CITOCROMUL C OXIDAZA: STRUCTURĂ, FUNCȚII, INHIBITORI - BIOLOGIE - 2025

Citocromului c oxidaza este un complex de proteine enzimatice care pot traversa bistratul lipidic al membranei celulare. Este hemosolubil și este asociat în principal cu membrana internă a mitocondriilor, fiind găsit atât în ​​organisme procariote (bacterii) cât și în eucariote (unicelulare și multicelulare).

Numită și complexul IV, această enzimă este vitală în funcțiile metabolice aerobe ale organismelor, deoarece este esențială în lanțul de transport al electronilor în care celula arde zaharuri și captează o parte din energia eliberată pentru a stoca adenozina trifosfat sau ATP.

Model cu bile și lipici de heme, al unei molecule care se găsește în structura cristalină a citocromului c oxidazei din inima bovină. Preluat și editat din: Benjah-bmm27.

Numele de citocrom înseamnă „pigmenți celulari”. Acestea sunt proteine ​​din sânge care transportă electroni. Citocromele au fost descoperite de medicul irlandez Charles Alexander MacMunn în 1884. MacMunn a fost pionier în descoperirea pigmentului respirator în sânge, numit astăzi citocromul 1.

În anii 1920, entomologul și parazitologul rus David Keilin a redescoperit și caracterizat pigmenții respiratori și a fost cel care i-a numit citocromi. Deși MacMunn i-a descoperit în 1884, comunitatea științifică l-a uitat și unii chiar au interpretat greșit opera sa.

Caracteristici generale

În general, pigmenții respiratori au spectre luminoase vizibile caracteristice. Se știe că există cel puțin patru complexe proteice integrale de membrană în care există 5 tipuri diferite de citocromuri: a, a3, b, c1 și c, clasificate în funcție de lungimile de undă ale absorbției spectrale maxime.

În general se găsesc pe membrana internă a mitocondriilor. Cu toate acestea, au fost observate și în reticulul endoplasmatic și cloroplastele, în organismele eucariote și procariote.

Acestea prezintă grupa protetică heme care conține fier (Fe). Fiecare citocrom cunoscut acționează în complexe multienzime în transportul electronilor în procesul respirator sau în lanț.

Citocromele au funcția de a participa la reacțiile de oxidare-reducere. Reacțiile de reducere, în care acceptă electroni, apar diferit pentru fiecare tip de citocrom, iar valoarea lor este determinată de fluxul de electroni în lanțul respirator.

-Citocrom c

Sunt cunoscute patru clase de citocrom c, care sunt următoarele.

Clasa I

În cadrul acestei clase se află citocromele c solubile cu spin mic, prezente în bacterii și mitocondrii. Sunt octaedrice. Locul de legare a hemeului se află la capătul N al histidinei și al șaselea ligand este furnizat de un reziduu de metionină la capătul C.

Din această clasă pot fi recunoscute chiar și mai multe subclase, a căror structură tridimensională a fost determinată.

Clasa II

În această clasă se găsesc citocromul cu spin înalt și unele citocromuri cu rotire mică. Cei cu viraj ridicat au situsul de legare aproape de capătul C, iar la cei cu viraj scăzut, al șaselea ligand pare a fi un reziduu de metionină în apropierea capătului N (N-terminus în engleză). Sunt pentacoordinate cu histidină cu ligand al cincilea.

Clasa a III-a

Această clasă se caracterizează prin prezentarea citocromelor c cu heme multiple (c3 și c7) și cu un potențial mic de reducere a oxidării, cu doar 30 de reziduuri de aminoacizi per grupă de heme. În reprezentanții acestei clase, grupurile heme c au o structură și funcții non-echivalente, pe lângă faptul că prezintă diferite potențiale redox. Sunt octaedrice.

Clasa a IV-a

După unii autori, această clasă a fost creată doar pentru a include proteine ​​complexe pe care le prezintă alte grupuri protetice, precum și heme c, sau flavocitochrome c, printre altele.

Citocromul c oxidaza sau Complexul IV

Citocromul c oxidaza este o enzimă mitocondrială care realizează faza finală a transportului electronilor în respirația celulară. Această enzimă catalizează transportul electronilor de la citocromul c redus la oxigen.

Unii compuși chimici, cum ar fi cianura, dioxidul de carbon și azida, pot inhiba funcționarea acestei enzime, determinând așa-numita asfixie chimică celulară. Alte forme de inhibare a complexului IV sunt mutațiile genetice.

Din punct de vedere evolutiv, citocromul c oxidazei se găsește doar în organismele aerobe și mai multe grupuri de oameni de știință sugerează că prezența acestei proteine ​​indică relații evolutive în care plantele, ciupercile și animalele au împărtășit un strămoș comun.

Structura

Citocromul c oxidaza formează un complex homodimeric, adică compus din doi monomeri similari în membrana internă a mitocondriei. Complexul enzimatic este format din 3 până la 4 subunități în organisme procariote și până la maximum 13 (unele sugerează 14) polipeptide în organisme precum mamifere.

În aceste organisme 3 polipeptide sunt de origine mitocondrială, iar restul au originea în nucleu. Fiecare monomer are 28 de elice transmembranare care separă domeniile hidrofile de matricea membranei și spațiul intermembran.

Are o singură unitate catalitică, care se găsește în toate enzimele care catalizează reacțiile de oxidare / reducere, folosind oxigen molecular (oxidase, în special heme-cupru). Complexul conține citocromele a și a3 legate de subunitatea I și de două centre de cupru.

Are una sau mai multe grupări heme c legate de structura proteinei înconjurătoare de una sau mai multe (în general, două) legături de tiater. Alți autori sugerează că există un singur grup de heme C legat covalent la proteină între inelul de porfirină și două reziduuri de cisteină.

Singurul grup heme c menționat mai sus este înconjurat de reziduuri hidrofobe și este hexacoordinat, cu histidină la poziția 18 a lanțului polipeptidic și metionină la poziția 80.

Subunitatea de citocrom c oxidază F. Luată și editată de la: Jawahar Swaminathan și personalul MSD de la Institutul European de Bioinformatică

Caracteristici

Citoxrome c oxidasele sunt protagoniști în trei mecanisme fiziologice principale, pe care le vom vedea mai jos.

Apoptoza sau moartea celulelor programate

Apoptoza este distrugerea sau moartea celulelor programată, cauzată de organismul însuși și al cărei scop este de a controla creșterea, dezvoltarea, eliminarea țesuturilor deteriorate și reglarea sistemului imunitar. În acest proces fiziologic, citocromul c oxidaza participă ca intermediar.

Această proteină, eliberată de mitocondrii, duce la o interacțiune cu reticulul endoplasmatic, care provoacă secreția sau eliberarea de calciu. Creșterea progresivă a calciului declanșează o eliberare masivă de citocrom c oxidază, până la atingerea nivelurilor citotoxice de calciu.

Nivelurile de calciu citotoxice și eliberarea de citocromi c provoacă activarea în cascadă a mai multor enzime caspază, care sunt responsabile de distrugerea celulelor.

Regenerarea celulelor sau a țesuturilor

Mai multe studii indică faptul că atunci când citocromul c oxidaza este expus la lungimi de undă de 670 nanometri, participă la un complex funcțional, care pătrunde în țesutul deteriorat sau rănit și crește rata de regenerare celulară.

Metabolizarea energiei

Aceasta este poate cea mai cunoscută și cea mai relevantă funcție a citocromului c oxidazei. Tocmai complexul oxidazei (al lanțului respirator) este responsabil de colectarea electronilor din citocromul c și de transferul acestora în molecula de oxigen, reducându-l la două molecule de apă.

Conectat la acest proces, o translocare de protoni are loc prin membrană, rezultând generarea unui gradient electrochimic pe care complexul ATP-sintaza îl folosește pentru a produce sau sintetiza ATP (adenozina trifosfat).

inhibitori

Citocromul c oxidaza este inhibat de diferiți compuși și procese chimice. Modul în care apare poate apărea ca un mod natural de a regla producția sau acțiunea enzimei sau poate apărea accidental din cauza otrăvirii.

În prezența azidului, a cianurii sau a monoxidului de carbon, citocromul c oxidazei se leagă de acestea și funcționarea complexului proteic este inhibată. Aceasta provoacă o întrerupere a procesului respirator celular și, prin urmare, provoacă sufocarea chimică a celulelor.

Alți compuși cum ar fi oxidul nitric, sulfura de hidrogen, metanolul și unii alcooli metilați determină, de asemenea, inhibarea citocromului c oxidazei.

Deficienta

Citocromul c oxidaza este o enzimă care este controlată de gene atât în ​​nucleu cât și în mitocondrie. Există modificări genetice sau mutații care pot duce la o deficiență de citocrom c oxidază.

Aceste mutații perturbă funcționalitatea enzimei, deoarece modifică structura ei enzimatică, aducând cu ea tulburări metabolice în timpul dezvoltării embrionare (conform studiilor umane), care vor afecta ulterior organismul în primii ani de viață.

Deficitul de citocrom c oxidază afectează țesuturile cu o cerere mare de energie, cum ar fi inima, ficatul, creierul și mușchii. Simptomele acestor mutații sunt reflectate înainte de cei doi ani de viață și se pot manifesta ca fiind condiții puternice sau ușoare.

Simptomele ușoare pot fi observate chiar la scurt timp după primul an de vârstă, iar persoanele cu ele au, de obicei, doar scăderea tensiunii musculare (hipotonie) și atrofie musculară (miopatie).

Pe de altă parte, persoanele cu simptome mai puternice pot avea atrofie musculară și encefalomiopatie. Alte afecțiuni cauzate de absența citocromului c oxidazei sunt cardiomiopatia hipertrofică, mărirea patologică a ficatului, sindromul Leigh și acidoza lactică.

Utilizări în filogenie

Filogenia este știința care este responsabilă pentru studiile originii, formării și dezvoltării evolutive din punct de vedere strămoș-descendent al organismelor. În ultimele decenii, studiile de filogenie cu analiză moleculară au fost din ce în ce mai frecvente, oferind o mulțime de informații și rezolvând probleme taxonomice.

În acest sens, unele studii filogenetice indică faptul că utilizarea citocromului c oxidaselor poate ajuta la stabilirea relațiilor evolutive. Acest lucru se datorează faptului că acest complex proteic este foarte conservat și este prezent într-o mare varietate de organisme, de la protisti unicelulari la vertebrate mari.

Exemple în acest sens sunt testele efectuate cu oameni, cimpanzeii (Pan paniscus) și Rhesus macaques (Macaca mulatta). Astfel de teste au relevat faptul că moleculele de citocrom c oxidază umană și de cimpanzeu erau identice.

De asemenea, a arătat că moleculele de citocrom c oxidază ale macaqueului Rhesus se diferențiau de un aminoacid de cele din primele două, reafirmând astfel relațiile strămoș-descendenți dintre cimpanzei și oameni.

Referințe

1. RP Ambler (1991). Variabilitatea secvențelor în citocromele bacteriene c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetică.
2. Citocromul c. Recuperat de newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Rolul biologic al citocromului c: transportul de electroni mitocondrial, moartea celulelor programată și câștigul în activitatea peroxidului. Analele Facultății de Medicină.
4. Subunitatea citocromului c oxidază I. Recuperată de la ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Subunitatea IV de citocrom c Oxidaza este esențială pentru asamblarea și funcția respiratorie a complexului enzimatic. Journal of Bioenergetics and Biomembranes.
6. Grupa genică: Complexul mitocondrial IV: subunități citocrome c oxidază (COX, MT-CO). Recuperat de pe genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Descoperirea citocromului. Educație biochimică.
8. Citocromul c oxidazei, deficiență de … Recuperat de la ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biochemestry. Ediția a III-a. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.