Фермент цитохром с оксидаза или комплекс IV (ранее EC 1.9.3.1, теперь переклассифицированный как транслоказ EC 7.1.1.9) представляет собой большой трансмембранный белковый комплекс, обнаруженный в бактериях , археях и митохондриях эукариот . [ 1]
Это последний фермент в дыхательной цепи переноса электронов клеток, расположенный в мембране . Он получает электрон от каждой из четырех молекул цитохрома c и переносит их на одну молекулу кислорода и четыре протона , образуя две молекулы воды. Помимо связывания четырех протонов из внутренней водной фазы, он переносит еще четыре протона через мембрану, увеличивая трансмембранную разницу электрохимического потенциала протонов , которую АТФ-синтаза затем использует для синтеза АТФ .
Комплекс представляет собой большой интегральный мембранный белок, состоящий из нескольких металлических простетических участков и 14 [2] белковых субъединиц у млекопитающих. У млекопитающих одиннадцать субъединиц имеют ядерное происхождение, а три синтезируются в митохондриях. Комплекс содержит два гема , цитохром a и цитохром a 3 , и два медных центра, центры Cu A и Cu B. [3] Фактически, цитохром a 3 и Cu B образуют двухъядерный центр, который является местом восстановления кислорода. Цитохром c , который восстанавливается предыдущим компонентом дыхательной цепи (комплекс цитохрома bc1, комплекс III), стыкуется около двухъядерного центра Cu A и передает ему электрон, окисляясь обратно до цитохрома c, содержащего Fe 3+ . Восстановленный двухъядерный центр Cu A теперь передает электрон цитохрому a, который, в свою очередь, передает электрон двухъядерному центру цитохрома a 3 >-Cu B. Два иона металла в этом биядерном центре находятся на расстоянии 4,5 Å друг от друга и координируют гидроксид-ион в полностью окисленном состоянии.
Кристаллографические исследования цитохром с оксидазы показывают необычную посттрансляционную модификацию, связывающую C6 Tyr(244) и ε-N His(240) (нумерация бычьего фермента). Она играет жизненно важную роль в обеспечении возможности бинуклеарному центру цитохрома a 3 - Cu B принимать четыре электрона при восстановлении молекулярного кислорода и четыре протона до воды. Ранее считалось, что механизм восстановления включает промежуточное соединение пероксида , которое, как считалось, приводит к образованию супероксида . Однако в настоящее время принятый механизм включает быстрое восстановление четырех электронов, включающее немедленное расщепление связи кислород-кислород, избегая любого промежуточного соединения, которое может образовывать супероксид. [4] : 865–866
Сборка COX в дрожжах — сложный процесс, который до конца не изучен из-за быстрой и необратимой агрегации гидрофобных субъединиц, которые образуют комплекс голофермента, а также агрегации мутантных субъединиц с открытыми гидрофобными участками. [11] Субъединицы COX кодируются как в ядерном, так и в митохондриальном геноме. Три субъединицы, которые образуют каталитическое ядро COX, кодируются в митохондриальном геноме. Для сборки COX требуется более 30 различных кодируемых ядром белков-шаперонов. [12]
Кофакторы, включая гемы, вставлены в субъединицы I и II. Две молекулы гема находятся в субъединице I, помогая транспорту в субъединицу II, где две молекулы меди помогают с непрерывным переносом электронов. [13] Субъединицы I и IV инициируют сборку. Различные субъединицы могут объединяться, образуя субкомплексные промежуточные продукты, которые позже связываются с другими субъединицами, образуя комплекс COX. [11] В модификациях после сборки COX образует гомодимер. Это необходимо для активности. Димеры связаны молекулой кардиолипина , [11] [14] [15] , которая, как было обнаружено, играет ключевую роль в стабилизации комплекса холофермента. Диссоциация субъединиц VIIa и III в сочетании с удалением кардиолипина приводит к полной потере активности фермента. [15] Известно, что субъединицы, закодированные в ядерном геноме, играют роль в димеризации и стабильности фермента. Мутации в этих субъединицах устраняют функцию COX. [11]
Известно, что сборка происходит по крайней мере в три отдельных этапа, определяющих скорость. Продукты этих этапов были обнаружены, хотя конкретные составы субъединиц не были определены. [11]
Синтез и сборка субъединиц COX I, II и III облегчаются трансляционными активаторами, которые взаимодействуют с 5'-нетранслируемыми областями митохондриальных мРНК-транскриптов. Трансляционные активаторы кодируются в ядре. Они могут работать посредством прямого или косвенного взаимодействия с другими компонентами трансляционного аппарата, но точные молекулярные механизмы неясны из-за трудностей, связанных с синтезом трансляционного аппарата in vitro. [16] [17] Хотя взаимодействия между субъединицами I, II и III, кодируемыми в митохондриальном геноме, вносят меньший вклад в стабильность фермента, чем взаимодействия между бигеномными субъединицами, эти субъединицы более консервативны, что указывает на потенциальные неисследованные роли для активности фермента. [18]
Общая реакция такова:
Два электрона передаются от двух цитохромов c через сайты Cu A и цитохрома a к бинуклеарному центру цитохрома a 3 –Cu B , восстанавливая металлы до формы Fe 2+ и Cu + . Гидроксидный лиганд протонируется и теряется в виде воды, создавая пустоту между металлами, которая заполняется O 2 . Кислород быстро восстанавливается, при этом два электрона поступают от Fe 2+ -цитохрома a 3 , который преобразуется в феррил оксоформу (Fe 4+ =O). Атом кислорода, близкий к Cu B, забирает один электрон от Cu + , а второй электрон и протон от гидроксила Tyr (244), который становится тирозильным радикалом. Второй кислород преобразуется в гидроксид-ион, забирая два электрона и протон. Третий электрон от другого цитохрома c проходит через первые два электронных переносчика к бинуклеарному центру цитохрома a 3 –Cu B , и этот электрон и два протона преобразуют радикал тирозила обратно в Tyr, а гидроксид, связанный с Cu B 2+, в молекулу воды. Четвертый электрон от другого цитохрома c проходит через Cu A и цитохром a к бинуклеарному центру цитохрома a 3 –Cu B , восстанавливая Fe 4+ =O до Fe 3+ , при этом атом кислорода одновременно захватывает протон, регенерируя этот кислород в виде гидроксид-иона, координированного в середине центра цитохрома a 3 –Cu B, как это было в начале этого цикла. В целом, четыре восстановленных цитохрома c окисляются, в то время как O 2 и четыре протона восстанавливаются до двух молекул воды. [4] : 841–5
COX существует в трех конформационных состояниях: полностью окисленном (импульсном), частично восстановленном и полностью восстановленном. Каждый ингибитор имеет высокое сродство к другому состоянию. В импульсном состоянии окисляются как гем a 3 , так и ядерные центры Cu B ; это конформация фермента, которая имеет самую высокую активность. Восстановление двумя электронами инициирует конформационное изменение, которое позволяет кислороду связываться в активном центре с частично восстановленным ферментом. Четыре электрона связываются с COX, чтобы полностью восстановить фермент. Его полностью восстановленное состояние, которое состоит из восстановленного Fe 2+ в группе гема цитохрома a 3 и восстановленного бинуклеарного центра Cu B + , считается неактивным или покоящимся состоянием фермента. [19]
Цианид , азид и оксид углерода [20] связываются с цитохром с оксидазой, подавляя функционирование белка и приводя к химической асфиксии клеток. Для компенсации увеличения концентрации ингибитора необходимы более высокие концентрации молекулярного кислорода, что приводит к общему снижению метаболической активности в клетке в присутствии ингибитора. Другие лиганды, такие как оксид азота и сероводород, также могут ингибировать ЦОГ, связываясь с регуляторными участками на ферменте, снижая скорость клеточного дыхания. [21]
Цианид является неконкурентным ингибитором ЦОГ, [22] [23] связываясь с высокой степенью сродства с частично восстановленным состоянием фермента и препятствуя дальнейшему восстановлению фермента. В импульсном состоянии цианид связывается медленно, но с высокой степенью сродства. Предполагается, что лиганд электростатически стабилизирует оба металла одновременно, располагаясь между ними. Высокая концентрация оксида азота, например, добавленная экзогенно к ферменту, отменяет ингибирование ЦОГ цианидом. [24]
Оксид азота может обратимо [25] связываться с любым ионом металла в двухъядерном центре, чтобы окислиться до нитрита. NO и CN − будут конкурировать с кислородом за связывание на этом участке, снижая скорость клеточного дыхания. Однако эндогенный NO, который вырабатывается на более низких уровнях, усиливает ингибирование CN − . Более высокие уровни NO, которые коррелируют с существованием большего количества фермента в восстановленном состоянии, приводят к большему ингибированию цианида. [19] При этих базальных концентрациях известно, что ингибирование NO комплекса IV имеет полезные эффекты, такие как повышение уровня кислорода в тканях кровеносных сосудов. Неспособность фермента восстанавливать кислород до воды приводит к накоплению кислорода, который может глубже диффундировать в окружающие ткани. [25] Ингибирование NO комплекса IV имеет больший эффект при более низких концентрациях кислорода, увеличивая его полезность в качестве вазодилататора в нуждающихся тканях. [25]
Сероводород будет связывать COX неконкурентным образом в регуляторном участке фермента, подобно оксиду углерода. Сульфид имеет наибольшее сродство либо к импульсным, либо к частично восстановленным состояниям фермента и способен частично восстанавливать фермент в центре гема a 3. Неясно, достаточны ли эндогенные уровни H 2 S для ингибирования фермента. Между сероводородом и полностью восстановленной конформацией COX нет взаимодействия. [21]
Метанол в метилированных спиртах преобразуется в муравьиную кислоту , которая также ингибирует ту же самую оксидазную систему. Высокие уровни АТФ могут аллостерически ингибировать цитохром с оксидазу, связываясь изнутри митохондриального матрикса. [26]
Цитохром с оксидаза имеет 3 субъединицы, которые кодируются митохондриальной ДНК ( субъединица I цитохром с оксидазы , субъединица II и субъединица III ). Из этих 3 субъединиц, кодируемых митохондриальной ДНК, две были идентифицированы в экстрамитохондриальных местах. В ацинарной ткани поджелудочной железы эти субъединицы были обнаружены в гранулах зимогена . Кроме того, в передней доле гипофиза относительно высокие количества этих субъединиц были обнаружены в секреторных гранулах гормона роста . [27] Экстрамитохондриальная функция этих субъединиц цитохром с оксидазы еще не была охарактеризована. Помимо субъединиц цитохром с оксидазы, экстрамитохондриальная локализация также наблюдалась для большого количества других митохондриальных белков. [28] [29] Это повышает вероятность существования пока еще не идентифицированных специфических механизмов транслокации белков из митохондрий в другие клеточные пункты назначения. [27] [29] [30]
Дефекты, связанные с генетическими мутациями, изменяющими функциональность или структуру цитохром с оксидазы (COX), могут привести к тяжелым, часто фатальным метаболическим расстройствам . Такие расстройства обычно проявляются в раннем детстве и поражают преимущественно ткани с высокими энергетическими потребностями (мозг, сердце, мышцы). Среди многих классифицированных митохондриальных заболеваний , те, которые связаны с дисфункциональной сборкой COX, считаются наиболее тяжелыми. [31]
Подавляющее большинство нарушений ЦОГ связано с мутациями в белках, кодируемых ядром, называемых факторами сборки или белками сборки. Эти факторы сборки вносят вклад в структуру и функциональность ЦОГ и участвуют в нескольких важных процессах, включая транскрипцию и трансляцию субъединиц, кодируемых митохондриями, обработку препротеинов и вставку мембраны, а также биосинтез и включение кофактора. [32]
В настоящее время мутации были идентифицированы в семи факторах сборки COX: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 и LRPPRC . Мутации в этих белках могут привести к изменению функциональности сборки субкомплекса, транспорта меди или трансляционной регуляции. Каждая мутация гена связана с этиологией определенного заболевания, а некоторые имеют последствия при нескольких расстройствах. Расстройства, связанные с дисфункциональной сборкой COX через мутации генов, включают синдром Ли , кардиомиопатию , лейкодистрофию , анемию и нейросенсорную глухоту .
Повышенная зависимость нейронов от окислительного фосфорилирования для получения энергии [33] облегчает использование гистохимии ЦОГ при картировании регионального метаболизма мозга у животных, поскольку она устанавливает прямую и положительную корреляцию между активностью фермента и активностью нейронов. [34] Это можно увидеть в корреляции между количеством фермента ЦОГ и активностью, что указывает на регуляцию ЦОГ на уровне экспрессии генов. Распределение ЦОГ непостоянно в разных регионах мозга животных, но его характер распределения постоянен у разных животных. Этот характер наблюдался в мозге обезьяны, мыши и теленка. Один изофермент ЦОГ последовательно обнаруживался при гистохимическом анализе мозга. [35] Такое картирование мозга было выполнено у спонтанно мутантных мышей с мозжечковым заболеванием, таким как Рилер [36] и трансгенной модели болезни Альцгеймера . [37] Этот метод также использовался для картирования обучающей активности в мозге животных. [38]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )