Фермент цитохром с оксидаза или Комплекс IV (был EC 1.9.3.1, теперь реклассифицирован как транслоказа EC 7.1.1.9) представляет собой большой трансмембранный белковый комплекс , обнаруженный у бактерий , архей и митохондрий эукариот . [1]
Это последний фермент в дыхательной цепи переноса электронов клеток , расположенных в мембране . Он получает электрон от каждой из четырех молекул цитохрома с и передает их одной молекуле кислорода и четырем протонам , образуя две молекулы воды. Помимо связывания четырех протонов из внутренней водной фазы, он транспортирует еще четыре протона через мембрану, увеличивая трансмембранную разницу электрохимического потенциала протонов , который затем использует АТФ-синтаза для синтеза АТФ .
Комплекс представляет собой крупный интегральный мембранный белок , состоящий из нескольких металлических протезных участков и 14 [2] белковых субъединиц млекопитающих. У млекопитающих одиннадцать субъединиц имеют ядерное происхождение, а три синтезируются в митохондриях. Комплекс содержит два гема , цитохром а и цитохром а 3 , а также два медных центра, центры Cu A и Cu B. [3] Фактически, цитохром a 3 и Cu B образуют биядерный центр, который является местом восстановления кислорода. Цитохром с , восстанавливаемый предшествующим компонентом дыхательной цепи (комплексом цитохрома bc1, Комплекс III), стыкуется вблизи биядерного центра Cu А и передает ему электрон, окисляясь обратно до цитохрома с, содержащего Fe 3+ . Восстановленный биядерный центр Cu A теперь передает электрон цитохрому a, который, в свою очередь, передает электрон биядерному 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 бычьих ферментов). Он играет жизненно важную роль в обеспечении возможности биядерному центру цитохрома a 3 - Cu B принимать четыре электрона при восстановлении молекулярного кислорода и четырех протонов до воды. Ранее считалось, что механизм восстановления включает промежуточный пероксид , который, как полагали, приводит к образованию супероксида . Однако общепринятый в настоящее время механизм включает быстрое четырехэлектронное восстановление, включающее немедленный разрыв связи кислород-кислород, избегая любого промежуточного соединения, которое может образовывать супероксид. [4] : 865–866.
Сборка ЦОГ у дрожжей представляет собой сложный процесс, который до конца не изучен из-за быстрой и необратимой агрегации гидрофобных субъединиц, образующих голоферментный комплекс, а также агрегации мутантных субъединиц с обнаженными гидрофобными участками. [11] Субъединицы ЦОГ кодируются как в ядерном, так и в митохондриальном геноме. Три субъединицы, образующие каталитическое ядро ЦОГ, закодированы в митохондриальном геноме. Для сборки ЦОГ необходимо более 30 различных ядерно-кодируемых белков-шаперонов. [12]
Кофакторы, включая гемы, встраиваются в субъединицы I и II. Две молекулы гема находятся в субъединице I, помогая транспортироваться к субъединице II, где две молекулы меди способствуют непрерывному переносу электронов. [13] Субъединицы I и IV начинают сборку. Различные субъединицы могут объединяться с образованием промежуточных субкомплексов, которые позже связываются с другими субъединицами, образуя комплекс ЦОГ. [11] В модификациях после сборки ЦОГ образует гомодимер. Это необходимо для активности. Димеры соединены молекулой кардиолипина [11] [14] [15] , которая, как было обнаружено, играет ключевую роль в стабилизации голоферментного комплекса. 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 ферментов. Мутации этих субъединиц нарушают функцию ЦОГ. [11]
Известно, что сборка происходит по крайней мере в три отдельных этапа, определяющих скорость. Продукты этих стадий были обнаружены, хотя конкретный состав субъединиц не был определен. [11]
Синтезу и сборке субъединиц ЦОГ I, II и III способствуют активаторы трансляции, которые взаимодействуют с 5'-нетранслируемыми участками транскриптов митохондриальной мРНК. Активаторы трансляции закодированы в ядре. Они могут действовать посредством прямого или непрямого взаимодействия с другими компонентами аппарата трансляции, но точные молекулярные механизмы неясны из-за трудностей, связанных с синтезом аппарата трансляции in vitro. [16] [17] Хотя взаимодействия между субъединицами I, II и III, закодированными в митохондриальном геноме, вносят меньший вклад в стабильность фермента, чем взаимодействия между бигеномными субъединицами, эти субъединицы более консервативны, что указывает на потенциальную неизученную роль активности фермента. [18]
Общая реакция такая
Два электрона переходят от двух цитохромов с через сайты Cu A и цитохрома a к биядерному 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, заполняемую O 2 . Кислород быстро восстанавливается, при этом два электрона отходят от Fe 2+ -цитохрома а 3 , который превращается в феррил-оксо-форму (Fe 4+ =O). Атом кислорода, близкий к Cu B, отбирает один электрон от Cu + , а второй электрон и протон от гидроксила Tyr(244), который становится тирозильным радикалом. Второй кислород преобразуется в гидроксид-ион путем захвата двух электронов и протона. Третий электрон от другого цитохрома с проходит через первые два переносчика электронов к биядерному центру цитохрома а 3 –Cu B , и этот электрон и два протона превращают тирозильный радикал обратно в Tyr, а гидроксид, связанный с Cu B 2+ , в молекула воды. Четвертый электрон от другого цитохрома с проходит через Cu A и цитохром a к биядерному центру цитохрома a 3 –Cu B , восстанавливая Fe 4+ =O до Fe 3+ , при этом атом кислорода одновременно захватывает протон, регенерируя этот кислород. как гидроксид-ион, координированный в середине центра цитохрома А 3 –Cu B , как это было в начале этого цикла. В целом четыре восстановленных цитохрома с окисляются, а O 2 и четыре протона восстанавливаются до двух молекул воды. [4] : 841–5.
ЦОГ существует в трех конформационных состояниях: полностью окисленном (импульсном), частично восстановленном и полностью восстановленном. Каждый ингибитор имеет высокое сродство к разным состояниям. В импульсном состоянии окисляются как гем а 3 , так и ядерные центры Cu B ; это конформация фермента, обладающая наибольшей активностью. Двухэлектронное восстановление инициирует конформационные изменения, которые позволяют кислороду связываться в активном центре с частично восстановленным ферментом. Четыре электрона связываются с ЦОГ, полностью восстанавливая фермент. Его полностью восстановленное состояние, которое состоит из восстановленного Fe 2+ в гемовой группе цитохрома А 3 и восстановленного биядерного центра Cu B + , считается неактивным или покоящимся состоянием фермента. [19]
Цианид , азид и окись углерода [20] связываются с цитохром-с-оксидазой, подавляя функционирование белка и приводя к химическому удушью клеток. Более высокие концентрации молекулярного кислорода необходимы для компенсации увеличения концентрации ингибитора, 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 фермента, снижая скорость клеточного дыхания. [21]
Цианид является неконкурентным ингибитором ЦОГ, [22] [23] связывающимся с высоким сродством к частично восстановленному состоянию фермента и препятствующим дальнейшему восстановлению фермента. В импульсном состоянии цианид связывается медленно, но с высоким сродством. Предполагается, что лиганд электростатически стабилизирует оба металла одновременно, располагаясь между ними. Высокая концентрация оксида азота, например, добавленная экзогенно к ферменту, обращает вспять цианидное ингибирование ЦОГ. [24]
Оксид азота может обратимо [25] связываться с любым ионом металла в биядерном центре и окисляться до нитрита. NO и CN – будут конкурировать с кислородом за связывание в этом месте, снижая скорость клеточного дыхания. Однако эндогенный NO, который вырабатывается на более низких уровнях, усиливает ингибирование CN- . Более высокие уровни NO, которые коррелируют с наличием большего количества ферментов в восстановленном состоянии, приводят к большему ингибированию цианида. [19] Известно, что при этих базальных концентрациях ингибирование NO Комплекса IV оказывает благотворное воздействие, например, повышает уровень кислорода в тканях кровеносных сосудов. Неспособность фермента восстанавливать кислород до воды приводит к накоплению кислорода, который может диффундировать глубже в окружающие ткани. [25] Ингибирование NO Комплекса IV оказывает больший эффект при более низких концентрациях кислорода, увеличивая его полезность в качестве сосудорасширяющего средства в нуждающихся тканях. [25]
Сероводород будет связывать ЦОГ неконкурентным образом в регуляторном участке фермента, подобно монооксиду углерода. Сульфид имеет наибольшее сродство как к импульсному, так и к частично восстановленному состояниям фермента и способен частично восстанавливать фермент в центре гема а 3 . Неясно, достаточны ли эндогенные уровни H 2 S для ингибирования фермента. Взаимодействие между сероводородом и полностью восстановленной конформацией ЦОГ отсутствует. [21]
Метанол в метиловых спиртах превращается в муравьиную кислоту , которая также ингибирует ту же 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 трех субъединиц, кодируемых митохондриальной ДНК, две были идентифицированы во внемитохондриальных местах. В ацинарной ткани поджелудочной железы эти субъединицы обнаружены в зимогенных гранулах. Кроме того, в передней доле гипофиза относительно большое количество этих субъединиц было обнаружено в секреторных гранулах гормона роста . [27] Экстрамитохондриальная функция этих субъединиц цитохром-с-оксидазы еще не охарактеризована. Помимо субъединиц цитохром-с-оксидазы, экстрамитохондриальная локализация также наблюдалась для большого числа других митохондриальных белков. [28] [29] Это повышает вероятность существования еще не выявленных специфических механизмов транслокации белков из митохондрий в другие клеточные направления. [27] [29] [30]
Дефекты, связанные с генетическими мутациями, изменяющими функциональность или структуру цитохром- с -оксидазы (ЦОГ), могут привести к тяжелым, часто фатальным метаболическим нарушениям . Такие нарушения обычно манифестируют в раннем детстве и поражают преимущественно ткани с высокими энергетическими потребностями (мозг, сердце, мышцы). Среди многих классифицированных митохондриальных заболеваний заболевания, связанные с дисфункциональной сборкой ЦОГ, 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, процессинг пребелков и вставку в мембрану, а также биосинтез и включение кофакторов. [32]
В настоящее время выявлены мутации в семи факторах сборки ЦОГ: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 и LRPPRC . Мутации в этих белках могут привести к изменению функциональности сборки подкомплексов, транспорта меди или регуляции трансляции. Каждая генная мутация связана с этиологией конкретного заболевания, причем некоторые из них имеют значение при множественных расстройствах. Заболевания, включающие дисфункциональную сборку ЦОГ вследствие мутаций генов, включают синдром Ли , кардиомиопатию , лейкодистрофию , анемию и нейросенсорную глухоту .
Повышенная зависимость нейронов от окислительного фосфорилирования для получения энергии [33] облегчает использование гистохимии ЦОГ для картирования регионального метаболизма мозга у животных, поскольку оно устанавливает прямую и положительную корреляцию между активностью фермента и активностью нейронов. [34] Это можно увидеть по корреляции между количеством фермента ЦОГ и активностью, что указывает на регуляцию ЦОГ на уровне экспрессии генов. Распределение ЦОГ непостоянно в разных областях мозга животных, но характер его распределения у животных одинаков. Эта закономерность наблюдалась в мозге обезьян, мышей и теленка. Один изофермент ЦОГ постоянно выявлялся при гистохимическом анализе головного мозга. [35] Такое картирование мозга было выполнено на спонтанных мутантных мышах с заболеванием мозжечка, таких как Рилер [36] и на трансгенной модели болезни Альцгеймера . [37] Этот метод также использовался для картирования учебной активности в мозге животных. [38]
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )