ЦИТОХРОМ С ОКСИДАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, ИНХИБИТОРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В оксидаза цитохром с е комплекс от ензимни протеини, които могат да преминават липидния двоен слой на клетъчната мембрана. Той е хеморазтворим и се свързва главно с вътрешната мембрана на митохондриите, като се намира както в прокариотни организми (бактерии), така и в еукариоти (едноклетъчни и многоклетъчни).

Наричан още комплекс IV, този ензим е жизненоважен за аеробните метаболитни функции на организмите, тъй като е от съществено значение в електронно-транспортната верига, в която клетката изгаря захари и улавя част от енергията, освободена за съхраняване на аденозин трифосфат или АТФ.

Модел на хема с топка и пръчка на молекула, открита в кристалната структура на цитохром с оксидаза в сърцето на говедата. Взето и редактирано от: Benjah-bmm27.

Името цитохром означава „клетъчни пигменти“. Това са кръвни протеини, които носят електрони. Цитохромите са открити от ирландския лекар Чарлз Александър Макмун през 1884 г. МакМън е пионер в откриването на дихателния пигмент в кръвта, днес наричан цитохром 1.

През 20-те години руският ентомолог и паразитолог Дейвид Кейлин преоткрива и характеризира дихателни пигменти и е този, който ги кръщава цитохроми. Въпреки че Макмун ги е открил през 1884 г., научната общност го е забравила и някои дори неправилно са тълкували работата му.

Основни характеристики

По принцип дихателните пигменти имат характерни спектри на видимата светлина. Известно е, че има най-малко четири интегрални мембранни протеинови комплекси, в които има 5 различни типа цитохроми: a, a3, b, c1 и c, класифицирани според дължините на вълната на спектралните абсорбционни максимуми.

Обикновено се намират на вътрешната мембрана на митохондриите. Те обаче са наблюдавани и в ендоплазмения ретикулум и хлоропласти, при еукариотни и прокариотни организми.

Те представят групата за протезиране на хема, съдържаща желязо (Fe). Всеки от известните цитохроми действа в мултиферментни комплекси при транспортирането на електрони в дихателния процес или верига.

Цитохромите имат функцията да участват в окислително-редукционни реакции. Редукционните реакции, при които те приемат електрони, протичат по различен начин за всеки тип цитохром и стойността им се определя от потока на електроните в дихателната верига.

-Цитохром c

Известни са четири класа цитохром с, които са както следва.

Клас I

В рамките на този клас са разтворимите цитохроми с нисък спин с (нисък шпин), присъстващи в бактерии и митохондрии. Те са октаедрични. Мястото за свързване на хема е на N-края на хистидин и шестият лиганд се доставя от метионинов остатък в С-края.

От този клас могат да бъдат разпознати дори няколко подкласове, чиято триизмерна структура е определена.

II клас

В този клас са открити високо цининтоми с висок спин и някои ниско спинови цитохроми. Тези с висок завой имат мястото на свързване близо до С-края, а при тези с нисък завой шестият лиганд изглежда метионинов остатък в близост до N края (N-край на английски). Те са пентакоординирани с пети лиганд хистидин.

III клас

Този клас се характеризира с представяне на цитохроми с с множествен хем (с3 и с7) и нисък потенциал за редуциране на окисляване, само с 30 аминокиселинни остатъци на хема група. В представителите на този клас, хем с групите имат нееквивалентна структура и функции, в допълнение към представянето на различни редокс потенциали. Те са октаедрични.

Клас IV

Според някои автори този клас е създаден само за да включва сложни протеини, които присъстват други протетични групи, както и хем с или флавоцитохром с.

Цитохром с оксидаза или комплекс IV

Цитохром с оксидаза е митохондриален ензим, който осъществява последната фаза на транспорт на електрон при клетъчно дишане. Този ензим катализира транспорта на електрони от редуциран цитохром с до кислород.

Някои химични съединения като цианид, въглероден диоксид и азид могат да инхибират функционирането на този ензим, причинявайки така наречената клетъчна химическа асфиксия. Други форми на инхибиране на комплекс IV са генетичните мутации.

От еволюционна гледна точка цитохром с оксидаза се среща само в аеробни организми, а няколко групи учени предполагат, че наличието на този протеин показва еволюционните връзки, при които растенията, гъбичките, а също и животните споделят общ предшественик.

структура

Цитохром с оксидаза образува хомодимерен комплекс, тоест съставен от два подобни мономера във вътрешната мембрана на митохондриите. Ензимният комплекс се състои от 3 до 4 субединици в прокариотни организми и до максимум 13 (някои предполагат 14) полипептиди в организми като бозайници.

В тези организми 3 полипептиди са с митохондриален произход, а останалите произхождат от ядрото. Всеки мономер има 28 трансмембранни спирали, които разделят хидрофилни домени срещу мембранната матрица и междумембранното пространство.

Той има единична каталитична единица, която се намира във всички ензими, които катализират реакциите на окисляване / редукция, като се използва молекулен кислород (оксидази, особено хема-мед). Комплексът съдържа цитохроми a и a3, свързани от субединица I и два медни центъра.

Той има една или повече heme c групи, свързани със заобикалящата протеинова структура чрез една или повече (обикновено две) тиоетерни връзки. Други автори предполагат, че има една хема група С, ковалентно свързана с протеина между порфириновия пръстен и два цистеинови остатъка.

Единствената спомената по-горе хема с е заобиколена от хидрофобни остатъци и е хексакоординирана, с хистидин в позиция 18 на полипептидната верига и метионин на позиция 80.

Субодиница на цитохром с оксидаза F. Взета и редактирана от: Jawahar Swaminathan и служителите на MSD в Европейския институт по биоинформатика

Характеристика

Цитохром с оксидази са главни герои в три основни физиологични механизма, които ще видим по-долу.

Апоптоза или програмирана клетъчна смърт

Апоптозата е програмирана клетъчна деструкция или смърт, причинена от самия организъм и чиято цел е да контролира растежа, развитието, елиминирането на увредените тъкани и регулирането на имунната система. В този физиологичен процес цитохром с оксидаза участва като междинен продукт.

Този протеин, освободен от митохондриите, води до взаимодействие с ендоплазмения ретикулум, което причинява секрецията или освобождаването на калций. Прогресивното увеличаване на калция предизвиква масивно освобождаване на цитохром с оксидаза, докато се достигнат цитотоксични нива на калций.

Цитотоксичните нива на калций и освобождаването на цитохроми c предизвикват каскадно активиране на няколко ензима каспаза, които са отговорни за унищожаването на клетките.

Клетъчна или тъканна регенерация

Няколко проучвания показват, че когато цитохром с оксидаза е изложена на дължина на вълната от 670 нанометра, тя участва във функционален комплекс, който прониква в увредена или увредена тъкан и увеличава скоростта на регенерация на клетките.

Енергиен метаболизъм

Това е може би най-известната и най-подходящата функция на цитохром с оксидаза. Именно оксидазният комплекс (на дихателната верига) е отговорен за събирането на електроните от цитохром с и пренасянето им в молекулата на кислорода, намалявайки го до две водни молекули.

Свързан с този процес, протонната транслокация се осъществява през мембраната, което води до генериране на електрохимичен градиент, който ATP синтетазният комплекс използва за производството или синтеза на АТФ (аденозин трифосфат).

Инхибиторите

Цитохром с оксидаза се инхибира от различни химични съединения и процеси. Начинът, по който се проявява, може да възникне като естествен начин за регулиране на производството или действието на ензима или може да възникне случайно поради отравяне.

В присъствието на азид, цианид или въглероден оксид, цитохром с оксидаза се свързва с тях и функционирането на протеиновия комплекс се инхибира. Това причинява нарушаване на клетъчния дихателен процес и по този начин причинява химическото задушаване на клетките.

Други съединения като азотен оксид, сероводород, метанол и някои метилирани алкохоли също предизвикват инхибиране на цитохром с оксидаза.

дефицит

Цитохром с оксидаза е ензим, който се контролира от гени както в ядрото, така и в митохондриите. Има генетични изменения или мутации, които могат да доведат до дефицит на цитохром с оксидаза.

Тези мутации нарушават функционалността на ензима, тъй като променят ензимната му структура, носейки със себе си метаболитни нарушения по време на ембрионалното развитие (според човешки изследвания), които по-късно ще засегнат организма в първите му години от живота.

Недостигът на цитохром с оксидаза засяга тъканите с високо потребление на енергия, като сърцето, черния дроб, мозъка и мускулите. Симптомите на тези мутации се отразяват преди двете години от живота и могат да се проявят като силни или леки състояния.

Леките симптоми могат да се наблюдават дори малко след първата година на възраст и хората с тях обикновено имат само намалено мускулно напрежение (хипотония) и мускулна атрофия (миопатия).

От друга страна, индивидите с по-силни симптоми могат да имат мускулна атрофия и енцефаломиопатия. Други състояния, причинени от отсъствието на цитохром с оксидаза, са хипертрофична кардиомиопатия, патологично уголемяване на черния дроб, синдром на Лай и лактатна ацидоза.

Използва се във филогенезата

Филогенезата е науката, която е отговорна за изучаването на произхода, формирането и еволюционното развитие от гледна точка на прародителя и на организмите. През последните десетилетия филогенетичните изследвания с молекулен анализ се срещат все по-често и дават много информация и решават таксономични проблеми.

В този смисъл някои филогенетични изследвания показват, че използването на цитохром с оксидази може да помогне за установяване на еволюционни връзки. Това е така, защото този протеинов комплекс е силно запазен и присъства в голямо разнообразие от организми, вариращи от едноклетъчни протестисти до големи гръбначни животни.

Примери за това са тестовете, проведени с хора, шимпанзета (Pan paniscus) и макаки от резус (Macaca mulatta). Такива тестове разкриха, че молекулите на цитохром на с цитохром при хора и шимпанзе са идентични.

Той също така показа, че молекулите на цитохром с оксидаза на макака Резус се различават с една аминокиселина от тези на първите две, вследствие на което потвърждават връзките на потомци и прародители между шимпанзетата и хората.

Препратки

1. RP Ambler (1991). Променливост на последователността в бактериалните цитохроми c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоенергетика.
2. Цитохром c. Възстановено от newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Биологични роли на цитохром с: митохондриален транспорт на електрон, програмирана клетъчна смърт и повишаване на активността на пероксида. Анали на Медицинския факултет.
4. Цитохром с оксидаза субединица I. Възстановена от ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Цитохром с оксидазна субединица IV е от съществено значение за монтажа и респираторната функция на ензимния комплекс. Списание за биоенергетика и биомембрани.
6. Генна група: Митохондриален комплекс IV: цитохром с оксидаза субединици (COX, MT-CO). Възстановено от gennames.org.
7. EF Hartree (1973). Откриването на цитохром. Биохимично образование.
8. Цитохром с оксидаза, дефицит на…. Възстановено от ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biochemestry. 3-то издание. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.