CITOHROMA C OKSIDĀZE: STRUKTŪRA, FUNKCIJAS, INHIBITORI - BIOLOĢIJA - 2025

Citohroma c oksidāze ir komplekss fermentatīvajām olbaltumvielas, kas var šķērso lipīdu divslāņu no šūnas membrānā. Tas ir šķīstošs un galvenokārt ir saistīts ar mitohondriju iekšējo membrānu, atrodot gan prokariotu organismos (baktērijas), gan eikariotos (vienšūnu un daudzšūnu).

Šis ferments, ko sauc arī par IV kompleksu, ir svarīgs organismu aerobo metabolisma funkcijās, jo tas ir būtisks elektronu transporta ķēdē, kurā šūna sadedzina cukurus un uztver daļu enerģijas, kas izdalīta, lai uzglabātu adenozīna trifosfātu vai ATP.

Hēmas lodveida un nūjas modelis molekulā, kas liellopu sirdī atrodama citohroma c oksidāzes kristāla struktūrā. Uzņemts un rediģēts no: Benjah-bmm27.

Nosaukums citohroms nozīmē "šūnu pigmenti". Tie ir asins proteīni, kas nes elektronus. Citohromus 1884. gadā atklāja īru ārsts Čārlzs Aleksandrs MacMunns. MacMunn pirmoreiz sāka atklāt elpošanas ceļu pigmentu asinīs, ko mūsdienās sauc par citohromu 1.

1920. gados krievu entomologs un parasitologs Deivids Keilins no jauna atklāja un raksturoja elpošanas ceļu pigmentus, un tas bija tas, kurš tos nosauca par citohromiem. Lai arī MacMunn tos bija atklājis 1884. gadā, zinātniskā sabiedrība viņu bija aizmirsusi un daži pat bija nepareizi interpretējuši viņa darbu.

Vispārīgais raksturojums

Parasti elpceļu pigmentiem ir raksturīgi redzamās gaismas spektri. Ir zināms, ka ir vismaz četri integrālo membrānu olbaltumvielu kompleksi, kuros ir 5 dažādu tipu citohromi: a, a3, b, c1 un c, kas klasificēti pēc spektrālās absorbcijas maksimuma viļņu garumiem.

Parasti tie atrodas uz mitohondriju iekšējās membrānas. Tomēr tie ir novēroti arī endoplazmatiskajā retikulumā un hloroplastos, eikariotu un prokariotu organismos.

Viņi iepazīstina ar heme protezēšanas grupu, kas satur dzelzi (Fe). Katrs no zināmajiem citohromiem darbojas multienzīmu kompleksos, transportējot elektronus elpošanas procesā vai ķēdē.

Citohromiem ir funkcija piedalīties oksidācijas-reducēšanās reakcijās. Samazināšanas reakcijas, kurās viņi pieņem elektronus, katram citohroma tipam notiek atšķirīgi, un to vērtību nosaka elektronu plūsma elpošanas ķēdē.

-Citohroms c

Ir zināmas četras citohroma c klases, kas ir šādas.

I klase

Šajā klasē ir šķīstoši zemu vērpjošu citohromu c (zemu spīguļu) klātbūtne baktērijās un mitohondrijos. Tie ir oktaedriski. Hēma saistīšanās vieta atrodas histidīna N galā, un sesto ligandu C-galā piegādā metionīna atlikums.

No šīs klases var atpazīt pat vairākas apakšklases, kuru trīsdimensiju struktūra ir noteikta.

II klase

Šajā klasē ir augsts citohroma griešanās ar citohromu un daži zemu griezienu citohromi. Tiem, kuriem ir augsts pagrieziena punkts, saistīšanās vieta atrodas tuvu C-galā, un tiem, kuriem ir zems pagrieziens, sestais ligands šķiet metionīna atlikums pie N gala (N-gala). Tie ir piecu koordinēti ar piekto ligandu histidīnu.

III klase

Šai klasei raksturīgi citohromi c ar vairākiem hemiem (c3 un c7) un ar zemu oksidācijas reducēšanas potenciālu, tikai vienā hema grupā ir 30 aminoskābju atlikumi. Šīs klases pārstāvjos heme c grupām ir nelīdzvērtīga struktūra un funkcijas, turklāt tām ir dažādas redoksa iespējas. Tie ir oktaedriski.

IV klase

Pēc dažu autoru domām, šī klase tika izveidota tikai tāpēc, lai iekļautu sarežģītus proteīnus, kurus satur citas protezēšanas grupas, kā arī cita starpā heme c vai flavocytochrome c.

Citohroma c oksidāze vai IV komplekss

Citohroma c oksidāze ir mitohondriju enzīms, kas šūnu elpošanā veic elektronu transporta pēdējo fāzi. Šis ferments katalizē elektronu transportēšanu no samazināta citohroma c līdz skābeklim.

Daži ķīmiski savienojumi, piemēram, cianīds, oglekļa dioksīds un azīds, var kavēt šī fermenta darbību, izraisot tā saucamo šūnu ķīmisko asfiksiju. Citas IV kompleksa kavēšanas formas ir ģenētiskas mutācijas.

No evolūcijas viedokļa citohroma c oksidāze ir sastopama tikai aerobos organismos, un vairākas zinātnieku grupas norāda, ka šī proteīna klātbūtne norāda uz evolūcijas attiecībām, kurās augiem, sēnītēm un arī dzīvniekiem bija kopīgs sencis.

Uzbūve

Citohroma c oksidāze veido homodimēru kompleksu, tas ir, sastāv no diviem līdzīgiem monomēriem mitohondriju iekšējā membrānā. Fermentu komplekss sastāv no 3 līdz 4 subvienībām prokariotu organismos un ne vairāk kā 13 (daži norāda uz 14) polipeptīdiem tādos organismos kā zīdītāji.

Šajos organismos 3 polipeptīdiem ir mitohondriju izcelsme, bet pārējie rodas kodolā. Katrā monomērā ir 28 transmembrānas helikīnes, kas atdala hidrofīlos domēnus pret membrānas matricu un starpmembrānu telpu.

Tam ir viena katalītiska vienība, kas atrodama visos fermentos, kas katalizē oksidācijas / reducēšanās reakcijas, izmantojot molekulāro skābekli (oksidāzes, īpaši hema-vara). Kompleksā ir citohromi a un a3, kurus savieno I apakšvienība un divi vara centri.

Tam ir viena vai vairākas heme c grupas, kas saistītas ar apkārtējo olbaltumvielu struktūru ar vienu vai vairākām (parasti divām) tioētera saitēm. Citi autori norāda, ka starp porfirīna gredzenu un diviem cisteīna atlikumiem ir viena hema C grupa, kas ir kovalenti saistīta ar olbaltumvielu.

Vienīgo augstākminēto heme c grupu ieskauj hidrofobās atliekas un ir heksakoordinēta ar histidīnu polipeptīdu ķēdes 18. pozīcijā un metionīnu 80. pozīcijā.

Citohroma c oksidāzes apakšvienība F. Uzņemts un rediģēts no: Jawahar Swaminathan un MSD darbiniekiem Eiropas Bioinformatikas institūtā

Iespējas

Citohroma c oksidāzes ir trīs galveno fizioloģisko mehānismu dalībnieki, kurus mēs redzēsim turpmāk.

Apoptoze vai ieprogrammēta šūnu nāve

Apoptoze ir ieprogrammēta šūnu iznīcināšana vai nāve, ko izraisa pats organisms un kuras mērķis ir kontrolēt augšanu, attīstību, bojāto audu izvadīšanu un imūnsistēmas regulēšanu. Šajā fizioloģiskajā procesā citohroma c oksidāze piedalās kā starpprodukts.

Šis proteīns, ko atbrīvo mitohondriji, noved pie mijiedarbības ar endoplazmatisko retikulumu, kas izraisa kalcija sekrēciju vai izdalīšanos. Pakāpeniski palielinoties kalcijam, notiek masīva citohroma c oksidāzes izdalīšanās, līdz tiek sasniegts citotoksiskais kalcija līmenis.

Citotoksiskais kalcija līmenis un citohromu izdalīšanās c izraisa vairāku kaspazes enzīmu kaskādes aktivizēšanu, kas ir atbildīgi par šūnu iznīcināšanu.

Šūnu vai audu reģenerācija

Vairāki pētījumi norāda, ka tad, kad citohroma c oksidāze tiek pakļauta 670 nanometru viļņu garumam, tā piedalās funkcionālā kompleksā, kas iekļūst bojātos vai ievainotos audos un palielina šūnu reģenerācijas ātrumu.

Enerģijas metabolisms

Iespējams, ka tā ir citohroma c oksidāzes zināmākā un visatbilstošākā funkcija. Tieši oksidāzes komplekss (elpošanas ķēdē) ir atbildīgs par elektronu savākšanu no citohroma c un pārvietošanu uz skābekļa molekulu, samazinot to līdz divām ūdens molekulām.

Saistībā ar šo procesu caur membrānu notiek protonu translokācija, kā rezultātā veidojas elektroķīmiskais gradients, kuru ATP sintetāzes komplekss izmanto ATP (adenozīna trifosfāta) iegūšanai vai sintezēšanai.

Inhibitori

Citohroma c oksidāzi kavē dažādi ķīmiski savienojumi un procesi. Tas, kā tas notiek, var rasties kā dabisks veids, kā regulēt fermenta ražošanu vai darbību, vai arī tas var rasties nejauši saindēšanās dēļ.

Azīda, cianīda vai oglekļa monoksīda klātbūtnē citohroma c oksidāze saistās ar tiem un tiek kavēta olbaltumvielu kompleksa darbība. Tas izraisa traucējumus šūnu elpošanas procesā un tādējādi izraisa šūnu ķīmisku nosmakšanu.

Citi savienojumi, piemēram, slāpekļa oksīds, sērūdeņradis, metanols un daži metilēti spirti, arī izraisa citohroma c oksidāzes inhibīciju.

Trūkums

Citohroma c oksidāze ir ferments, kuru kontrolē gēni gan kodolā, gan mitohondrijos. Pastāv ģenētiskas izmaiņas vai mutācijas, kas var izraisīt citohroma c oksidāzes deficītu.

Šīs mutācijas traucē fermenta funkcionalitāti, jo tās maina tā fermentatīvo struktūru, izraisot vielmaiņas traucējumus embrionālās attīstības laikā (saskaņā ar cilvēku pētījumiem), kas vēlāk ietekmēs organismu tā pirmajos dzīves gados.

Citohroma c oksidāzes deficīts ietekmē audus ar lielu enerģijas patēriņu, piemēram, sirdi, aknas, smadzenes un muskuļus. Šo mutāciju simptomi tiek atspoguļoti pirms diviem dzīves gadiem un var izpausties kā spēcīgi vai viegli apstākļi.

Vieglus simptomus var novērot pat neilgi pēc 1 gada vecuma, un indivīdiem ar tiem parasti ir tikai samazināta muskuļu spriedze (hipotonija) un muskuļu atrofija (miopātija).

No otras puses, indivīdiem ar spēcīgākiem simptomiem var būt muskuļu atrofija un encefalomiopātija. Citi apstākļi, ko izraisa citohroma c oksidāzes neesamība, ir hipertrofiska kardiomiopātija, patoloģisks aknu palielināšanās, Leigh sindroms un pienskābes acidoze.

Izmantošana filoģenēzē

Filoģenēze ir zinātne, kas ir atbildīga par organismu izcelsmes, veidošanās un evolūcijas attīstības pētījumiem no senču pēcteča viedokļa. Pēdējās desmitgadēs filoģenētiski pētījumi ar molekulāro analīzi notiek arvien biežāk, sniedzot daudz informācijas un risinot taksonomijas problēmas.

Šajā ziņā daži filoģenētiski pētījumi norāda, ka citohroma c oksidāžu izmantošana var palīdzēt nodibināt evolūcijas attiecības. Tas notiek tāpēc, ka šis olbaltumvielu komplekss ir ļoti konservēts un atrodas daudzos dažādos organismos, sākot no vienšūnu protistiem un beidzot ar lieliem mugurkaulniekiem.

To piemēri ir testi, kas veikti ar cilvēkiem, šimpanzēm (Pan paniscus) un Rēzus makakām (Macaca mulatta). Šādi testi atklāja, ka cilvēka un šimpanzes citohroma c oksidāzes molekulas bija identiskas.

Tas arī parādīja, ka Rēzus makakas citohroma c oksidāzes molekulas atšķīrās par vienu aminoskābi no pirmajām divām, attiecīgi apstiprinot senču un pēcteču attiecības starp šimpanzēm un cilvēkiem.

Atsauces

1. RP Amblers (1991). Baktēriju citohromu sekvences mainīgums c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bioenerģētika.
2. Citohroms c. Atgūts no newworldencyclopedia.org.
3. V. Kolmans, E. Kosta, R. Čaves, V. Tórtora (2015). Citohroma c bioloģiskās lomas: mitohondriju elektronu transports, ieprogrammēta šūnu nāve un peroksīda aktivitātes palielināšanās. Medicīnas fakultātes gadagrāmatas.
4. Citohroma c oksidāzes apakšvienība I. Atgūts no ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong un B. Yidong (2007). Citohroma c oksidāzes IV apakšvienība ir būtiska fermentu kompleksa montāžai un elpošanas funkcijai. Bioenerģētikas un biomembrānu žurnāls.
6. Gēnu grupa: Mitohondriju komplekss IV: citohroma c oksidāzes apakšvienības (COX, MT-CO). Atgūts no genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Citohroma atklāšana. Bioķīmiskā izglītība.
8. Citohroma c oksidāze, deficīts…. Atgūts no ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Bioķīmija. 3. izdevums. Benjamīns / Cummings Publishing Company, Inc.