Sytokromi-c-oksidaasi | |
---|---|
Naudan sytokromi-c-oksidaasi . | |
Tunnisteet | |
Koodi KF | 7.1.1.9 |
CAS-numero | 9001-16-5 |
Entsyymitietokannat | |
IntEnz | IntEnz-näkymä |
BRENDA | BRENDA pääsy |
ExPASy | NiceZyme-näkymä |
MetaCyc | metabolinen reitti |
KEGG | KEGG-merkintä |
PRIAM | profiili |
ATE:n rakenteet | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
Geeniontologia | AmiGO • EGO |
Hae | |
PMC | artikkeleita |
PubMed | artikkeleita |
NCBI | NCBI-proteiinit |
CAS | 9001-16-5 |
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa |
Sytokromi-c-oksidaasi ( sytokromioksidaasi ) tai sytokromi-c-happi : oksidoreduktaasi , joka tunnetaan myös nimellä sytokromi aa3 ja kompleksi IV , on aerobisen hengityselinten elektroninkuljetusketjun terminaalinen oksidaasi , joka katalysoi elektronien siirtymistä sytokromi c : stä happeen muodostamaan vesi [1] . Sytokromioksidaasia on läsnä kaikkien eukaryoottien sisäisessä mitokondriokalvossa , jossa sitä kutsutaan yleisesti kompleksiksi IV, ja myös monien aerobisten bakteerien solukalvo [2] .
Kompleksi IV hapettaa peräkkäin neljä sytokromi c:n molekyyliä ja, hyväksyen neljä elektronia, pelkistää O 2 :n H 2 O:ksi. Kun O 2 pelkistyy, neljä H + :a vangitaan mitokondriomatriisista muodostaen kaksi H 2 O -molekyyliä ja neljä muuta H 2 -molekyyliä. + pumpataan aktiivisesti kalvon läpi . Siten sytokromoksidaasi edistää protonigradientin muodostumista ATP - synteesiä varten ja on osa oksidatiivista fosforylaatioreittiä [3] . Lisäksi tällä moniproteiinikompleksilla on keskeinen rooli koko hengitysketjun toiminnan säätelyssä ja eukaryoottisolun energiantuotannossa [ 4] .
Sytokromioksidaasin löysi irlantilainen lääkäri ja tiedemies C. A. McMann , joka vuonna 1885 kuvasi palautuvia muutoksia absorptiospektrissä aallonpituudella 605 nm, jotka tapahtuvat hapettumisen aikana eläinsoluissa, mikä on sytokromioksidaasille tyypillinen spektrinen tunnusmerkki. Kuitenkin vaikutusvaltaiset fysiologit Goppe-Seyler ja Levy kritisoivat hänen työtään , jotka olettivat, että McMann vain tarkkaili hemoglobiinin hajoamistuotteiden imeytymistä . Tämän seurauksena tämän entsyymin tutkimus keskeytettiin yli 30 vuodeksi, kunnes Hans Fischer vahvisti McMannin tulokset vuonna 1923 [5] [6] [7] .
Tämän entsyymin lisätutkimusta jatkoi saksalainen tiedemies Otto Warburg . Työssään hän esti hengitystä hiivasuspensiossa CO :lla ja sai sitten absorptiospektrit poistamalla eston säteilyttämällä koherentilla valonsäteellä eri aallonpituuksilla . Saaduista tiedoista seurasi, että inhiboitu entsyymi on hemoproteiini , jossa hemi on kompleksissa CO :n kanssa [8] [9] . Warburg liitti uuden, tuntemattoman proteiinin soluhengityksen toimintaan ja käytti siihen termiä Atmungsferment eli "hengitysentsyymi", jota hän käytti vuodesta 1924 lähtien. Teos julkaistiin vuonna 1929, ja vuonna 1931 Warburg sai siitä Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinnon sanamuodolla "hengitysentsyymin luonteen ja toimintamekanismin löytämisestä" [5] .
Brittitieteilijä David Keilin antoi merkittävän panoksen kompleksin IV luonteen ymmärtämiseen . Vuonna 1939 hän löysi yhteistyössä E. F. Hartreen kanssa aiemmin tuntemattoman sytokromin, nimeltään 3 , jolla oli kyky hapettaa sytokromi c . Uudella sytokromilla oli sama absorptiospektri kuin mysteerisellä Warburg-hengitysentsyymillä, ja myös CO ja KCN estivät sitä [10] . Työssään Kaylin loi nimen sytokromi-c-oksidaasi, jonka Malcolm Dixon ehdotti vuonna 1928 [11] . Warburg ja Kaylin väittelivät pitkään siokromioksidaasin luonteesta: Warburg uskoi, että vain rauta voisi olla tämän entsyymin kofaktori , kun taas Kaylin uskoi sen olevan kuparia sisältävä proteiini. Vuosien kuluessa kävi ilmi, että molemmat suuret tiedemiehet olivat oikeassa: sytokromioksidaasi sisältää sekä rautaa sisältävän hemi- että kupariatomin [12] .
Sytokromioksidaasin hapen sitoutumisen mekanismia tutki amerikkalainen biokemisti Britton Chance , joka 1970-luvun puolivälissä löysi kehittyneitä NMR -tekniikoita ja spektroskopiaa käyttäen alhaisissa lämpötiloissa sytokromioksidaasin entsyymi- substraattikompleksin , joka on sytokromioksidaasin addukti . hemi a 3 molekyylihapella [11] .
Vuonna 1977 suomalainen tiedemies Martin Wikström osoitti, että sytokromioksidaasi pumppaa työnsä aikana protoneja kalvon läpi [13] , mitä kemosmoottisen hypoteesin luoja Peter Mitchell ei pitkään aikaan voinut hyväksyä . Kertyvä kokeellinen tieto kuitenkin osoitti Wikströmin oikeaksi, ja myöhemmin Mitchell myönsi virheensä [5] [14] .
Ensimmäiset yritykset eristää entsyymi aloitettiin vuonna 1941: koska suurten kalvoproteiinien eristämiseen ei ollut vielä kehitetty menetelmiä, jouduttiin kokeilemaan ja erehtymään. Varhaisissa eristystoimenpiteissä käytettiin sappisuoloja , mikä aiheutti suuria aktiivisuushäviöitä. Ionittomien pesuaineiden, kuten Triton X-100 , tulo aiheutti tällä alueella uuden nousukauden vuosina 1966–1974 ja mahdollisti ensimmäisten puhtaiden valmisteiden valmistamisen [15] . Ensimmäinen kompleksin atomiresoluutiolla varustettu kolmiulotteinen rakenne ilmestyi hieman myöhemmin, vuonna 1995 [5] .
Nisäkkäiden ja lintujen mitokondrioista peräisin oleva kompleksi IV [16] koostuu 13 proteiinialayksiköstä , joista kolmella on katalyyttistä aktiivisuutta, jotka sitoutuvat kofaktoreihin ja niitä koodaavat mitokondriogeenit (poikkeus on alayksikkö III Chlamydomonas reinhardtiissa ja Polytomella sp , on koodattu ytimeen [17 ] ). Loput kymmenen alayksikköä koodataan ytimen DNA:ssa [18] [19] . Vuonna 2012 ilmoitettiin 14. alayksikön löydöstä [20] , mutta myöhemmin se kumottiin [21] . Mitokondriokalvossa kompleksi esiintyy homodimeerinä , ja jokainen monomeeri koostuu 13 alayksiköstä. Tällaisen naudan mitokondrioista eristetyn dimeerin molekyylipaino on noin 350 kDa [22] . Niillä harvoilla kalvossa olevilla monomeereillä on kaksinkertainen katalyyttinen aktiivisuus [16] .
S. cerevisiaessa kompleksi IV koostuu vain 11 alayksiköstä, mutta naudan kompleksista puuttuvat alayksiköt ovat pieniä perifeerisiä proteiineja, joten hiivan sytokromoksidaasi ei eroa merkittävästi nisäkkäiden vastaavasta [23] [19] . Kasvien kompleksista IV tiedetään paljon vähemmän , ja tähän päivään asti se on edelleen yksi tutkimattomimmista kasvien mitokondrioiden komplekseista. Viimeaikaiset kokeet sen eristämiseksi Arabidopsiksesta ja sen tutkimiseksi natiivin sinisellä elektroforeesilla osoittivat, että se näyttää koostuvan kahdeksasta alayksiköstä, jotka ovat samankaltaisia kuin muiden eukaryoottien kompleksin IV, ja kuudesta muusta kasvispesifisestä alayksiköstä. Kompleksin IV epätarkempi erottaminen perunoista ja papuista antoi Arabidopsiksen kaltaisen vyöhykekuvion: voidaan varmuudella sanoa, että niiden kompleksi IV koostuu vähintään 9-10 alayksiköstä [24] . Bakteerikompleksit esiintyvät kalvossa monomeereinä ja koostuvat 3–4 alayksiköstä , joista kolme on homologisia kolmen mitokondrioiden koodaaman eukaryoottisen alayksikön kanssa [22] [19] [4] .
Kompleksin kolme suurta alayksikköä (I-III), jotka ovat homologisia bakteerien kanssa, sisältävät kaikki tarvittavat kofaktorit ja suorittavat tärkeimmät katalyysireaktiot, jotka liittyvät muun muassa protoninsiirtoon. Reunalla sijaitsevat pienet ydinalayksiköt eivät osallistu tähän prosessiin. Tällä hetkellä spesifiset toiminnot tunnetaan vain neljälle ydinalayksikölle (IV, Va, VIa-L, VIa-H), mutta on selvää, että niillä kaikilla on rooli kompleksin kokoamisessa, dimeroitumisessa ja toiminnan säätelyssä. [23] . Kompleksin IV ytimellä on erittäin korkea katalyyttinen aktiivisuus, jota siihen läheisesti liittyvät apuydinalayksiköt vaimentavat, mikä on erityisen tärkeää koko hengityksen säätelylle kokonaisuutena. Selkärankaisilla monia näistä alayksiköistä edustavat useat kudosspesifiset isoformit , joista kutakin koodaa erillinen geeni . Kunkin isoformin ilmentyminen riippuu kudostyypistä , organismin kehitysvaiheesta ja voi muuttua ulkoisista olosuhteista riippuen, mikä mahdollistaa eri elinten ja kudosten energian saannin selkeän säätelyn [16] .
Monien erilaisten ydinalayksiköiden ilmaantuminen genomin laajuisen päällekkäisyyden jälkeen selkärankaisilla osuu karkeasti yhteen sen kanssa, että he menettävät vaihtoehtoisen oksidaasin , joka tarjosi vaihtoehtoisen reitin elektroneille happeen ohittaen kompleksin IV. Näiden alayksiköiden rooli on lisääntynyt erityisesti, koska nisäkässolut ovat menettäneet kyvyn vaihtaa eri terminaalisten oksidaasien välillä, kuten tapahtuu prokaryooteissa. Esimerkiksi E. colissa on kaksi terminaalista kinonioksidaasia; normaalilla happipitoisuudella se ilmentää pääasiassa sytokromi bo 3 :a , ja alhaisella happipitoisuudella se siirtyy sytokromi bd :hen, jolla on lisääntynyt affiniteetti happea kohtaan, mutta joka ei pumppaa protoneja. Ilmeisesti tällaisissa olosuhteissa ydinalayksiköt ottivat tehtäväkseen kontrolloida kaiken oksidatiivisen fosforylaation aktiivisuutta happitasosta riippuen [25] .
Va-alayksikkö sitoo spesifisesti kilpirauhashormonia 3,5-dijodityroniinia , mutta ei ole vuorovaikutuksessa tyroksiinin tai trijodityroniinin kanssa . Tämän vuorovaikutuksen seurauksena ATP lakkaa allosteerisesti inhiboimasta kompleksia IV. Tämä mekanismi selittää kilpirauhashormonien lyhytaikaisen stimuloivan vaikutuksen nisäkkäiden aineenvaihduntaan [26] [16] .
Nisäkkäillä IV-2-alayksikkö ilmentyy pääasiassa aivoissa ja keuhkoissa , ja muissa kudoksissa sen synteesi indusoituu hypoksisissa olosuhteissa . Kaloissa tämä isoformi ilmentyy voimakkaammin kiduksissa [25] . Vaikka kaikilla selkärankaisilla on yksi kopio molemmista alayksikön IV isoformeista, IV-2- ekspression aktivoituminen vasteena hapenpuutteelle tapahtuu vain nisäkkäillä, ja se puuttuu kaloista ja matelijoista , eikä linnuista IV-2-isoformia koodaava COX4-2-geeni. ei toimi [27] . Hiirillä IV-2-geenin poisto oli vaikea saada hengitysteitä , ATP-tasot laskivat keuhkoissa , ja iän myötä hengityselimiin ilmaantui patologioita , mukaan lukien Charcot-Leiden-kiteet . Nämä kokeelliset tiedot osoittavat IV-2-isoformin merkityksen nisäkkäiden keuhkojen normaalille toiminnalle [16] .
Alayksiköille VIa-L ja VIa-H oli mahdollista määrittää erityiset toiminnot. Kävi ilmi, että munuais - maksakompleksin protonin pumppauskapasiteetti (H + /e - stoikiometria ) laski 1:stä 0,5:een pienillä vapaan palmitiinihapon pitoisuuksilla , mitä ei tapahtunut VIa-H:n sisältävän sydän - lihaskompleksin IV kanssa. isoformi. Tämän prosessin oletettu fysiologinen merkitys on parantaa termogeneesiä ja ylläpitää kehon lämpötilaa kaikissa kudoksissa paitsi lihaksessa vasteena vapaalle palmitaatille. Sydämestä ja lihaksista tuleva VIa-H-alayksikkö stimuloi kompleksin työtä sitomalla ADP :tä ja päinvastoin alentaa H + /e - stoikiometriaa korkealla ATP/ADP-suhteella. Tämän ominaisuuden fysiologinen merkitys on lisätä lihasten termogeneesiä unen tai levon aikana, kun ATP:n kulutus vähenee ja ATP/ADP-suhde pysyy korkeana. Alayksikkö VIa-H puuttuu kaloista [16] .
Alayksikkö [K 1] | Isoform | Proteiini | Kuvaus [K 2] |
---|---|---|---|
minä | - | Cox1 | Sitoo hemi a , hemi a 3 , Cu B -keskus , sisältää protonikanavia. |
II | - | Cox2 | Sitoo Cu A - keskuksen , on vuorovaikutuksessa sytokromi c : n kanssa . |
III | - | Cox3 | Stabiloi protonien kuljetuksen . |
IV | IV-1 IV-2 |
Cox41 | Tarjoaa ATP:n allosteerisen eston. |
Cox42 | Se ilmentyy pääasiassa keuhkoissa , istukassa ja aivoissa , ja sen aiheuttaa hypoksia . Mahdollisesti O 2 -riippuvainen ATP:n esto. | ||
Va | - | Cox5a | Sitoo 3,5-dijodityroniinia , mikä poistaa ATP:n eston. |
Vb | - | Cox5b | Sitoo Zn 2+: a . |
Kautta | VIa-L VIa-H |
Cox6a1 | maksan isoformi. Ilmenee kaikissa kudoksissa paitsi luustolihaksessa ja sydämessä . Vähentää H + /e− stoikiometriaa 1 :stä 0,5: een palmitaatin läsnä ollessa . |
Cox6a2 | sydämen isoformi. Ilmenee sydämessä ja luustolihaksessa . Vähentää H + /e −-stoikiometriaa 1 :stä 0,5:een korkeilla ATP / ADP-suhteilla . | ||
VIb | VIb-1 VIb-2 |
Cox6b1 | Kaikissa kankaissa. Tarjoaa kompleksin dimerisoitumisen. |
Cox6b2 | Erityisesti kiveksille . Saattaa lisätä hengitystiheyttä. | ||
VIc | - | Cox6c | Kaikissa kankaissa. |
VIIa | VIIa-L VIIa-H VIIa-R SIG81 |
Cox7a2 | Ilmenee kaikissa kudoksissa paitsi luustolihaksessa ja sydämessä . |
Cox7a1 | Ilmenee sydämessä ja luustolihaksessa . | ||
Cox7a3 | - | ||
Cox7A2L | - | ||
VIIb | VIIb-1 VIIb-2 |
Cox7b | Kaikissa kankaissa. |
Cox7b2 | Erityisesti kiveksille . Saattaa lisätä hengitystiheyttä. | ||
VIIc | - | Cox7c | Kaikissa kankaissa. |
VIII | VIII-L VIII-H VIII-3 |
Cox8a | Kaikissa kankaissa. |
Cox8b | Ilmenee luustolihaksissa ja ruskeassa rasvassa . Ihmisillä siitä on tullut pseudogeeni . | ||
Cox8c | - |
Kompleksiset IV-kofaktorit sijaitsevat kahdessa suuressa yksikössä, I ja II, upotettuina kalvoon. Alayksikkö I muodostaa kaksitoista transmembraanista α-heliksiä ja sisältää kolme redox-keskusta: hemi a ( pelkistyspotentiaali + 0,22 V [1] ) ja ns. binukleaarikeskus a 3 -Cu B , johon kuuluu hemi a 3 ja kupariatomi CuB . Hemi a ja a 3 ovat kemiallisesti identtisiä, mutta hemi a :n rauta on kuusikoordinoitu , koska se muodostaa kuusi koordinaatiosidosta pyrrolirenkaiden neljän typpiatomin ja lähellä olevien histidiinitähteiden kahden typpiatomin kanssa , kun taas hemi a 3 :ssa se muodostaa vain viisi koordinaatiosidosta, jolloin kuudes sidos on käytettävissä sitoutumiseen molekyylihapen kanssa . Hemirautaa a3 vastapäätä on kupariatomi Cu B liitettynä kolmeen histidiinitähteeseen . Vaikka kaksiydinkeskuksen raudan ja kuparin välillä ei ole sitovia elementtejä, niiden välillä havaitaan voimakas antiferromagneettinen konjugaatio [28] . Kaksiydinkeskuksen redox-potentiaali on noin +0,24 V [1] .
Kristallografiset tutkimukset paljastivat alayksikön I epätavallisen translaation jälkeisen muunnelman : histidiini-240 [K 3] on kovalenttisesti sitoutunut tau - asemassa olevan typpiatominsa kautta tyrosiini - 244 bentseenirenkaan meta - hiileen . Tämä tyrosiinijäännös toimittaa elektronin ja protonin hapen pelkistämiseksi neutraalin radikaalin muodostamiseksi . Lisäksi kovalenttinen sidos muodostaa pentameerisen aminohapporenkaan , jonka glutamaattitähde on tärkeä protonien kuljetuksen komponentti [23] .
Alayksikössä II on Cu A -keskus ( pelkistyspotentiaali = − 0,70 V [1] ), joka koostuu kahdesta kupariatomista, jotka ovat suoraan yhteydessä toisiinsa kovalenttisella sidoksella. Se on ligoitu kuuden aminohappotähteen kanssa: kaksi kysteiinitähdettä , kaksi histidiinitähdettä, yksi metioniinitähde ja glutamiinihappopeptidikarboksyyli . Toimii yhden elektronin kantajana [28] .
Röntgendiffraktioanalyysi ja alayksikön I paikkaspesifinen mutageneesi paljastivat reitit, joita pitkin protonit voivat tunkeutua kompleksiin ja läpäistä kalvon. Näitä reittejä kutsutaan D-, K- ja H-kanaviksi. Polaarisilla aminohappotähteillä vuoratut kanavat sisältävät eri määrän vesimolekyylejä. Kompleksissa oleva Mg 2+ -ioni voi olla juuri se, mitä tarvitaan näiden molekyylien stabiloimiseen. Oletetaan, että K-kanava yhdistää matriisin vesifaasin kaksiytimeiseen keskukseen ja toimii "substraatti"-protonien toimittamisessa, joita tarvitaan veden muodostumiseen hapesta. D-kanava näyttää muodostavan läpikulkureitin, ja sen läpi voivat kulkea sekä "substraattiprotonit" että kalvon läpi pumpatut protonit. Eukaryooteista on löydetty ylimääräinen H-kanava, joka on luultavasti myös päästä päähän [23] [29] .
Kompleksin katalysoima kokonaisreaktio kuvataan seuraavalla yhtälöllä:
4cit. c 2+ + O2 + 8H + in → 4cyt. c 3+ + 2H 2O + 4H + ulosElektronin polku kompleksissa tunnetaan. Sytokromi c sitoutuu alayksikköön II alayksiköiden I, III ja VIb välittämänä ja palauttaa Cu A -keskuksen, joka sijaitsee lähellä kalvon pintaa. Cu A -keskuksesta elektroni siirtyy hemi a -keskukseen ja sitten kaksiytimeen 3 -Cu B , joka sijaitsee kalvon paksuudessa. O 2 sitoutuu ja pelkistyy H 2 O :ksi [3] kaksiytimisessä keskustassa . Koska hapella on korkea elektroniaffiniteetti, se vapauttaa suuren määrän vapaata energiaa pelkistyessään vedeksi . Tästä johtuen aerobiset organismit pystyvät vastaanottamaan paljon enemmän energiaa kuin mitä voidaan tuottaa yksinomaan anaerobisilla tavoilla.
Hapen vähentämisen mekanismia on pitkään tutkittu intensiivisesti, mutta se ei ole täysin selvä. Sytokromioksidaasin katalyyttinen sykli koostuu kuudesta vaiheesta, joita merkitään A (addukti, englanninkielinen addukti ) [30] , P ( peroksivälituote englannin kielestä Peroxy intermediate ), F (ferryloxo intermediate englannin kielestä Ferryl-oxo intermediate ) [30] , O H (täysin hapetettu korkean energian tila englanninkielisestä Täysin hapetettu korkean energian tilasta ), E (yhden elektronin pelkistetty tila englanninkielisestä yhden elektronin pelkistystilasta ) ja R (pelkistetty tila englanninkielisestä Reduced-tilasta ) ja niin kutsuttu kaksiydinkeskuksen tilan jälkeen [31 ] . On huomattava, että katalyyttisten tilojen nimikkeistö on huomattavasti vanhentunut, ei aina heijasta kaksiydinkeskuksen todellista kemiallista tilaa, ja se säilyy suurelta osin historiallisista syistä. Esimerkiksi P -vaiheessa happi kaksiytimessä ei ole ollenkaan peroksidimuodossa , kuten 30 vuotta sitten uskottiin, vaan oksoferryylitilassa, jossa happiatomien välinen sidos on jo katkennut [30] . Nykyaikaisten käsitteiden mukaan hapen pelkistys sytokromi-c-oksidaasissa tapahtuu nopealla ja täydellisellä pelkistymisellä pareittain tapahtuvalla elektroninsiirrolla, mikä sulkee pois reaktiivisten happilajien muodostumisen . Tapahtuu seuraava tapahtumasarja [30] [32] [33] :
Tiedetään, että eukaryoottinen sytokromoksidaasi siirtää yhden protonin kalvon läpi jokaista sytokromi c :stä vastaanotettua elektronia kohti . Kerralla kompleksi pumppaa yhden "substraatti"-protonin, jota käytetään veden muodostamiseen, kanavan K kautta ja siirtää yhden lisäprotonin kalvon läpi kanavan D kautta. Yhden katalyyttisen syklin aikana translokaatiotapahtuma tapahtuu neljässä suhteellisen stabiilissa vaiheessa: P M , F , OH ja EH . _ _
Protonien kuljetuksen tarkka mekanismi ei ole vielä selvä: viime vuosina on ehdotettu monia malleja, joissa tätä prosessia on yritetty kuvata yksityiskohtaisesti [33] . Ei myöskään ole selvää, kuinka elektronin energian konjugointi protonien liikkeen kanssa tapahtuu. Yleisesti sitä voidaan kuitenkin kuvata seuraavasti [31] :
Kompleksin IV biogeneesi on erittäin monimutkainen ja hyvin säädelty prosessi, jota on tutkittu intensiivisesti jo pitkään. Kompleksin kokoonpanossa on mukana yli kaksikymmentä ytimeen koodattua aputekijää sekä proteiineja, jotka lisäävät siihen heemi- , a - 3- ja kupariatomeja. Tämä sisältää myös vähintään 15 mitokondrioiden alayksiköiden translaatiota aktivoivaa proteiinia, jotka vastaavat mRNA:n oikeasta transkriptiosta ja silmukoitumisesta sekä translokaatioaktivaatiosta , erityiset translokaasit , jotka ovat välttämättömiä ydinalayksiköiden kuljettamiseksi mitokondrioihin, sekä entsyymit kofaktorien biosynteesiin [34] . Erityisten kokoamistekijöiden lisäksi kompleksin IV biogeneesi vaatii huomattavan määrän proteiineja, joilla on korkea spesifisyys, mukaan lukien ATP-riippuvaiset peptidaasit , jotka vastaavat propeptidin prosessoinnista [16] .
Kompleksisen IV-aktiivisuuden translaation jälkeinen säätely ei ole yhtä monimutkainen, ja se saavutetaan monilla eri tavoilla. Näitä ovat alayksiköiden fosforylaatio , joidenkin perifeeristen alayksiköiden palautuva sitoutuminen, säätely ydinalayksiköiden tiettyjen isoformien avulla, mikä riippuu kehitysvaiheesta ja kudostyypistä, allosteerinen säätely ATP:n ja ADP:n toimesta kymmenessä sitoutumiskohdassa (nisäkkään sytokromioksidaasissa) , mono- ja dimerisaatiokompleksi, sekä sen vuorovaikutus muiden hengityskompleksien kanssa respiraasien muodostuessa [ 16] .
Kompleksin alayksiköiden fosforylaatio on erityisen tärkeää, koska se yhdistää sen toiminnan solun säätelykaskadien toimintaan ja Krebsin syklin toimintaan . Fosforylaatio ja defosforylaatio aiheuttavat vaikutuksia, kuten ATP:n eston vapauttamista stressin aikana tai apoptoosin laukaisemista . Kaiken kaikkiaan kompleksista löydettiin 18 fosforylaatiokohtaa, mutta fosforylaation tarkkaa funktiota kullekin näistä kohdista ei ole määritetty [16] .
Sytokromoksidaasi kuuluu hemi-kuparioksidoreduktaasien proteiinisuperperheeseen ( entsyymiluokituksessa se siirrettiin luokkaan 7 - translokaaseihin), joka sisältää suurimman osan tällä hetkellä tunnetuista terminaalisista oksidaaseista sekä typpioksidin (II ) reduktaasit ) , jotka katalysoivat NO:n kahden elektronin pelkistymistä N20 : ksi , jolloin muodostuu vettä. Kaikille tämän superperheen edustajille on ominaista alayksikön I läsnäolo, jolla on konservatiivinen tertiäärinen rakenne , yksi matalaspin - heemi ja kupariatomin kaksiytiminen keskus ja korkeaspin-heemi. Superperheen jäsenet on jaettu perheisiin heemin tyypin, lisäkofaktorien läsnäolon, aminohapposekvenssin, tertiaarisen rakenteen ja alayksiköiden lukumäärän, hapettavan substraatin tyypin sekä protoninsiirtokanavien rakenteen tai niiden puuttumisen mukaan. [35] . Ylimääräisten heemien tai metalliatomien sisältävien lisäalayksiköiden läsnäolo (tai niiden täydellinen puuttuminen) mahdollistaa näiden entsyymien vastaanottamisen elektroneja erityyppisistä substraateista: erilaisista kalvon kantajista, kuten kinoneista , vesiliukoisista sytokromeista tai sinistä kuparia sitovista proteiineista . 36] .
A- perhe on kaikkien hemikuparin oksidoreduktaasien suurin ja tutkituin perhe. Sille on ominaista aa 3 - tai caa 3 - tyypin heemien koostumus . Tämän perheen edustajat koostuvat yleensä kolmesta alayksiköstä: I, II ja III, jotka ovat homologisia perheen tyypillisen jäsenen, mitokondriaalisen sytokromi-c-oksidaasin, alayksiköiden kanssa. Niillä on ainakin kaksi protonikanavaa, D ja K, ja ne siirtävät protoneja stoikiometrialla H + /e - . Nisäkkään sytokromi-c-oksidaasi kuuluu A1 - alaperheeseen yhdessä P. denitrificansin ja R. sphaeroides [37] sytokromioksidaasien kanssa .
Perheen B oksidaasit koostuvat kolmesta alayksiköstä: I, II ja IIa. Alayksikkö IIa on ainoa kalvonläpäisevä ketju, joka on rakenteeltaan samanlainen kuin alayksikön II toinen transmembraaniketju perheestä A. Niillä on vain yksi vaihtoehtoinen protonikanava K, protoninsiirtostoikiometria on 0,5-0,75 H + /e - [36] [38] [ 39] . Tyypillinen on joukko ba 3 , b(o)a 3 ja aa 3 [35] olevia heemejä .
Perhe C sisältää vain cbb 3 - tyypin terminaaliset oksidaasit . Heillä on lisäalayksikkö, joka voi sitoa yhden tai kaksi hemiä c [35] . Tämä on toiseksi suurin happireduktaasien perhe (24 %) A-ryhmän (71 %) jälkeen [36] . On olemassa vaihtoehtoinen kanava K, joka poikkeaa rakenteeltaan B-perheen reduktaasien K-kanavasta. Protonisiirron stoikiometria on 0,2-0,4 H + /e - , mutta muiden tietojen mukaan 0,6-1 [35] . Tämä perhe löytyy vain bakteereista, koska useimmat arkeat eivät pysty syntetisoimaan hemi c :tä [36] .
Bioinformatiikan analyysin perusteella esitettiin eristämään pieniä perheitä D, E, F, G ja H, jotka ovat edustettuina vain arkeissa ja ovat erittäin erilaisia. Klassisessa järjestelmässä kaikki nämä perheet kuuluvat B-perheeseen, mutta niiden primäärirakenteen monimuotoisuus puhuu niiden erottamisen puolesta erillisiksi perheiksi [36] .
Mitokondrioiden ulkopuolelta on hiljattain löydetty kolme mitokondrioiden genomissa koodattua sytokromi-c-oksidaasin ydinalayksikköä. Niitä löydettiin haiman acinin tsymogeenisistä rakeista . Suhteellisen suuria pitoisuuksia näitä alayksiköitä on löydetty eritysrakeista yhdessä kasvuhormonin kanssa aivolisäkkeen etuosassa [40] . Näiden alayksiköiden toimintoja mitokondrioiden ulkopuolella ei ole vielä määritetty. Sytokromi c oksidaasialayksiköiden lisäksi monia muita mitokondrioproteiineja on löydetty mitokondrioiden ulkopuolelta [41] [42] . Näiden löydösten yhteydessä esitettiin hypoteesi tuntemattoman mekanismin olemassaolosta proteiinien kuljettamiseksi mitokondrioista muihin soluosastoihin [40] [42] [43] .
Syanidit , sulfidit , atsidit , hiilimonoksidi ja typpimonoksidi [44] sitoutuvat entsyymin hapettuneeseen tai pelkistettyyn kaksitumaiseen keskukseen ja kilpailevat hapen kanssa estämällä entsyymiä, mikä johtaa solukuolemaan kemiallisen tukehtumisen takia . Metanoli , joka on osa teollista alkoholia , muuttuu elimistössä muurahaishapoksi , joka voi myös estää sytokromioksidaasia [45] .
Sytokromi-c-oksidaasin entsymaattiseen aktiivisuuteen tai rakenteeseen vaikuttavat mutaatiot johtavat vakaviin ja yleensä kuolemaan johtaviin aineenvaihduntahäiriöihin. Tällaiset häiriöt ilmaantuvat yleensä varhaislapsuudessa ja vaikuttavat pääasiassa paljon energiaa kuluttaviin kudoksiin ( aivot , sydän, lihakset). Monien mitokondrioiden sairauksien joukossa sairauksia , jotka liittyvät toimintahäiriöön tai sytokromioksidaasin epänormaaliin muodostumiseen, pidetään vakavimpana [46] .
Suurin osa sytokromioksidaasin toimintahäiriöistä liittyy mutaatioihin tämän ytimeen koodatun kompleksin kokoamistekijöissä. Ne varmistavat kompleksin oikean kokoamisen ja toiminnan ja ovat mukana useissa elintärkeissä prosesseissa, mukaan lukien mitokondrioiden alayksiköiden transkriptio ja translaatio, propeptidien prosessointi ja niiden liittäminen kalvoon sekä kofaktorien biosynteesissä ja niiden kiinnittymisessä kompleksiin [47] ] .
Tähän mennessä mutaatioita on tunnistettu seitsemässä kokoonpanotekijässä: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 ja LRPPRC . Mutaatiot näissä proteiineissa voivat johtaa muutoksiin kompleksin toiminnassa, alakompleksien kokoonpanoon, kuparin kuljetuksen häiriintymiseen tai translaation säätelyyn. Jokaisen geenin mutaatio liittyy tietyn sairauden etiologiaan , joista osa voi johtaa useisiin häiriöihin. Tällaisia geneettisiä sairauksia ovat muun muassa Leigh'n oireyhtymä , kardiomyopatia , enkefalopatia , leukodystrofia , anemia ja sensorineuraalinen kuulonmenetys [47] .
Kompleksin IV histokemiallista värjäystä käytetään eläinten aivojen metabolisesti aktiivisten alueiden kartoittamiseen, koska tämän entsyymin aktiivisuuden ja koko hermosolun aktiivisuuden välillä on suora yhteys [48] . Tällainen kartoitus suoritettiin mutanttihiirillä, joilla oli erilaisia pikkuaivosairauksia , erityisesti hiirillä, jotka kuuluivat kelauslinjaan [49] ja Alzheimerin taudin siirtogeeniselle mallille [50] . Tätä tekniikkaa on myös käytetty kartoittamaan eläimen aivojen alueita, jotka ovat aktiivisia oppimisen aikana [51] .
Sytokromi c-oksidaasin alayksikön I geenialueen sekvenssiä (noin 600 nukleotidia pitkä) käytetään laajalti DNA-viivakoodaukseen liittyvissä projekteissa , eli sen DNA:ssa olevien lyhyiden markkerien perusteella määritettäessä, kuuluuko organismi tiettyyn taksoniin [52] [53] .