ЦИТОХРОМ Ц ОКСИДАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦИЈЕ, ИНХИБИТОРИ - БИОЛОГИЈА - 2025

Цитохром ц оксидаза је комплекс ензимских протеина који може да прелазе липида двослојно ћелијске мембране. Он је хемо растљив и углавном је повезан са унутрашњом мембраном митохондрија, а налази се и у прокариотским организмима (бактеријама) и у еукариотима (једноћелијских и вишећелијских).

Назван и комплексом ИВ, овај ензим је од виталне важности у аеробним метаболичким функцијама организама, јер је неопходан у ланцу преноса електрона у коме ћелија сагорева шећере и преузима део енергије ослобођене за складиштење аденосин трифосфата или АТП-а.

Куглични модел хема, молекула који се налази у кристалној структури цитокром ц оксидазе у срцу говеда. Преузето и уредјено из: Бењах-бмм27.

Назив цитохром значи "ћелијски пигменти". Ово су протеини у крви који носе електроне. Цитохроме је открио ирски лекар Цхарлес Алекандер МацМунн 1884. МацМунн је био зачетник открића респираторног пигмента у крви, који се данас назива цитокром 1.

У 1920-има, руски ентомолог и паразитолог Давид Кеилин поново је открио и окарактерисао респираторне пигменте и назвао их цитокромима. Иако их је МацМунн открио 1884. године, научна заједница га је заборавила, а неки су чак и погрешно протумачили његов рад.

Опште карактеристике

Респираторни пигменти имају карактеристичне спектре видљиве светлости. Познато је да постоје најмање четири интегрална мембранска протеинска комплекса где постоји 5 различитих врста цитохрома: а, а3, б, ц1 и ц, класификовани у складу са таласним дужинама максималних спектралних апсорпција.

Обично се налазе на унутрашњој мембрани митохондрија. Међутим, примећени су и у ендоплазматском ретикулуу и хлоропластима, у еукариотским и прокариотским организмима.

Они представљају хеме протетску групу која садржи гвожђе (Фе). Сваки од познатих цитохрома делује у мултиензимским комплексима у транспорту електрона у респираторном процесу или ланцу.

Цитохроми имају функцију учествовања у реакцијама редукције оксидације. Реакције редукције, где они прихватају електроне, одвијају се различито за сваку врсту цитохрома, а њихова вредност се одређује протоком електрона у респираторном ланцу.

-Цитохром ц

Познате су четири класе цитокрома ц, које су следеће.

Класа И

Унутар ове класе се налазе растворљиви цитохроми ниске центрифуге ц (ловспин), присутни у бактеријама и митохондријама. Они су октаедри. Место везивања хема налази се на Н-крају хистидина, а шести лиганд обезбеђује се остатак метионина на Ц-крају.

Из ове класе се може препознати и неколико подразреда чија је тродимензионална структура одређена.

Класа ИИ

У овој класи се налазе високи спиновни цитохроми ц и неки ниски спин цитокроми. Они који имају високи окрет имају место везивања близу Ц-краја, а код оних са малим окретајем чини се да је шести лиганд остатак метионина близу Н краја (Н-крај на енглеском). Они су пентакоординирани са хистидином петог лиганда.

Класа ИИИ

Ову класу карактерише представљање цитокрома ц са вишеструким хемом (ц3 и ц7) и ниским смањењем оксидационог потенцијала, са само 30 аминокиселинских остатака по хем групи. У представницима ове класе, хеме ц групе имају нееквивалентну структуру и функције, поред представљања различитих редокс потенцијала. Они су октаедри.

Класа ИВ

Према неким ауторима, ова класа је створена само да укључује сложене протеине које представљају друге протетске групе, као и хеме ц, или флавоцитохром ц, између осталих.

Цитохром ц оксидаза или комплекс ИВ

Цитохром ц оксидаза је митохондријски ензим који врши завршну фазу транспорта електрона у ћелијском дисању. Овај ензим катализира транспорт електрона из редукованог цитохрома ц у кисеоник.

Нека хемијска једињења попут цијанида, угљендиоксида и азида могу инхибирати деловање овог ензима, изазивајући такозвану ћелијску хемијску асфиксију. Други облици инхибиције комплекса ИВ су генетске мутације.

Са еволуцијског становишта, цитохром ц оксидаза налази се само у аеробним организмима, а неколико група научника сугерише да присуство овог протеина указује на еволуцијске односе где биљке, гљивице, али и животиње имају заједничког претка.

Структура

Цитохром ц оксидаза формира хомодимерни комплекс, то јест састављен од два слична мономера у унутрашњој мембрани митохондрија. Ензимски комплекс састоји се од 3 до 4 подјединице у прокариотским организмима и до највише 13 (неки сугерирају 14) полипептида у организмима као што су сисари.

У тим организмима 3 полипептида су митохондријалног порекла, а остатак потиче из језгра. Сваки мономер има 28 трансмембранских спирала које раздвајају хидрофилне домене против матрикса мембране и интермембранског простора.

Има једну каталитичку јединицу, која се налази у свим ензимима који катализују оксидационо / редукционе реакције, користећи молекулски кисеоник (оксидазе, нарочито хеме-бакар). Комплекс садржи цитохроме а и а3 повезане подјединицом И и два бакрена центра.

Има једну или више хеме ц група повезаних са околном протеинском структуром помоћу једне или више (углавном две) тиоетрске везе. Други аутори сугеришу да постоји једна хеме Ц група која је ковалентно повезана са протеином између порфириног прстена и два цистеинска остатка.

Једина горе споменута хеме ц група окружена је хидрофобним остацима и хексакоординирана је, са хистидином на положају 18 ланца полипептида и метионином на положају 80.

Подјединица цитохроме ц оксидазе Ф. Преузето и уредио: Јавахар Сваминатхан и особље МСД-а у Европском институту за биоинформатику

Карактеристике

Цитохром ц оксидазе су главни актери у три главна физиолошка механизма, која ћемо видети у наставку.

Апоптоза или програмирана ћелијска смрт

Апоптоза је програмирана разарање или смрт ћелија проузрокована од стране самог организма и чија је сврха да контролише раст, развој, елиминацију оштећених ткива и регулацију имуног система. У овом физиолошком процесу, цитохром ц оксидаза учествује као интермедијер.

Овај протеин, који се ослобађа митохондрије, доводи до интеракције са ендоплазматским ретикулумом, што изазива лучење или ослобађање калцијума. Прогресивно повећање калцијума покреће масовно ослобађање цитохром ц оксидазе, све док се не достигне цитотоксични ниво калцијума.

Цитотоксични ниво калцијума и ослобађање цитохрома ц изазивају каскадно активирање неколико ензима каспазе, који су одговорни за уништавање ћелија.

Регенерација ћелија или ткива

Неколико студија показује да када је цитокром ц оксидаза изложена таласним дужинама од 670 нанометара, она учествује у функционалном комплексу, који продире у оштећено или повређено ткиво и повећава брзину регенерације ћелија.

Метаболизам енергије

Ово је можда најпознатија и најрелевантнија функција цитохром ц оксидазе. Управо је оксидазни комплекс (респираторног ланца) одговоран за сакупљање електрона из цитокрома ц и њихов пренос у молекулу кисеоника, смањујући га на два молекула воде.

Повезан са овим процесом, пролонска транслокација догађа се кроз мембрану, што резултира стварањем електрохемијског градијента који комплекс АТП синтетазе користи за производњу или синтезу АТП (аденосин трифосфат).

Инхибитори

Цитохром ц оксидаза инхибира разна хемијска једињења и процесе. Начин на који се јавља може настати као природан начин регулисања производње или деловања ензима или се може догодити случајно због тровања.

У присуству азида, цијанида или угљен моноксида, цитокром ц оксидаза се на њих везује и функционисање протеинског комплекса је инхибирано. То изазива поремећај у ћелијском респираторном процесу и тако изазива хемијско гушење ћелија.

Остала једињења као што су азотни оксид, водоник сулфид, метанол и неки метилирани алкохоли такође изазивају инхибицију цитохром ц оксидазе.

Недостатак

Цитохром ц оксидаза је ензим који контролирају гени и у језгру и у митохондријама. Постоје генетске промјене или мутације које могу довести до недостатка цитохром ц оксидазе.

Ове мутације нарушавају функционалност ензима, јер мењају његову ензимску структуру, доводећи са собом и метаболичке поремећаје током ембрионалног развоја (према људским истраживањима), што ће касније утицати на организам у његовим првим годинама живота.

Мањак цитокром ц оксидазе утиче на ткива са високом потребом енергије, као што су срце, јетра, мозак и мишићи. Симптоми ових мутација огледају се пре две године живота и могу се манифестовати као јака или блага стања.

Благи симптоми могу се приметити већ убрзо након навршене прве године живота, а особе са њима обично имају само смањену мишићну напетост (хипотонија) и атрофију мишића (миопатија).

С друге стране, појединци са јачим симптомима могу имати атрофију мишића и енцефаломиопатију. Остала стања узрокована одсуством цитохром ц оксидазе су хипертрофична кардиомиопатија, патолошко увећање јетре, Леигх-ов синдром и лактацидоза.

Употребљава се у филогенији

Филогенија је наука која је одговорна за проучавање порекла, формирања и еволуцијског развоја организама са становишта потомака предака. У последњим деценијама, студије филогеније молекуларном анализом су све учесталије, што је донијело много информација и решавало таксономске проблеме.

У том смислу, неке филогенетске студије показују да употреба цитохром ц оксидаза може помоћи у успостављању еволуционих веза. То је зато што је овај протеински комплекс изузетно конзервиран и присутан у великом броју организама, у распону од једноцеличних прости до великих кичмењака.

Примери су тестови који су извршени на људима, шимпанзама (Пан панисцус) и резусним макакама (Мацаца мулатта). Овакви тестови су открили да су молекули цитокрома ц и оксидазе хумане и шимпанзе идентични.

Такође је показало да се молекули цитокром ц-оксидазе у Рхесус макаки разликују по једној аминокиселини од оне прве две, што је на тај начин потврдило односе претки-потомка између чимпанза и људи.

Референце

1. РП Амблер (1991). Променљивост секвенце у бактеријским цитохромима ц. Биоцхимица ет Биопхисица Ацта (ББА) - Биоенергетика.
2. Цитохром ц. Опоравак са невворлденцицлопедиа.орг.
3. В. Цолман, Е. Цоста, Р. Цхавес, В. Тортора (2015). Биолошке улоге цитокрома ц: митохондријски транспорт електрона, програмирана ћелијска смрт и повећање активности пероксида. Анали Медицинског факултета.
4. Ценохром ц оксидаза подјединица И. Опоравак од еби.ац.ук.
5. Л. Иоуфен, П. Јеонг-Соон, Д. Јиан-Хонг и Б. Иидонг (2007). Цитохром ц оксидазна подјединица ИВ од суштинског је значаја за монтажу и респираторну функцију ензимског комплекса. Часопис за биоенергетику и биомембрене.
6. Генска група: митохондријални комплекс ИВ: подјединице цитохром ц оксидазе (ЦОКС, МТ-ЦО). Опоравак са гененамес.орг.
7. ЕФ Хартрее (1973). Откривање цитохрома. Биохемијско образовање.
8. Цитохром ц оксидаза, недостатак…. Опоравило са ивами.цом.
9. ЦК Матхевс, КЕ ван Холде и КГ Ахерн (2002). Биохеместри. 3. издање Бењамин / Цуммингс Публисхинг Цомпани, Инц.