stringtranslate.com

Цитохром с

Гемовая простетическая группа цитохрома с, состоящая из жесткого порфиринового кольца, координированного с атомом железа.

Цитохромный комплекс , или cyt c , представляет собой небольшой гемпротеин , который слабо связан с внутренней мембраной митохондрии , где он играет важную роль в клеточном дыхании . Он переносит электроны между комплексами III (кофермент Q – редуктаза Cyt c) и IV (оксидаза Cyt c). Цитохром c в отличие от других цитохромов хорошо растворим в воде . Он способен подвергаться окислению и восстановлению , поскольку его атом железа преобразуется между двухвалентным и трехвалентным состояниями, но не связывает кислород . Он также играет важную роль в апоптозе клеток . У людей цитохром c кодируется геном CYCS . [ 5] [6]

Распространение видов

Цитохром c — высококонсервативный белок во всем спектре эукариотических видов, обнаруженный в растениях, животных, грибах и многих одноклеточных организмах. Это, наряду с его небольшим размером (молекулярная масса около 12 000 дальтон ), [7] делает его полезным в исследованиях кладистики . [8] Цитохром c изучался для того, чтобы заглянуть в эволюционную биологию.

Цитохром c имеет первичную структуру, состоящую из цепочки примерно из 100 аминокислот . Многие организмы высшего порядка обладают цепочкой из 104 аминокислот. [9] Последовательность цитохрома c у людей идентична таковой у шимпанзе (наших ближайших родственников), но отличается от таковой у лошадей. [10]

Цитохром c имеет аминокислотную последовательность, которая высоко консервативна у эукариот, варьируясь всего на несколько остатков. У более чем тридцати видов, протестированных в одном исследовании, 34 из 104 аминокислот были консервативными (идентичными в их характерном положении). [11] Например, цитохромоксидаза человека реагировала с цитохромом c пшеницы in vitro ; что было справедливо для всех пар протестированных видов. [11] Кроме того, окислительно-восстановительный потенциал +0,25 вольт одинаков во всех исследованных молекулах цитохрома c . [11]

Структура

Кристаллы цитохрома c тунца (длиной около 5 мм), выращенные методом диффузии жидкость-жидкость в условиях микрогравитации в открытом космосе. [12]

Цитохром c относится к классу I семейства цитохромов c-типа [13] и содержит характерный мотив аминокислоты CXXCH (цистеин-любой-любой-цистеин-гистидин), который связывает гем. [14] Этот мотив расположен по направлению к N-концу пептидной цепи и содержит гистидин в качестве 5-го лиганда железа гема. 6-й лиганд обеспечивается остатком метионина, обнаруженным по направлению к C-концу . Белковый остов сложен в пять α-спиралей , которые пронумерованы α1-α5 от N-конца к C-концу. Спирали α3, α4 и α5 называются спиралями 50s, 60s и 70s соответственно, когда речь идет о митохондриальном цитохроме c. [15]

Гем с

Структура гема с

В то время как большинство гемовых белков присоединены к простетической группе посредством лигирования ионов железа и третичных взаимодействий, гемовая группа цитохрома c образует тиоэфирные связи с двумя цистеиновыми боковыми цепями белка. [16] Одним из основных свойств гема c, которое позволяет цитохрому c иметь различные функции, является его способность иметь различные восстановительные потенциалы в природе. Это свойство определяет кинетику и термодинамику реакции переноса электронов. [17]

Дипольный момент

Дипольный момент играет важную роль в ориентации белков в правильных направлениях и повышении их способности связываться с другими молекулами. [18] [19] Дипольный момент цитохрома c возникает из-за кластера отрицательно заряженных боковых цепей аминокислот на «задней» стороне фермента. [19] Несмотря на различия в количестве связанных групп гема и различия в последовательности, дипольный момент цитохромов c позвоночных в значительной степени сохраняется. Например, все цитохромы c позвоночных имеют дипольный момент приблизительно 320 дебаев , в то время как цитохромы c растений и насекомых имеют дипольный момент приблизительно 340 дебаев. [19]

Функция

Цепь переноса электронов

Цитохром c является важным компонентом дыхательной цепи переноса электронов в митохондриях. Гемовая группа цитохрома c принимает электроны от bc 1 Complex III и переносит их в Complex IV , в то время как он переносит энергию в противоположном направлении.

Цитохром c также может катализировать несколько окислительно-восстановительных реакций, таких как гидроксилирование и ароматическое окисление , и проявляет пероксидазную активность при окислении различных доноров электронов, таких как 2,2-азинобис ( 3-этилбензтиазолин-6-сульфоновая кислота) ( ABTS ), 2-кето-4-тиометилмасляная кислота и 4-аминоантипирин.

Бактериальный цитохром c функционирует как нитритредуктаза . [20]

Роль в апоптозе

Цитохром c был также обнаружен в 1996 году Сяодуном Ваном как промежуточный фермент в апоптозе , контролируемой форме клеточной смерти, используемой для уничтожения клеток в процессе развития или в ответ на инфекцию или повреждение ДНК. [21]

Цитохром c связывается с кардиолипином во внутренней митохондриальной мембране, тем самым закрепляя его присутствие и не давая ему выходить из митохондрий и инициировать апоптоз. В то время как первоначальное притяжение между кардиолипином и цитохромом c является электростатическим из-за крайне положительного заряда на цитохроме c, окончательное взаимодействие является гидрофобным, где гидрофобный хвост кардиолипина вставляется в гидрофобную часть цитохрома c.

На ранней стадии апоптоза стимулируется выработка митохондриальных ROS, а кардиолипин окисляется пероксидазной функцией комплекса кардиолипин-цитохром c. Затем гемопротеин отделяется от внутренней мембраны митохондрий и может быть вытеснен в растворимую цитоплазму через поры во внешней мембране. [22]

Устойчивое повышение уровня кальция предшествует высвобождению cyt c из митохондрий. Высвобождение небольших количеств cyt c приводит к взаимодействию с рецептором IP3 (IP3R) на эндоплазматическом ретикулуме (ER), вызывая высвобождение кальция ER. Общее увеличение кальция запускает массивное высвобождение cyt c , которое затем действует в положительной обратной связи для поддержания высвобождения кальция ER через IP3R. [23] Это объясняет, как высвобождение кальция ER может достигать цитотоксических уровней. Это высвобождение цитохрома c, в свою очередь, активирует каспазу 9 , цистеиновую протеазу . Затем каспаза 9 может активировать каспазу 3 и каспазу 7 , которые отвечают за разрушение клетки изнутри.

Торможение апоптоза

Одним из способов активации апоптоза клеток является высвобождение цитохрома c из митохондрий в цитозоль. Исследование показало, что клетки способны защищать себя от апоптоза, блокируя высвобождение цитохрома c с помощью Bcl-x L. [ 24] Другой способ, которым клетки могут контролировать апоптоз, — фосфорилирование Tyr48, которое превращает цитохром c в антиапоптотический переключатель. [25]

Как антиоксидантный фермент

Удаление О2и H 2 O 2 цитохромом c

Согласно недавнему исследованию, цитохром c, помимо своей хорошо известной роли в цепи переноса электронов и апоптозе клеток, может также действовать как антиоксидантный фермент в митохондриях; он делает это, удаляя супероксид ( O2) и перекись водорода (H 2 O 2 ) из митохондрий . [26] Таким образом, цитохром c необходим не только для клеточного дыхания в митохондриях, но он также необходим в митохондриях для ограничения продукции O2и H 2 O 2 . [26]

Экстрамитохондриальная локализация

Широко распространено мнение, что цитохром c локализуется исключительно в межмембранном пространстве митохондрий при нормальных физиологических условиях. [27] Считается , что высвобождение цитохрома c из митохондрий в цитозоль, где он активирует семейство протеаз каспаз , является первичным триггером, приводящим к началу апоптоза. [28] Измерение количества цитохрома c, просачивающегося из митохондрий в цитозоль и из клетки в культуральную среду, является чувствительным методом мониторинга степени апоптоза. [29] [30] Однако подробные иммуно-электронно-микроскопические исследования с использованием срезов тканей крыс с использованием специфических антител к цитохрому c предоставляют убедительные доказательства того, что цитохром c при нормальных клеточных условиях также присутствует в экстрамитохондриальных местах. [31] В ацинарных клетках поджелудочной железы и передней доле гипофиза сильное и специфическое присутствие цитохрома c было обнаружено в гранулах зимогена и в гранулах гормона роста соответственно. В поджелудочной железе цитохром c также был обнаружен в конденсирующих вакуолях и в просвете ацинуса . Было показано, что внемитохондриальная локализация цитохрома c является специфической, поскольку она полностью отменяется при адсорбции первичного антитела с очищенным цитохромом c. [31] Помимо цитохрома c, внемитохондриальная локализация также наблюдалась для большого количества других белков, включая те, которые кодируются митохондриальной ДНК. [32] [33] [34] Это повышает вероятность существования пока еще не идентифицированных специфических механизмов транслокации белков из митохондрий в другие клеточные пункты назначения. [34] [35]

Приложения

Обнаружение супероксида

Пероксиазотистая кислота

Цитохром c использовался для обнаружения продукции перекиси в биологических системах. По мере выработки супероксида количество окисленного цитохрома c 3+ увеличивается, а восстановленного цитохрома c 2+ уменьшается. [36] Однако супероксид часто вырабатывается с оксидом азота. В присутствии оксида азота восстановление цитохрома c 3+ ингибируется. [37] Это приводит к окислению цитохрома c 2+ до цитохрома c 3+ пероксиазотистой кислотой , промежуточным продуктом, полученным в результате реакции оксида азота и супероксида. [37] Присутствие пероксинитрита или H 2 O 2 и диоксида азота NO 2 в митохондриях может быть летальным, поскольку они нитрируют остатки тирозина цитохрома c, что приводит к нарушению функции цитохрома c как переносчика электронов в цепи переноса электронов. [38]

Как фермент для каталитической активности

Цитохром C также широко изучался как фермент с пероксидазоподобной активностью. Цитохром C был конъюгирован с заряженным полимером для проверки его пероксидазоподобной активности. [39] [40] Вдохновленный природными примерами инкапсуляции фермента в белковые клеточные структуры (пример: карбоксисомы, ферритин и инкапсулин), цитохром C был инкапсулирован в 9 нм небольшой самоорганизующийся ДНК-связывающий белок из белковой клетки с нехваткой питательных веществ (Dps) с использованием химерного подхода к самосборке. Авторы наблюдали уникальное поведение каталитической активности при инкапсуляции фермента внутри белковой клетки, которое отличалось от фермента в растворе. Это было связано с локальной микросредой, обеспечиваемой внутренней полостью наноклетки Dps, которая отличается от объема. [41]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000172115 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000063694 – Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ "Ген Энтреза: цитохром c".
  6. ^ Tafani M, Karpinich NO, Hurster KA, Pastorino JG, Schneider T, Russo MA и др. (март 2002 г.). «Высвобождение цитохрома c при активации рецептора Fas зависит от транслокации полноразмерного bid и индукции перехода митохондриальной проницаемости». Журнал биологической химии . 277 (12): 10073–82. doi : 10.1074/jbc.M111350200 . PMID  11790791.
  7. ^ "Цитохром c – Homo sapiens (Человек)". P99999 . Консорциум UniProt. Масса 11 749 дальтон
  8. ^ Марголиаш Э. (октябрь 1963 г.). «Первичная структура и эволюция цитохрома c». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 50 (4): 672–9. Bibcode : 1963PNAS...50..672M. doi : 10.1073/pnas.50.4.672 . PMC 221244. PMID  14077496 . 
  9. ^ "Аминокислотные последовательности в белках цитохрома c разных видов" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2013-12-28., адаптировано из Strahler AN (1999). Наука и история Земли: спор об эволюции/сотворении . Амхерст, Нью-Йорк: Prometheus Books. стр. 348. ISBN 978-1-57392-717-8.
  10. ^ Lurquin PF, Stone L, Cavalli-Sforza LL (2007). Гены, культура и эволюция человека: синтез. Oxford: Blackwell. стр. 79. ISBN 978-1-4051-5089-7.
  11. ^ abc Stryer L (1975). Биохимия (1-е изд.). Сан-Франциско: WH Freeman and Company. стр. 362. ISBN 978-0-7167-0174-3.
  12. ^ McPherson A, DeLucas LJ (2015). «Микрогравитационная кристаллизация белка». npj Microgravity . 1 : 15010. doi :10.1038/npjmgrav.2015.10. PMC 5515504. PMID  28725714 . 
  13. ^ Ambler RP (май 1991). "Изменчивость последовательностей в бактериальных цитохромах c". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1058 (1): 42–7. doi :10.1016/S0005-2728(05)80266-X. PMID  1646017.
  14. ^ Mavridou DA, Ferguson SJ, Stevens JM (март 2013 г.). «Сборка цитохрома c». IUBMB Life . 65 (3): 209–16. doi :10.1002/iub.1123. PMID  23341334. S2CID  32216217.
  15. ^ Liu J, Chakraborty S, Hosseinzadeh P, Yu Y, Tian S, Petrik I и др. (2014-04-23). ​​«Металлопротеины, содержащие цитохромные, железо-серные или медные окислительно-восстановительные центры». Chemical Reviews . 114 (8): 4366–4469. doi :10.1021/cr400479b. ISSN  0009-2665. PMC 4002152 . PMID  24758379. 
  16. ^ Kang X, Carey J (ноябрь 1999 г.). «Роль гема в структурной организации цитохрома c, исследованная полусинтезом». Биохимия . 38 (48): 15944–51. doi :10.1021/bi9919089. PMID  10625461.
  17. ^ Zhao Y, Wang ZB, Xu JX (январь 2003 г.). «Влияние цитохрома c на генерацию и элиминацию O2– и H2O2 в митохондриях». Журнал биологической химии . 278 (4): 2356–60. doi : 10.1074/jbc.M209681200 . PMID  12435729.
  18. ^ Koppenol WH, Margoliash E (апрель 1982 г.). «Асимметричное распределение зарядов на поверхности цитохрома лошади c. Функциональные последствия». Журнал биологической химии . 257 (8): 4426–37. doi : 10.1016/S0021-9258(18)34740-9 . PMID  6279635.
  19. ^ abc Koppenol WH, Rush JD, Mills JD, Margoliash E (июль 1991 г.). «Дипольный момент цитохрома c». Молекулярная биология и эволюция . 8 (4): 545–58. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040659 . PMID  1656165.
  20. ^ Schneider J, Kroneck PM (2014). "Производство аммиака многогемовыми цитохромами C". В Kroneck PM, Torres ME (ред.). Металл-управляемая биогеохимия газообразных соединений в окружающей среде . Ионы металлов в науках о жизни. Том 14. Springer. стр. 211–236. doi :10.1007/978-94-017-9269-1_9. ISBN 978-94-017-9268-4. PMID  25416396.
  21. ^ Liu X, Kim CN, Yang J, Jemmerson R, Wang X (июль 1996 г.). «Индукция апоптотической программы в бесклеточных экстрактах: потребность в dATP и цитохроме c». Cell . 86 (1): 147–57. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80085-9 . PMID  8689682. S2CID  12604356.
  22. ^ Оррениус С., Животовский Б. (сентябрь 2005 г.). «Окисление кардиолипина освобождает цитохром c». Nature Chemical Biology . 1 (4): 188–9. doi :10.1038/nchembio0905-188. PMID  16408030. S2CID  45381495.
  23. ^ Boehning D, Patterson RL, Sedaghat L, Glebova NO, Kurosaki T, Snyder SH (декабрь 2003 г.). «Цитохром c связывается с рецепторами инозитола (1,4,5) трифосфата, усиливая кальций-зависимый апоптоз». Nature Cell Biology . 5 (12): 1051–61. doi :10.1038/ncb1063. PMID  14608362. S2CID  27761335.
  24. ^ Kharbanda S, Pandey P, Schofield L, Israels S, Roncinske R, Yoshida K и др. (июнь 1997 г.). «Роль Bcl-xL как ингибитора накопления цитозольного цитохрома C в апоптозе, вызванном повреждением ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (13): 6939–42. Bibcode : 1997PNAS...94.6939K. doi : 10.1073/pnas.94.13.6939 . PMC 21263. PMID  9192670. 
  25. ^ García-Heredia JM, Díaz-Quintana A, Salzano M, Orzáez M, Pérez-Payá E, Teixeira M и др. (декабрь 2011 г.). «Фосфорилирование тирозина превращает щелочной переход в биологически значимый процесс и заставляет человеческий цитохром c вести себя как антиапоптотический переключатель». Журнал биологической неорганической химии . 16 (8): 1155–68. doi :10.1007/s00775-011-0804-9. PMID  21706253. S2CID  24156094.
  26. ^ ab Bowman SE, Bren KL (декабрь 2008 г.). «Химия и биохимия гема c: функциональные основы для ковалентного присоединения». Natural Product Reports . 25 (6): 1118–30. doi :10.1039/b717196j. PMC 2654777 . PMID  19030605. 
  27. ^ Neupert W (1997). «Импорт белков в митохондрии». Annual Review of Biochemistry . 66 : 863–917. doi :10.1146/annurev.biochem.66.1.863. PMID  9242927.
  28. ^ Kroemer G, Dallaporta B, Resche-Rigon M (1998). «Митохондриальный регулятор смерти/жизни при апоптозе и некрозе». Annual Review of Physiology . 60 : 619–42. doi :10.1146/annurev.physiol.60.1.619. PMID  9558479.
  29. ^ Loo JF, Lau PM, Ho HP, Kong SK (октябрь 2013 г.). «Анализ биоштрихкода на основе аптамеров с изотермической рекомбиназной полимеразной амплификацией для обнаружения цитохрома-c и скрининга противораковых препаратов». Talanta . 115 : 159–65. doi :10.1016/j.talanta.2013.04.051. PMID  24054573.
  30. ^ Waterhouse NJ, Trapani JA (июль 2003 г.). «Новый количественный анализ высвобождения цитохрома c в апоптотических клетках». Cell Death and Differentiation . 10 (7): 853–5. doi : 10.1038/sj.cdd.4401263 . PMID  12815469.
  31. ^ ab Soltys BJ, Andrews DW, Jemmerson R, Gupta RS (2001). «Цитохром-C локализуется в секреторных гранулах поджелудочной железы и передней доли гипофиза». Cell Biology International . 25 (4): 331–8. doi :10.1006/cbir.2000.0651. PMID  11319839. S2CID  2106599.
  32. ^ Gupta RS, Ramachandra NB, Bowes T, Singh B (2008). "Необычное клеточное расположение митохондриальных молекулярных шаперонов Hsp60, Hsp70 и Hsp10". В Chadwick D, Goode J (ред.). Биология внеклеточных молекулярных шаперонов . Симпозиумы Novartis Foundation. Т. 291. стр. 59–68, обсуждение 69–73, 137–40. doi :10.1002/9780470754030.ch5. ISBN 978-0-470-75403-0. PMID  18575266.
  33. ^ Sadacharan SK, Singh B, Bowes T, Gupta RS (ноябрь 2005 г.). «Локализация субъединиц цитохрома с оксидазы I и II, кодируемых митохондриальной ДНК, в гранулах зимогена поджелудочной железы крысы и гранулах гормона роста гипофиза». Histochemistry and Cell Biology . 124 (5): 409–21. doi :10.1007/s00418-005-0056-2. PMID  16133117. S2CID  24440427.
  34. ^ ab Soltys BJ, Gupta RS (2000). Митохондриальные белки в неожиданных клеточных местах: экспорт белков из митохондрий с эволюционной точки зрения . International Review of Cytology. Vol. 194. pp. 133–96. doi :10.1016/s0074-7696(08)62396-7. ISBN 978-0-12-364598-2. PMID  10494626.
  35. ^ Soltys BJ, Gupta RS (май 1999). «Митохондриальные матричные белки в неожиданных местах: экспортируются ли они?». Trends in Biochemical Sciences . 24 (5): 174–7. doi :10.1016/s0968-0004(99)01390-0. PMID  10322429.
  36. ^ McCord JM, Fridovich I (ноябрь 1969). «Супероксиддисмутаза. Ферментативная функция эритрокупреина (гемокупреина)». Журнал биологической химии . 244 (22): 6049–55. doi : 10.1016/S0021-9258(18)63504-5 . PMID  5389100.
  37. ^ ab Thomson L, Trujillo M, Telleri R, Radi R (июнь 1995 г.). «Кинетика окисления цитохрома c 2+ пероксинитритом: значение для измерений супероксида в биологических системах, продуцирующих оксид азота». Архивы биохимии и биофизики . 319 (2): 491–7. doi :10.1006/abbi.1995.1321. PMID  7786032.
  38. ^ Domazou AS, Gebicka L, Didik J, Gebicki JL, van der Meijden B, Koppenol WH (апрель 2014 г.). «Кинетика реакции диоксида азота с железом (II)- и железом (III) цитохромом c». Free Radical Biology & Medicine . 69 : 172–80. doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2014.01.014. PMID  24447894.
  39. ^ Чжан И, Ван Кью, Хесс Х (март 2017). «Увеличение пропускной способности каскада ферментов путем изменения pH микросреды отдельных ферментов». ACS Catalysis . 7 (3): 2047–2051. doi :10.1021/acscatal.7b01766.
  40. ^ Benson KR, Gorecki J, Nikiforov A, Tsui W, Kasi RM, Kumar CV (апрель 2019 г.). «Конъюгаты цитохрома c-поли(акриловой кислоты) с улучшенным числом оборотов пероксидазы». Organic & Biomolecular Chemistry . 17 (16): 4043–4048. doi :10.1039/c9ob00541b. PMID  30950479.
  41. ^ Waghwani HK, Douglas, T (март 2021 г.). «Цитохром C с пероксидазоподобной активностью, инкапсулированный внутри небольшой наноклетки белка DPS». Journal of Materials Chemistry B. 9 ( 14): 3168–3179. doi : 10.1039/d1tb00234a . PMID  33885621.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки