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 гемопротеин , слабо связанный с внутренней мембраной митохондрии , где он играет решающую роль в клеточном дыхании . Он переносит электроны между комплексами III (коэнзим Q – Cyt c-редуктаза) и IV (Cyt c-оксидаза). Цитохром С хорошо растворим в воде , в отличие от других цитохромов . Он способен подвергаться окислению и восстановлению , поскольку его атом железа преобразуется между двухвалентной и трехвалентной формами, но не связывает кислород . Он также играет важную роль в апоптозе клеток . У человека цитохром с кодируется геном CYCS . [5] [6]

Распространение видов

Цитохром С — высококонсервативный белок у всего спектра эукариотических видов, обнаруженный у растений, животных, грибов и многих одноклеточных организмов. Это, наряду с его небольшими размерами (молекулярная масса около 12 000 дальтон ), [7] делает его полезным в исследованиях кладистики . [8] Цитохром c изучался с целью проблеска, который он дает в эволюционной биологии.

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

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

Состав

Кристаллы цитохрома с тунца (длиной ~5 мм), выращенные методом жидкостно-жидкостной диффузии в условиях микрогравитации в космическом пространстве. [12]

Цитохром с принадлежит к классу I семейства цитохромов с-типа [13] и содержит характерный аминокислотный мотив CXXCH (цистеин-любой-цистеин-гистидин), который связывает гем. [14] Этот мотив расположен ближе к N-концу пептидной цепи и содержит гистидин в качестве 5-го лиганда железа гема . Шестой лиганд представлен остатком метионина , расположенным ближе к С-концу . Основная цепь белка свернута в пять α-спиралей , которые пронумерованы α1–α5 от N-конца до С-конца. Спирали α3, α4 и α5 называются спиралями 50, 60 и 70 соответственно, когда речь идет о митохондриальном цитохроме с. [15]

Гем с

Структура гема с

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

Дипольный момент

Дипольный момент играет важную роль в ориентации белков в нужных направлениях и повышении их способности связываться с другими молекулами. [18] [19] Дипольный момент цитохрома с возникает в результате кластера отрицательно заряженных боковых цепей аминокислот на «спине» фермента. [19] Несмотря на различия в количестве связанных гемовых групп и вариациях в последовательности, дипольный момент цитохромов c позвоночных удивительно консервативен. Например, все цитохромы с позвоночных имеют дипольный момент примерно 320 дебай, тогда как цитохромы с растений и насекомых имеют дипольный момент примерно 340 дебай. [19]

Функция

Электронно-транспортная цепь

Цитохром С является важным компонентом дыхательной цепи транспорта электронов в митохондриях. Гемовая группа цитохрома с принимает электроны от bc 1 Комплекса III и транспортирует их к Комплексу IV , при этом перенося энергию в противоположном направлении.

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

Бактериальный цитохром С действует как нитритредуктаза . [20]

Роль в апоптозе

В 1996 году Сяодун Ван также обнаружил, что цитохром С играет промежуточную роль в апоптозе — контролируемой форме гибели клеток, используемой для уничтожения клеток в процессе развития или в ответ на инфекцию или повреждение ДНК. [21]

Цитохром С связывается с кардиолипином во внутренней мембране митохондрий, тем самым закрепляя его присутствие и не позволяя ему высвободиться из митохондрий и инициировать апоптоз. Хотя первоначальное притяжение между кардиолипином и цитохромом с является электростатическим из-за чрезвычайно положительного заряда цитохрома с, окончательное взаимодействие является гидрофобным, когда гидрофобный хвост кардиолипина вставляется в гидрофобную часть цитохрома с.

Во время ранней фазы апоптоза стимулируется выработка митохондриальными АФК, а кардиолипин окисляется за счет пероксидазной функции комплекса кардиолипин-цитохром с. Затем гемопротеин отделяется от внутренней мембраны митохондрий и может быть вытеснен в растворимую цитоплазму через поры внешней мембраны. [22]

Устойчивое повышение уровня кальция предшествует высвобождению цитоцита С из митохондрий. Высвобождение небольшого количества цитоцита c приводит к взаимодействию с рецептором IP3 (IP3R) на эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), вызывая высвобождение кальция из ЭР. Общее увеличение содержания кальция вызывает массовое высвобождение cyt c , который затем действует в петле положительной обратной связи, поддерживая высвобождение кальция из ER через IP3R. [23] Это объясняет, как высвобождение кальция из ЭР может достигать цитотоксического уровня. Это высвобождение цитохрома с, в свою очередь, активирует каспазу 9 , цистеиновую протеазу . Затем каспаза 9 может активировать каспазу 3 и каспазу 7 , которые отвечают за разрушение клетки изнутри.

Ингибирование апоптоза

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

В качестве антиоксидантного фермента

Удаление О2и H 2 O 2 цитохромом с

В дополнение к своей хорошо известной роли в цепи переноса электронов и апоптозе клеток, согласно недавнему исследованию, цитохром С также может действовать как антиоксидантный фермент в митохондриях; он делает это путем удаления супероксида ( O2) и перекись водорода (H 2 O 2 ) из митохондрий . [26] Следовательно, цитохром c необходим не только в митохондриях для клеточного дыхания, но также необходим в митохондриях для ограничения производства O.2и Н 2 О 2 . [26]

Экстрамитохондриальная локализация

Широко распространено мнение, что цитохром с в нормальных физиологических условиях локализуется исключительно в митохондриальном межмембранном пространстве. [27] Высвобождение цитохрома с из митохондрий в цитозоль, где он активирует семейство протеаз каспаз , считается основным триггером, приводящим к началу апоптоза. [28] Измерение количества цитохрома с, просачивающегося из митохондрий в цитозоль и из клетки в культуральную среду, является чувствительным методом мониторинга степени апоптоза. [29] [30] Однако подробные иммуноэлектронно-микроскопические исследования срезов тканей крыс с использованием антител, специфичных к цитохрому с, предоставили убедительные доказательства того, что цитохром с в нормальных клеточных условиях также присутствует во внемитохондриальных местах. [31] В ацинарных клетках поджелудочной железы и передней доле гипофиза сильное и специфическое присутствие цитохрома с было обнаружено в гранулах зимогена и в гранулах гормона роста соответственно. В поджелудочной железе цитохром с обнаружен также в конденсирующих вакуолях и в просвете ацина . Показано, что экстрамитохондриальная локализация цитохрома с является специфичной, поскольку она полностью устраняется при адсорбции первичного антитела с очищенным цитохромом с. [31] Помимо цитохрома с, экстрамитохондриальная локализация также наблюдалась для большого числа других белков, в том числе тех, которые кодируются митохондриальной ДНК. [32] [33] [34] Это повышает вероятность существования еще не выявленных специфических механизмов транслокации белков из митохондрий в другие клеточные направления. [34] [35]

Приложения

Обнаружение супероксида

Пероксиазотистая кислота

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

В качестве фермента каталитической активности

Цитохром С также широко изучался как фермент с пероксидазоподобной активностью. Цитохром C был конъюгирован с заряженным полимером для проверки его пероксидазоподобной активности. [39] [40] Цитохром C, вдохновленный природными примерами инкапсуляции ферментов в белковые клеточные структуры (пример: карбоксисомы, ферритин и энкапсулин), был инкапсулирован в небольшой самособирающийся ДНК-связывающий белок размером 9 нм из клеток, испытывающих недостаток питательных веществ (Dps). ) белковая клетка с использованием подхода химерной самосборки. Авторы наблюдали уникальное поведение каталитической активности при инкапсуляции фермента внутри белковой клетки, которое отличалось от активности фермента в растворе. Это было связано с локальным микроокружением, обеспечиваемым внутренней полостью наноклетки Dps, которая отличается от основной. [41]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc GRCh38: выпуск Ensembl 89: ENSG00000172115 - Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: выпуск Ensembl 89: ENSMUSG00000063694 - Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ "Ссылка на Human PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ "Ссылка на мышь PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ «Ген Энтрез: цитохром с» .
  6. ^ Тафани М., Карпинич Н.О., Херстер К.А., Пасторино Дж.Г., Шнайдер Т., Руссо М.А., Фарбер Дж.Л. (март 2002 г.). «Высвобождение цитохрома с при активации рецептора Fas зависит от транслокации полноразмерного бида и индукции перехода митохондриальной проницаемости». Журнал биологической химии . 277 (12): 10073–82. дои : 10.1074/jbc.M111350200 . ПМИД  11790791.
  7. ^ «Цитохром c - Homo sapiens (Человек)» . Р99999 . Консорциум ЮниПрот. масса 11749 Дальтон.
  8. ^ Марголиаш Э (октябрь 1963 г.). «Первичная структура и эволюция цитохрома с». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 50 (4): 672–9. Бибкод : 1963PNAS...50..672M. дои : 10.1073/pnas.50.4.672 . ПМК 221244 . ПМИД  14077496. 
  9. ^ Аминокислотные последовательности в белках цитохрома c разных видов. Архивировано 28 декабря 2013 г. в Wayback Machine , адаптировано из Стралера, Артура; Наука и история Земли, 1997. стр. 348.
  10. ^ Луркин П.Ф., Стоун Л., Кавалли-Сфорца Л.Л. (2007). Гены, культура и эволюция человека: синтез. Оксфорд: Блэквелл. п. 79. ИСБН 978-1-4051-5089-7.
  11. ^ abc Страйер Л (1975). Биохимия (1-е изд.). Сан-Франциско: WH Freeman and Company. п. 362. ИСБН 978-0-7167-0174-3.
  12. ^ Макферсон А, ДеЛукас LJ (2015). «Кристаллизация белков в условиях микрогравитации». npj Микрогравитация . 1 : 15010. doi : 10.1038/npjmgrad.2015.10. ПМК 5515504 . ПМИД  28725714. 
  13. ^ Эмблер Р.П. (май 1991 г.). «Изменчивость последовательности бактериальных цитохромов с». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Биоэнергетика . 1058 (1): 42–7. doi : 10.1016/S0005-2728(05)80266-X. ПМИД  1646017.
  14. ^ Мавриду Д.А., Фергюсон С.Дж., Стивенс Дж.М. (март 2013 г.). «Сборка цитохрома С». ИУБМБ Жизнь . 65 (3): 209–16. дои : 10.1002/iub.1123. PMID  23341334. S2CID  32216217.
  15. ^ Лю Дж., Чакраборти С., Хоссейнзаде П., Ю Ю, Тиан С., Петрик И., Бхаги А., Лу Ю. (23 апреля 2014 г.). «Металлопротеины, содержащие цитохромные, железо-серные или медные окислительно-восстановительные центры». Химические обзоры . 114 (8): 4366–4469. дои : 10.1021/cr400479b. ISSN  0009-2665. ПМК 4002152 . ПМИД  24758379. 
  16. ^ Кан X, Кэри Дж (ноябрь 1999 г.). «Роль гема в структурной организации цитохрома с, исследованная методом полусинтеза». Биохимия . 38 (48): 15944–51. дои : 10.1021/bi9919089. ПМИД  10625461.
  17. ^ Чжао Ю, Ван ЗБ, Сюй JX (январь 2003 г.). «Влияние цитохрома с на образование и устранение O2– и H2O2 в митохондриях». Журнал биологической химии . 278 (4): 2356–60. дои : 10.1074/jbc.M209681200 . ПМИД  12435729.
  18. ^ Коппенол WH, Марголиаш Э (апрель 1982 г.). «Асимметричное распределение зарядов на поверхности цитохрома с лошади. Функциональное значение». Журнал биологической химии . 257 (8): 4426–37. дои : 10.1016/S0021-9258(18)34740-9 . ПМИД  6279635.
  19. ^ abc Koppenol WH, Rush JD, Mills JD, Margoliash E (июль 1991 г.). «Дипольный момент цитохрома с». Молекулярная биология и эволюция . 8 (4): 545–58. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040659 . ПМИД  1656165.
  20. ^ Шнайдер Дж., Кронек П.М. (2014). «Производство аммиака мультигемовыми цитохромами C». В Kroneck PM, Torres ME (ред.). Металлоориентированная биогеохимия газообразных соединений в окружающей среде . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 14. Спрингер. стр. 211–236. дои : 10.1007/978-94-017-9269-1_9. ISBN 978-94-017-9268-4. ПМИД  25416396.
  21. ^ Лю X, Ким CN, Ян Дж, Джеммерсон Р, Ван X (июль 1996 г.). «Индукция апоптотической программы в бесклеточных экстрактах: потребность в dATP и цитохроме с». Клетка . 86 (1): 147–57. дои : 10.1016/S0092-8674(00)80085-9 . PMID  8689682. S2CID  12604356.
  22. ^ Оррениус С, Животовский Б (сентябрь 2005 г.). «Окисление кардиолипина освобождает цитохром с». Химическая биология природы . 1 (4): 188–9. doi : 10.1038/nchembio0905-188. PMID  16408030. S2CID  45381495.
  23. ^ Боенинг Д., Паттерсон Р.Л., Седагат Л., Глебова Н.О., Куросаки Т., Снайдер Ш.Х. (декабрь 2003 г.). «Цитохром С связывается с инозитол (1,4,5) трифосфатными рецепторами, усиливая кальций-зависимый апоптоз». Природная клеточная биология . 5 (12): 1051–61. дои : 10.1038/ncb1063. PMID  14608362. S2CID  27761335.
  24. ^ Харбанда С., Панди П., Шофилд Л., Исраэльс С., Ронцинске Р., Йошида К., Бхарти А., Юань З.М., Саксена С., Вайхсельбаум Р., Налин С., Куфе Д. (июнь 1997 г.). «Роль Bcl-xL как ингибитора цитозольного накопления цитохрома C в апоптозе, вызванном повреждением ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (13): 6939–42. Бибкод : 1997PNAS...94.6939K. дои : 10.1073/pnas.94.13.6939 . ПМК 21263 . ПМИД  9192670. 
  25. ^ Гарсиа-Эредиа Х.М., Диас-Кинтана А., Сальсано М., Орсаес М., Перес-Пайя Е., Тейшейра М., Де ла Роса М.А., Диас-Морено I (декабрь 2011 г.). «Фосфорилирование тирозина превращает щелочной переход в биологически значимый процесс и заставляет человеческий цитохром С вести себя как антиапоптотический переключатель». Журнал биологической неорганической химии . 16 (8): 1155–68. дои : 10.1007/s00775-011-0804-9. PMID  21706253. S2CID  24156094.
  26. ^ аб Боуман С.Э., Брен К.Л. (декабрь 2008 г.). «Химия и биохимия гема c: функциональные основы ковалентного присоединения». Отчеты о натуральных продуктах . 25 (6): 1118–30. дои : 10.1039/b717196j. ПМЦ 2654777 . ПМИД  19030605. 
  27. ^ Нойперт В. (1997). «Импорт белка в митохондрии». Ежегодный обзор биохимии . 66 : 863–917. doi :10.1146/annurev.biochem.66.1.863. ПМИД  9242927.
  28. ^ Кремер Г., Даллапорта Б., Реше-Ригон М. (1998). «Регулятор смерти/жизни митохондрий при апоптозе и некрозе». Ежегодный обзор физиологии . 60 : 619–42. doi :10.1146/annurev.physical.60.1.619. ПМИД  9558479.
  29. ^ Лу Дж.Ф., Лау П.М., Хо Х.П., Конг С.К. (октябрь 2013 г.). «Анализ биоштрих-кода на основе аптамера с изотермической амплификацией рекомбиназной полимеразы для обнаружения цитохрома-с и скрининга противораковых препаратов». Таланта . 115 : 159–65. doi :10.1016/j.talanta.2013.04.051. ПМИД  24054573.
  30. ^ Уотерхаус, Нью-Джерси, Трапани, Дж. А. (июль 2003 г.). «Новый количественный анализ высвобождения цитохрома с в апоптотических клетках». Смерть клеток и дифференцировка . 10 (7): 853–5. дои : 10.1038/sj.cdd.4401263 . ПМИД  12815469.
  31. ^ ab Солтис Б.Дж., Эндрюс Д.В., Джеммерсон Р., Гупта Р.С. (2001). «Цитохром-С локализуется в секреторных гранулах поджелудочной железы и передней доли гипофиза». Международная клеточная биология . 25 (4): 331–8. дои : 10.1006/cbir.2000.0651. PMID  11319839. S2CID  2106599.
  32. ^ Гупта Р.С., Рамачандра Н.Б., Боуз Т., Сингх Б. (2008). «Необычное клеточное расположение митохондриальных молекулярных шаперонов Hsp60, Hsp70 и Hsp10». Биология внеклеточных молекулярных шаперонов . Симпозиумы Фонда Новартис. Том. 291. стр. 59–68, обсуждение 69–73, 137–40. дои : 10.1002/9780470754030.ch5. ISBN 978-0-470-75403-0. ПМИД  18575266. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
  33. ^ Садачаран С.К., Сингх Б., Боуз Т., Гупта Р.С. (ноябрь 2005 г.). «Локализация митохондриальной ДНК, кодирующей субъединицы I и II цитохром с-оксидазы, в гранулах зимогена поджелудочной железы крысы и гранулах гормона роста гипофиза». Гистохимия и клеточная биология . 124 (5): 409–21. дои : 10.1007/s00418-005-0056-2. PMID  16133117. S2CID  24440427.
  34. ^ аб Солтыс Б.Дж., Гупта Р.С. (2000). Митохондриальные белки в неожиданных местах клетки: экспорт белков из митохондрий с эволюционной точки зрения . Международный обзор цитологии. Том. 194. стр. 133–96. дои : 10.1016/s0074-7696(08)62396-7. ISBN 978-0-12-364598-2. ПМИД  10494626.
  35. ^ Солтыс Б.Дж., Гупта Р.С. (май 1999 г.). «Белки митохондриального матрикса в неожиданных местах: они экспортируются?». Тенденции биохимических наук . 24 (5): 174–7. дои : 10.1016/s0968-0004(99)01390-0. ПМИД  10322429.
  36. ^ МакКорд Дж. М., Фридович I (ноябрь 1969 г.). «Супероксиддисмутаза. Ферментативная функция эритрокупреина (гемокупреина)». Журнал биологической химии . 244 (22): 6049–55. дои : 10.1016/S0021-9258(18)63504-5 . ПМИД  5389100.
  37. ^ аб Томсон Л., Трухильо М., Теллери Р., Ради Р. (июнь 1995 г.). «Кинетика окисления цитохрома с 2+ пероксинитритом: значение для измерений супероксида в биологических системах, продуцирующих оксид азота». Архив биохимии и биофизики . 319 (2): 491–7. дои : 10.1006/abbi.1995.1321. ПМИД  7786032.
  38. ^ Домазу А.С., Гебичка Л., Дидик Дж., Гебицки Дж.Л., ван дер Мейден Б., Коппенол WH (апрель 2014 г.). «Кинетика реакции диоксида азота с цитохромом с железа(II)- и железа(III)». Свободно-радикальная биология и медицина . 69 : 172–80. doi :10.1016/j.freeradbiomed.2014.01.014. ПМИД  24447894.
  39. ^ Ю. Ф. Чжан, К. Ван и Х. Хесс, ACS Catal., 2017, 7, 2047–2051.
  40. ^ К.Р. Бенсон, Дж. Горецкий, А. Никифоров, В. Цуй, Р.М. Каси и К.В. Кумар, Org. Биомол. хим., 2019, 17, 4043–4048.
  41. ^ Вагвани Х.К., Дуглас, Т. (март 2021 г.). «Цитохром С с пероксидазоподобной активностью, инкапсулированный внутри небольшой наноклетки белка DPS». Журнал химии материалов Б. 9 (14): 3168–3179. дои : 10.1039/d1tb00234a . ПМИД  33885621.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки