexander MacMunn 1884. MacMunn je bio začetnik otkrića respiratornog pigmenta u krvi, koji se danas naziva citokrom 1.

U 1920-im godinama ruski entomolog i parazitolog David Keilin ponovno je otkrio i okarakterizirao respiratorne pigmente i upravo ih je imenovao citokromima. Iako ih je MacMunn otkrio 1884., znanstvena zajednica ga je zaboravila, a neki su čak i pogrešno protumačili njegov rad.

Opće karakteristike

Respiratorni pigmenti općenito imaju karakteristične spektre vidljive svjetlosti. Poznato je da postoje najmanje četiri cjelovita membranska proteinska kompleksa u kojima postoji 5 različitih vrsta citokroma: a, a3, b, c1 i c, razvrstani prema valnim duljinama maksimalnih spektralnih apsorpcija.

Obično se nalaze na unutarnjoj membrani mitohondrija. Međutim, primijećene su i u endoplazmatskom retikulu i kloroplastima, u eukariotskim i prokariotskim organizmima.

Predstavljaju heme protetsku skupinu koja sadrži željezo (Fe). Svaki od poznatih citokroma djeluje u multienzimskim kompleksima u transportu elektrona u respiratornom procesu ili lancu.

Citohromi imaju funkciju sudjelovanja u oksidacijsko-redukcijskim reakcijama. Reakcije redukcije, gdje prihvaćaju elektrone, odvijaju se različito za svaku vrstu citohroma, a njihova vrijednost određena je protokom elektrona u respiratornom lancu.

-Citohrom c

Poznata su četiri razreda citokroma c, koja su sljedeća.

Klasa I

Unutar ove klase su topljivi citohromi niske centrifuge c (lowspin), prisutni u bakterijama i mitohondrijama. Oni su oktaedri. Mjesto vezanja hema nalazi se na N-kraju histidina, a šesti ligand na ostatku metionina dobiva C-kraj.

Od ove klase može se prepoznati nekoliko potklasa čija je trodimenzionalna struktura određena.

Klasa II

U ovoj klasi se nalaze visoki spin-citokromi c i neki niski spin-citokromi. Oni koji imaju visoki okret imaju mjesto vezivanja blizu C-kraja, a kod onih sa malim okretajem čini se da je šesti ligand ostatak metionina blizu N kraja (N-kraj na engleskom). Oni su pentakoordinirani s histidinom petog liganda.

III klasa

Ovu klasu karakterizira predstavljanje citokroma c s višestrukim hemom (c3 i c7) i niskim potencijalom smanjenja oksidacije, sa samo 30 aminokiselinskih ostataka po skupini hema. U predstavnicima ove klase, heme c skupine imaju i neekvivalentnu strukturu i funkcije, uz predstavljanje različitih redox potencijala. Oni su oktaedri.

Klasa IV

Prema nekim autorima, ova je klasa stvorena samo radi uključivanja složenih proteina koje predstavljaju druge protetske skupine, kao i heme c, ili flavocitohrom c.

Citokrom c oksidaza ili kompleks IV

Citokrom c oksidaza mitohondrijski je enzim koji provodi zadnju fazu transporta elektrona u staničnoj disanju. Ovaj enzim katalizira transport elektrona iz reduciranog citokroma c u kisik.

Neki kemijski spojevi poput cijanida, ugljičnog dioksida i azida mogu inhibirati rad ovog enzima, uzrokujući takozvanu staničnu kemijsku asfiksiju. Drugi oblici inhibicije kompleksa IV su genetske mutacije.

Sa evolucijskog gledišta, citokrom c oksidaza nalazi se samo u aerobnim organizmima, a nekoliko skupina znanstvenika sugerira da prisutnost ovog proteina ukazuje na evolucijske odnose u kojima biljke, gljivice, ali i životinje dijele zajedničkog pretka.

Struktura

Citokrom c oksidaza tvori homodimerni kompleks, to jest sastavljen od dva slična monomera u unutarnjoj membrani mitohondrija. Enzimski kompleks sastoji se od 3 do 4 podjedinice u prokariotskim organizmima i do najviše 13 (neki sugeriraju 14) polipeptida u organizmima poput sisavaca.

U tim organizmima 3 su polipeptidi mitohondrijskog podrijetla, a ostali potječu iz jezgre. Svaki monomer ima 28 transmembranskih spirala koje razdvajaju hidrofilne domene protiv matriksa membrane i međumembranskog prostora.

Ima jedinstvenu katalitičku jedinicu, koja se nalazi u svim enzimima koji kataliziraju reakcije oksidacije / redukcije, koristeći molekularni kisik (oksidaze, posebno heme-bakar). Kompleks sadrži citohrome a i a3 povezane podjedinicom I i dva bakrena centra.

Ima jednu ili više heme c skupina povezanih s okolnom proteinskom strukturom pomoću jedne ili više (uglavnom dvije) tioetrske veze. Drugi autori sugeriraju da postoji jedna heme C skupina koja je kovalentno povezana s proteinom između porfirinog prstena i dva cisteinska ostatka.

Jedina gore spomenuta heme c skupina okružena je hidrofobnim ostacima i heksakoordinirana je s histidinom na položaju 18 polipeptidnog lanca, a metioninom na položaju 80.

Podjedinica citokrome c oksidaze F. Preuzeto i uredio: Jawahar Swaminathan i osoblje MSD-a Europskog instituta za bioinformatiku

Značajke

Citokrom c oksidaze su glavni akteri u tri glavna fiziološka mehanizma, koje ćemo vidjeti u nastavku.

Apoptoza ili programirana stanična smrt

Apoptoza je programirana razaranje ili smrt stanica, uzrokovana samim organizmom i čija je svrha kontroliranje rasta, razvoja, uklanjanja oštećenih tkiva i regulacije imunološkog sustava. U ovom fiziološkom procesu citokrom c oksidaza sudjeluje kao intermedijar.

Taj protein, koji oslobađa mitohondrije, dovodi do interakcije s endoplazmatskim retikulumom, što izaziva lučenje ili oslobađanje kalcija. Postupno povećanje kalcija pokreće masovno otpuštanje citokrom c oksidaze, sve dok se ne dostignu citotoksične razine kalcija.

Citotoksična razina kalcija i oslobađanje citohroma c uzrokuju kaskadno aktiviranje nekoliko enzima kaspaze, koji su odgovorni za uništavanje stanica.

Regeneracija stanica ili tkiva

Nekoliko studija pokazuje da kada je citokrom c oksidaza izložena valnim duljinama od 670 nanometara, ona sudjeluje u funkcionalnom kompleksu koji prodire u oštećeno ili ozlijeđeno tkivo i povećava brzinu regeneracije stanica.

Metabolizam energije

Ovo je možda najpoznatija i najrelevantnija funkcija citokrom c oksidaze. Upravo je oksidazni kompleks (dišnog lanca) odgovoran za prikupljanje elektrona iz citokroma c i njihovo prenošenje u molekulu kisika, reduciranje na dvije molekule vode.

Povezan s ovim procesom, prolonska translokacija događa se kroz membranu, što rezultira stvaranjem elektrokemijskog gradijenta koji ATP sintetazni kompleks koristi za proizvodnju ili sintezu ATP (adenosin trifosfat).

inhibitori

Citokrom c oksidaza inhibira različite kemijske spojeve i procese. Način na koji se događa može se pojaviti kao prirodan način reguliranja proizvodnje ili djelovanja enzima ili se može dogoditi slučajno zbog trovanja.

U prisutnosti azida, cijanida ili ugljičnog monoksida, citokrom c oksidaza se veže na njih, a funkcioniranje proteinskog kompleksa inhibira. To uzrokuje poremećaj u staničnom respiratornom procesu i tako uzrokuje kemijsko gušenje stanica.

Ostali spojevi poput dušičnog oksida, hidrogen sulfida, metanola i nekih metiliranih alkohola također uzrokuju inhibiciju citokrom c oksidaze.

Nedostatak

Citokrom c oksidaza je enzim koji kontroliraju geni i u jezgri i u mitohondrijima. Postoje genetske promjene ili mutacije koje mogu dovesti do nedostatka citokrom c oksidaze.

Te mutacije narušavaju funkcionalnost enzima, jer mijenjaju njegovu enzimsku strukturu, dovodeći sa sobom i metaboličke poremećaje tijekom embrionalnog razvoja (prema ljudskim istraživanjima), što će kasnije utjecati na organizam u njegovim prvim godinama života.

Manjak citokrom c oksidaze utječe na tkiva s visokom potrebom energije, kao što su srce, jetra, mozak i mišići. Simptomi ovih mutacija odražavaju se prije dvije godine života i mogu se očitovati kao jaka ili blaga stanja.

Blagi simptomi mogu se uočiti već ubrzo nakon prve godine života, a pojedinci s njima obično imaju samo smanjenu mišićnu napetost (hipotonija) i atrofiju mišića (miopatija).

S druge strane, pojedinci s jačim simptomima mogu imati atrofiju mišića i encefalomiopatiju. Ostala stanja uzrokovana odsustvom citokrom c oksidaze su hipertrofična kardiomiopatija, patološko uvećanje jetre, Leighov sindrom i laktacidoza.

Koristi se u filogeniji

Filogenija je znanost koja je odgovorna za proučavanje podrijetla, nastanka i evolucijskog razvoja organizama s gledišta i potomka predaka. Posljednjih desetljeća studije filogenije molekularnom analizom bile su sve učestalije, donoseći puno informacija i rješavajući taksonomske probleme.

U tom smislu, neke filogenetske studije pokazuju da uporaba citokrom c oksidaza može pomoći u uspostavljanju evolucijskih odnosa. To je zbog toga što je ovaj proteinski kompleks vrlo konzerviran i prisutan je u velikom broju organizama, u rasponu od jednostaničnih proteista do velikih kralježnjaka.

Primjeri toga su ispitivanja provedena na ljudima, šimpanzama (Pan paniscus) i rezusnim makakama (Macaca mulatta). Takvi testovi otkrili su da su molekule citokroma citokroma c i čovjeka čimpanze identične.

Također je pokazalo da se molekule citokrom c oksidaze Rhesus makake razlikuju po jednoj aminokiselini od one prve dvije, što je rezultiralo potvrdom odnosa predaka i potomka između čimpanza i ljudi.

Reference

1. RP Ambler (1991). Promjenjivost slijeda u bakterijskim citohromima c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bioenergetika.
2. Citokrom c. Oporavak s newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Biološke uloge citokroma c: mitohondrijski transport elektrona, programirana stanična smrt i povećanje aktivnosti peroksida. Anali Medicinskog fakulteta.
4. Podjedinica citokrome c oksidaze I. oporavljena od ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Citokrom c oksidaza podjedinica IV je bitna za skupljanje i respiratornu funkciju enzimskog kompleksa. Časopis za bioenergetiku i biomembrene.
6. Genska skupina: mitohondrijski kompleks IV: podjedinice citokrom c oksidaze (COX, MT-CO). Oporavak s genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Otkriće citokroma. Biokemijsko obrazovanje.
8. Citokrom c oksidaza, nedostatak… Oporavilo sa ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde i KG Ahern (2002). Biochemestry. 3. izdanje Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.