Cytochrom-c-Oxidase - Cytochrome c oxidase

Cytochrom-c-Oxidase
Cytochrom-C-Oxidase 1OCC in Membran 2.png
Die Kristallstruktur von Rinder-Cytochrom- c- Oxidase in einer Phospholipid-Doppelschicht. Der Zwischenmembranraum liegt oben im Bild. Adaptiert von PDB : 1OCC​ (Es ist ein Homodimer in dieser Struktur)
Identifikatoren
EG-Nr. 1.9.3.1
CAS-Nr. 9001-16-5
Datenbanken
IntEnz IntEnz-Ansicht
BRENDA BRENDA-Eintrag
ExPASy NiceZyme-Ansicht
KEGG KEGG-Eintrag
MetaCyc Stoffwechselweg
PRIAM Profil
PDB- Strukturen RCSB PDB PDBe PDBsum
Gen-Ontologie AmiGO / QuickGO
Cytochrom-c-Oxidase
Cmplx4.PNG
Subunit I und II von Komplex IV unter Ausschluss aller anderen Untereinheiten, PDB : 2EIK
Identifikatoren
Symbol Cytochrom-c-Oxidase
OPM-Superfamilie 4
OPM-Protein 2dyr
Membranom 257

Das Enzym Cytochrom-c-Oxidase oder Komplex IV , EC 1.9.3.1 , ist ein großer transmembraner Proteinkomplex , der in Bakterien , Archaeen und den Mitochondrien von Eukaryoten vorkommt .

Es ist das letzte Enzym in der respiratorischen Elektronentransportkette von Zellen, die sich in der Membran befinden. Es empfängt ein Elektron von jedem der vier Cytochrom-C- Moleküle und überträgt es auf ein Disauerstoffmolekül, wodurch der molekulare Sauerstoff in zwei Wassermoleküle umgewandelt wird. In diesem Prozess bindet es vier Protonen aus der inneren wässrigen Phase, um zwei Wassermoleküle herzustellen, und transloziert weitere vier Protonen durch die Membran, wodurch die transmembrane Differenz des elektrochemischen Protonenpotentials erhöht wird, die die ATP-Synthase dann zur Synthese von ATP verwendet .

Struktur

Der Komplex

Der Komplex ist ein großes integrales Membranprotein, das aus mehreren Metallprothesenstellen und 14 Proteinuntereinheiten in Säugetieren besteht. Bei Säugetieren sind elf Untereinheiten nuklearen Ursprungs und drei werden in den Mitochondrien synthetisiert. Der Komplex enthält zwei Häme , ein Cytochrom a und ein Cytochrom a 3 , und zwei Kupferzentren , die Cu A- und Cu B- Zentren. Tatsächlich bilden das Cytochrom a 3 und Cu B ein zweikerniges Zentrum, das der Ort der Sauerstoffreduktion ist. Cytochrom c , das durch die vorgeschaltete Komponente der Atmungskette (Cytochrom bc1-Komplex, Komplex III) reduziert wird, dockt in der Nähe des Cu A- Zweikernzentrums an und gibt ein Elektron dorthin ab , wobei es zurück zu Cytochrom c mit Fe 3+ oxidiert wird . Das reduzierte Cu A -Zweikernzentrum gibt nun ein Elektron an Cytochrom a weiter, das wiederum ein Elektron an das Cytochrom a 3 -Cu B -Zweikernzentrum weitergibt . Die beiden Metallionen in diesem zweikernigen Zentrum sind 4.5 Å voneinander entfernt und koordinieren ein Hydroxidion im vollständig oxidierten Zustand.

Kristallographische Studien der Cytochrom-c-Oxidase zeigen eine ungewöhnliche posttranslationale Modifikation, die C6 von Tyr(244) und das ε-N von His(240) verbindet (Rinderenzymnummerierung). Es spielt eine entscheidende Rolle, indem es dem Cytochrom a 3- Cu B- Zweikernzentrum die Aufnahme von vier Elektronen bei der Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser ermöglicht . Früher wurde angenommen, dass der Reduktionsmechanismus ein Peroxid- Zwischenprodukt beinhaltet, von dem angenommen wurde, dass es zur Superoxid- Produktion führt. Der derzeit akzeptierte Mechanismus beinhaltet jedoch eine schnelle Vier-Elektronen-Reduktion mit sofortiger Spaltung der Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung, wodurch jede Zwischenstufe vermieden wird, die wahrscheinlich Superoxid bildet.

Die konservierten Untereinheiten

Tabelle der konservierten Untereinheiten des Cytochrom-c-Oxidase-Komplexes
Nein. Untereinheitsname Menschliches Protein Proteinbeschreibung von UniProt Pfam- Familie mit Humanprotein
1 Steuermann1 COX1_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 1 Pfam PF00115
2 Steuermann2 COX2_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 2 Pfam PF02790 , Pfam PF00116
3 Steuermann3 COX3_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 3 Pfam PF00510
4 Cox4i1 COX41_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 4 Isoform 1, mitochondrial Pfam PF02936
5 Cox4a2 COX42_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 4 Isoform 2, mitochondrial Pfam PF02936
6 Cox5a COX5A_HUMAN Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 5A, mitochondrial Pfam PF02284
7 Cox5b COX5B_HUMAN Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 5B, mitochondrial Pfam PF01215
8 Cox6a1 CX6A1_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 6A1, mitochondrial Pfam PF02046
9 Cox6a2 CX6A2_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 6A2, mitochondrial Pfam PF02046
10 Cox6b1 CX6B1_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 6B1 Pfam PF02297
11 Cox6b2 CX6B2_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 6B2 Pfam PF02297
12 Cox6c COX6C_HUMAN Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 6C Pfam PF02937
13 Cox7a1 CX7A1_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 7A1, mitochondrial Pfam PF02238
14 Cox7a2 CX7A2_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 7A2, mitochondrial Pfam PF02238
fünfzehn Cox7a3 COX7S_HUMAN Mutmaßliche Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 7A3, mitochondrial Pfam PF02238
16 Cox7b COX7B_HUMAN Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 7B, mitochondrial Pfam PF05392
17 Cox7c COX7C_HUMAN Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 7C, mitochondrial Pfam PF02935
18 Cox7r COX7R_HUMAN Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 7A-verwandtes Protein, mitochondrial Pfam PF02238
19 Cox8a COX8A_HUMAN Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 8A, mitochondrialer P Pfam PF02285
20 Cox8c COX8C_HUMAN Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 8C, mitochondrial Pfam PF02285
Baugruppen-Untereinheiten
1 Coa1 COA1_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Faktor 1-Homolog Pfam PF08695
2 Coa3 COA3_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Faktor-3-Homolog, mitochondrial Pfam PF09813
3 Coa4 COA4_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Faktor-4-Homolog, mitochondrial Pfam PF06747
4 Coa5 COA5_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Faktor 5 Pfam PF10203
5 Coa6 COA6_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Faktor-6-Homolog Pfam PF02297
6 Coa7 COA7_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Faktor 7, Pfam PF08238
7 Steuermann11 COX11_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Protein COX11 mitochondrial Pfam PF04442
8 Cox14 COX14_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Protein Pfam PF14880
9 Steuermann15 COX15_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Protein COX15-Homolog Pfam PF02628
10 Steuermann16 COX16_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Protein COX16-Homolog mitochondrial Pfam PF14138
11 Steuermann17 COX17_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Kupfer-Chaperon Pfam PF05051
12 Steuermann18 COX18_MENSCH Mitochondriales inneres Membranprotein (Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Protein 18) Pfam PF02096
13 Steuermann19 COX19_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Assembly-Protein Pfam PF06747
14 Steuermann20 COX20_MENSCH Cytochrom-c-Oxidase-Protein 20-Homolog Pfam PF12597

Montage

Die COX-Assemblierung in Hefe ist ein komplexer Prozess, der aufgrund der schnellen und irreversiblen Aggregation hydrophober Untereinheiten, die den Holoenzymkomplex bilden, sowie der Aggregation mutierter Untereinheiten mit exponierten hydrophoben Flecken nicht vollständig verstanden wird. COX-Untereinheiten werden sowohl im nuklearen als auch im mitochondrialen Genom kodiert. Die drei Untereinheiten, die den katalytischen Kern von COX bilden, sind im mitochondrialen Genom kodiert.

Häme und Cofaktoren werden in die Untereinheiten I & II eingefügt. Die beiden Hämmoleküle befinden sich in Untereinheit I und helfen beim Transport zur Untereinheit II, wo zwei Kupfermoleküle den fortgesetzten Elektronentransfer unterstützen. Die Untereinheiten I und IV leiten die Assemblierung ein. Verschiedene Untereinheiten können assoziieren, um Subkomplex-Zwischenprodukte zu bilden, die später an andere Untereinheiten binden, um den COX-Komplex zu bilden. Bei Modifikationen nach der Montage bildet COX ein Homodimer. Dies ist für die Aktivität erforderlich. Beide Dimere sind durch ein Cardiolipin- Molekül verbunden, das eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung des Holoenzymkomplexes spielt. Die Dissoziation der Untereinheiten VIIa und III in Verbindung mit der Entfernung von Cardiolipin führt zum vollständigen Verlust der Enzymaktivität. Es ist bekannt, dass im Kerngenom kodierte Untereinheiten eine Rolle bei der Enzymdimerisierung und -stabilität spielen. Mutationen dieser Untereinheiten eliminieren die COX-Funktion.

Der Zusammenbau erfolgt bekanntlich in mindestens drei unterschiedlichen geschwindigkeitsbestimmenden Schritten. Die Produkte dieser Schritte wurden gefunden, obwohl spezifische Untereinheitszusammensetzungen nicht bestimmt wurden.

Synthese und Zusammenbau der COX-Untereinheiten I, II und III werden durch Translationsaktivatoren erleichtert, die mit den 5'-untranslatierten Regionen der mitochondrialen mRNA-Transkripte interagieren. Translationale Aktivatoren werden im Zellkern kodiert. Sie können entweder durch direkte oder indirekte Interaktion mit anderen Komponenten der Translationsmaschinerie funktionieren, aber die genauen molekularen Mechanismen sind aufgrund von Schwierigkeiten bei der Synthese von Translationsmaschinen in-vitro unklar. Obwohl die Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten I, II und III, die im mitochondrialen Genom kodiert sind, einen geringeren Beitrag zur Enzymstabilität leisten als die Interaktionen zwischen bigenomischen Untereinheiten, sind diese Untereinheiten stärker konserviert, was auf potenzielle unerforschte Rollen für die Enzymaktivität hindeutet.

Biochemie

Zusammenfassende Reaktion:

4 Fe 2+ -Cytochrom c + 4 H + in + O 2 → 4 Fe 3+ -Cytochrom c + 2 H 2 O + 4 H + out

Zwei Elektronen werden von zwei Cytochrom cs durch die Cu A- und Cytochrom a-Stellen zum Cytochrom a 3 -Cu B- Zweikernzentrum geleitet, wodurch die Metalle in die Fe 2+ -Form und Cu + reduziert werden . Der Hydroxidligand wird protoniert und geht als Wasser verloren, wodurch eine Lücke zwischen den Metallen entsteht, die von O 2 ausgefüllt wird . Der Sauerstoff wird schnell reduziert, wobei zwei Elektronen vom Fe 2+ Cytochrom a 3 kommen , das in die Ferreloxo-Form (Fe 4+ =O) umgewandelt wird. Das Sauerstoffatom in der Nähe von Cu B nimmt ein Elektron von Cu + auf und ein zweites Elektron und ein Proton vom Hydroxyl von Tyr(244), das zu einem Tyrosylradikal wird. Der zweite Sauerstoff wird in ein Hydroxidion umgewandelt, indem er zwei Elektronen und ein Proton aufnimmt. Ein drittes Elektron, das von einem anderen Cytochrom c stammt, wird durch die ersten beiden Elektronenträger zum Cytochrom a 3 - Cu B- Zweikernzentrum geleitet, und dieses Elektron und zwei Protonen wandeln das Tyrosylradikal zurück in Tyr und das Hydroxid an Cu B 2+ zu einem Wassermolekül. Das vierte Elektron von einem anderen Cytochrom c fließt durch Cu A und Cytochrom a zum zweikernigen Zentrum von Cytochrom a 3 - Cu B und reduziert das Fe 4+ =O zu Fe 3+ , wobei das Sauerstoffatom gleichzeitig ein Proton aufnimmt und diesen Sauerstoff regeneriert als Hydroxidion koordiniert in der Mitte des Cytochrom a 3 - Cu B- Zentrums, wie es zu Beginn dieses Zyklus war. Der Nettoprozess besteht darin, dass vier reduzierte Cytochrom cs zusammen mit 4 Protonen verwendet werden, um O 2 zu zwei Wassermolekülen zu reduzieren .

Hemmung

COX existiert in drei Konformationszuständen: vollständig oxidiert (gepulst), teilweise reduziert und vollständig reduziert. Jeder Inhibitor hat eine hohe Affinität zu einem anderen Zustand. Im gepulsten Zustand werden sowohl das Häm a 3 als auch die Cu B -Kernzentren oxidiert; Dies ist die Konformation des Enzyms mit der höchsten Aktivität. Eine Zwei-Elektronen-Reduktion initiiert eine Konformationsänderung, die es Sauerstoff ermöglicht, am aktiven Zentrum an das teilweise reduzierte Enzym zu binden. Vier Elektronen binden an COX, um das Enzym vollständig zu reduzieren. Sein vollständig reduzierter Zustand, der aus einem reduzierten Fe 2+ an der Cytochrom a 3 -Häm-Gruppe und einem reduzierten Cu B + -Zweikernzentrum besteht, wird als inaktiver oder ruhender Zustand des Enzyms angesehen.

Cyanid , Azid und Kohlenmonoxid binden alle an Cytochrom-c-Oxidase, hemmen die Funktion des Proteins und führen zur chemischen Erstickung der Zellen. Höhere Konzentrationen an molekularem Sauerstoff werden benötigt, um steigende Inhibitorkonzentrationen zu kompensieren, was in Gegenwart eines Inhibitors insgesamt zu einer Verringerung der Stoffwechselaktivität in der Zelle führt. Andere Liganden, wie Stickstoffmonoxid und Schwefelwasserstoff, können COX ebenfalls hemmen, indem sie an regulatorische Stellen des Enzyms binden, wodurch die Zellatmungsrate verringert wird.

Cyanid ist ein nicht-kompetitiver Inhibitor für COX, der mit hoher Affinität an den teilweise reduzierten Zustand des Enzyms bindet und eine weitere Reduktion des Enzyms verhindert. Im gepulsten Zustand bindet Cyanid langsam, aber mit hoher Affinität. Der Ligand ist so positioniert, dass er beide Metalle gleichzeitig elektrostatisch stabilisiert, indem er sich zwischen ihnen positioniert. Eine hohe Stickoxidkonzentration, wie sie dem Enzym exogen zugesetzt wird, kehrt die Cyanid-Hemmung von COX um.

Stickoxid kann sich reversibel an jedes Metallion im zweikernigen Zentrum binden, um zu Nitrit oxidiert zu werden. NO und CN konkurrieren mit Sauerstoff um die Bindung an dieser Stelle, wodurch die Zellatmungsrate verringert wird. Endogenes NO hingegen, das in geringeren Mengen produziert wird, verstärkt die CN -Hemmung. Höhere NO-Spiegel, die mit dem Vorhandensein von mehr Enzym im reduzierten Zustand korrelieren, führen zu einer stärkeren Hemmung von Cyanid. Bei diesen basalen Konzentrationen hat die NO-Hemmung von Komplex IV bekanntermaßen vorteilhafte Wirkungen, wie z. B. eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts im Blutgefäßgewebe. Die Unfähigkeit des Enzyms, Sauerstoff zu Wasser zu reduzieren, führt zu einer Ansammlung von Sauerstoff, der tiefer in das umgebende Gewebe diffundieren kann. Die NO-Hemmung von Komplex IV hat eine größere Wirkung bei niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen, was seine Nützlichkeit als Vasodilatator in bedürftigen Geweben erhöht.

Schwefelwasserstoff bindet COX auf nichtkompetitive Weise an einer regulatorischen Stelle des Enzyms, ähnlich wie Kohlenmonoxid. Sulfid hat die höchste Affinität entweder zu den gepulsten oder teilweise reduzierten Zuständen des Enzyms und ist in der Lage, das Enzym am Häm a 3 -Zentrum teilweise zu reduzieren . Es ist unklar, ob endogene H 2 S-Spiegel ausreichen, um das Enzym zu hemmen. Es gibt keine Wechselwirkung zwischen Schwefelwasserstoff und der vollständig reduzierten Konformation von COX.

Methanol in Brennspiritus wird in Ameisensäure umgewandelt , die ebenfalls das gleiche Oxidase-System hemmt. Hohe ATP-Spiegel können die Cytochrom-c-Oxidase allosterisch hemmen, indem sie innerhalb der mitochondrialen Matrix bindet.

Extramitochondriale und subzelluläre Lokalisationen

Lage der 3 Gene der Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit im menschlichen mitochondrialen Genom: COXI , COXII und COXIII (orange Kästchen).

Cytochrom-c-Oxidase hat 3 Untereinheiten, die von mitochondrialer DNA kodiert werden (Cytochrom-c-Oxidase Untereinheit I , Untereinheit II und Untereinheit III ). Von diesen 3 Untereinheiten, die von mitochondrialer DNA kodiert werden, wurden zwei an extramitochondrialen Orten identifiziert. Im azinären Pankreasgewebe wurden diese Untereinheiten in Zymogengranula gefunden . Außerdem wurden im Hypophysenvorderlappen relativ hohe Mengen dieser Untereinheiten in sekretorischen Wachstumshormongranulaten gefunden . Die extramitochondriale Funktion dieser Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheiten wurde noch nicht charakterisiert. Neben Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheiten wurde eine extramitochondriale Lokalisation auch für eine große Zahl anderer mitochondrialer Proteine ​​beobachtet. Dies wirft die Möglichkeit auf, dass es noch nicht identifizierte spezifische Mechanismen für die Proteintranslokation von Mitochondrien zu anderen zellulären Zielen gibt.

Genetische Defekte und Störungen

Defekte mit genetischen Mutationen, die die Funktionalität oder Struktur der Cytochrom- c- Oxidase (COX) verändern, können zu schweren, oft tödlichen Stoffwechselstörungen führen . Solche Störungen manifestieren sich meist im frühen Kindesalter und betreffen überwiegend Gewebe mit hohem Energiebedarf (Gehirn, Herz, Muskel). Unter den vielen klassifizierten mitochondrialen Erkrankungen gelten diejenigen, die eine dysfunktionale COX-Assembly beinhalten, als die schwersten.

Die überwiegende Mehrheit der COX-Erkrankungen ist mit Mutationen in nuklearkodierten Proteinen verbunden, die als Assemblierungsfaktoren oder Assemblierungsproteine ​​bezeichnet werden. Diese Assemblierungsfaktoren tragen zur COX-Struktur und -Funktionalität bei und sind an mehreren wesentlichen Prozessen beteiligt, darunter Transkription und Translation von Mitochondrien-kodierten Untereinheiten, Prozessierung von Präproteinen und Membraninsertion sowie Cofaktor-Biosynthese und -Inkorporation.

Derzeit wurden Mutationen in sieben COX-Assemblyfaktoren identifiziert: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 und LRPPRC . Mutationen in diesen Proteinen können zu einer veränderten Funktionalität des Zusammenbaus von Subkomplexen, des Kupfertransports oder der translationalen Regulation führen. Jede Genmutation ist mit der Ätiologie einer bestimmten Krankheit verbunden, wobei einige Auswirkungen auf mehrere Erkrankungen haben. Zu den Störungen, die eine dysfunktionale COX-Zusammensetzung durch Genmutationen beinhalten , gehören das Leigh-Syndrom , Kardiomyopathie , Leukodystrophie , Anämie und sensorineurale Taubheit .

Histochemie

Die erhöhte Abhängigkeit von Neuronen von der oxidativen Phosphorylierung zur Energiegewinnung erleichtert die Verwendung der COX-Histochemie bei der Kartierung des regionalen Hirnstoffwechsels bei Tieren, da sie eine direkte und positive Korrelation zwischen Enzymaktivität und neuronaler Aktivität herstellt. Dies zeigt sich in der Korrelation zwischen COX-Enzymmenge und -Aktivität, was auf die Regulation von COX auf der Ebene der Genexpression hinweist. Die COX-Verteilung ist in verschiedenen Regionen des Tiergehirns inkonsistent, aber ihr Verteilungsmuster ist bei allen Tieren konsistent. Dieses Muster wurde im Gehirn von Affen, Mäusen und Kälbern beobachtet. Ein Isozym von COX wurde bei der histochemischen Analyse des Gehirns durchweg nachgewiesen.

Eine solche Gehirnkartierung wurde bei spontan mutierten Mäusen mit Kleinhirnerkrankung, wie Reeler, und einem transgenen Modell der Alzheimer-Krankheit durchgeführt . Diese Technik wurde auch verwendet, um die Lernaktivität im tierischen Gehirn abzubilden.

Zusätzliche Bilder

Siehe auch

Verweise

Externe Links