CYTOCHROME C OXIDASE: ISTRAKTURA, PAG-ANDAR, MGA INHIBITOR - BIOLOGY - 2025

Ang cytochrome c oxidase ay isang kumplikado ng mga protina ng enzymatic na maaaring tumawid sa lipid bilayer ng membrane ng cell. Ito ay hemosoluble at pangunahing nauugnay sa panloob na lamad ng mitochondria, na natagpuan kapwa sa prokaryotic organismo (bakterya) at sa eukaryotes (unicellular at multicellular).

Tinatawag din na kumplikadong IV, ang enzyme na ito ay mahalaga sa aerobic metabolic function ng mga organismo, dahil ito ay mahalaga sa kadena ng transportasyon ng elektron kung saan ang cell ay nagsunog ng mga sugars at kinukuha ang bahagi ng enerhiya na pinakawalan upang mag-imbak ng adenosine triphosphate o ATP.

Ang modelo ng Ball-and-stick ng heme, ng isang molekula na matatagpuan sa mala-kristal na istraktura ng cytochrome c oxidase sa puso ng bovine. Kinuha at na-edit mula sa: Benjah-bmm27.

Ang pangalang cytochrome ay nangangahulugang "mga cellular pigment." Ito ay mga protina ng dugo na nagdadala ng mga electron. Ang mga cytochromes ay natuklasan ng Irish manggagamot na si Charles Alexander MacMunn noong 1884. Pinagsimunuan ng MacMunn ang pagtuklas ng pigment ng respiratory sa dugo, na tinatawag na cytochrome 1.

Noong 1920s, ang Russian entomologist at parasitologist na si David Keilin ay muling nadiskubre at nailalarawan ang mga pigment ng paghinga at ito ang nagngangalang mga cytochromes sa kanila. Kahit na natuklasan sila ng MacMunn noong 1884, nakalimutan siya ng pamayanang pang-agham at ang ilan ay kahit na maling na-interpret ang kanyang gawain.

Pangkalahatang katangian

Sa pangkalahatan, ang mga pigment ng respiratory ay may katangian na nakikitang light spectra. Ito ay kilala na mayroong hindi bababa sa apat na integral na mga komplikadong protina ng lamad kung saan mayroong 5 iba't ibang mga uri ng mga cytochromes: a, a3, b, c1 at c, na inuri ayon sa mga haba ng haba ng spectral pagsipsip maxima.

Karaniwan silang matatagpuan sa panloob na lamad ng mitochondria. Gayunpaman, na-obserbahan din sila sa mga endoplasmic reticulum at chloroplast, sa mga eukaryotic at prokaryotic na organismo.

Inilahad nila ang heme prosthetic group na naglalaman ng iron (Fe). Ang bawat isa sa mga kilalang cytochromes ay kumikilos sa mga multienzyme complex sa transportasyon ng mga electron sa proseso ng paghinga o chain.

Ang mga cytochromes ay may pag-andar na lumahok sa mga reaksyon ng pagbabawas ng oksihenasyon. Ang mga reaksyon ng pagbawas, kung saan tumatanggap sila ng mga electron, ay nagaganap nang magkakaiba para sa bawat uri ng cytochrome, at ang kanilang halaga ay tinutukoy ng daloy ng mga electron sa chain ng paghinga.

-Cytochrome c

Apat na klase ng cytochrome c ang kilala, na ang mga sumusunod.

Klase ko

Sa loob ng klase na ito ay ang natutunaw na low cytochromes c (lowspin), na naroroon sa bakterya at mitochondria. Ang mga ito ay octahedral. Ang site na nagbubuklod ng heme ay nasa N-terminus ng histidine at ang ikaanim na ligand ay ibinibigay ng isang nalalabi na methionine sa C-terminus.

Sa klase na ito, maraming mga subclass ay maaaring makilala, na ang tatlong-dimensional na istraktura ay natutukoy.

Klase II

Ang mataas na spin cytochrome c at ilang mababang mga cytochromes ng spin ay matatagpuan sa klase na ito. Ang mga may mataas na pagliko ay may nagbubuklod na site na malapit sa C-terminus, at sa mga may mababang pagliko ang ikaanim na ligand ay lilitaw na isang nalalabi na methionine na malapit sa N end (N-terminus sa Ingles). Ang mga ito ay pentacoordinated na may ikalimang ligand histidine.

Klase III

Ang klase na ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng paglalahad ng mga cytochromes c na may maraming heme (c3 at c7) at isang mababang potensyal na pagbabawas ng oksihenasyon, na may lamang 30 na residu ng amino acid bawat pangkat ng heme. Sa mga kinatawan ng klase na ito, ang mga grupo ng heme c ay may hindi katumbas na istraktura at pag-andar, bilang karagdagan sa pagpapakita ng iba't ibang mga potensyal na redox. Ang mga ito ay octahedral.

Klase IV

Ayon sa ilang mga may-akda, ang klase na ito ay nilikha lamang upang isama ang mga kumplikadong protina na naroroon ng iba pang mga grupo ng prostetik, pati na rin ang heme c, o flavocytochrome c, bukod sa iba pa.

Cytochrome c oxidase o Complex IV

Ang Cytochrome c oxidase ay isang mitochondrial enzyme na isinasagawa ang pangwakas na yugto ng transportasyon ng elektron sa paghinga ng cellular. Ang enzyme na ito ay catalyzes ang transportasyon ng mga electron mula sa nabawasan na cytochrome c hanggang oxygen.

Ang ilang mga kemikal na compound tulad ng cyanide, carbon dioxide at azide, ay maaaring hadlangan ang paggana ng enzyme na ito, na nagiging sanhi ng tinatawag na cellular chemical asphyxia. Ang iba pang mga paraan ng pagsugpo ng kumplikadong IV ay mga genetic mutations.

Mula sa isang ebolusyonaryong pananaw, ang cytochrome c oxidase ay matatagpuan lamang sa mga aerobic na organismo, at iminumungkahi ng maraming grupo ng mga siyentipiko na ang pagkakaroon ng protina na ito ay nagpapahiwatig ng mga ebolusyonaryong relasyon kung saan ang mga halaman, fungi, at mga hayop ay nagbahagi ng isang karaniwang ninuno.

Istraktura

Ang Cytochrome c oxidase ay bumubuo ng isang homodimeric complex, iyon ay, binubuo ng dalawang magkatulad na monomer sa panloob na lamad ng mitochondria. Ang complex ng enzyme ay binubuo ng 3 hanggang 4 na mga subunits sa prokaryotic organismo at hanggang sa maximum na 13 (ang ilan ay nagmumungkahi ng 14) polypeptides sa mga organismo tulad ng mga mammal.

Sa mga organismo na ito ang 3 polypeptides ay ng mitochondrial origin at ang natitirang nagmula sa nucleus. Ang bawat monomer ay may 28 na transmembrane helice na naghihiwalay ng mga hydrophilic domain laban sa lamad ng matris at ang intermembrane space.

Ito ay may isang solong katalista na yunit, na matatagpuan sa lahat ng mga enzyme na nagpapatong ng mga reaksyon ng oksihenasyon / pagbawas, gamit ang molekular na oxygen (oxidases, lalo na ang heme-tanso). Ang complex ay naglalaman ng mga cytochromes a at a3 na naka-link sa pamamagitan ng subunit I at dalawang mga sentro ng tanso.

Mayroon itong isa o higit pang mga grupo ng heme c na naka-link sa nakapalibot na istraktura ng protina sa pamamagitan ng isa o higit pa (sa pangkalahatan ay dalawa) na mga bono ng thioether. Iminumungkahi ng iba pang mga may-akda na mayroong isang solong grupo ng heme C na covalently na naka-link sa protina sa pagitan ng singsing ng porphyrin at dalawang nalalabi sa cysteine.

Ang nag-iisang pangkat na heme c na nabanggit sa itaas ay napapalibutan ng mga nalalabi na hydrophobic at hexacoordinated, na may histidine sa posisyon 18 ng chain ng polypeptide at methionine sa posisyon 80.

Cytochrome c oxidase subunit F. Kinuha at na-edit mula sa: Jawahar Swaminathan at kawani ng MSD sa European Institute of Bioinformatics

Mga Tampok

Ang mga cytochrome c oxidases ay mga protagonist sa tatlong pangunahing mekanismo ng physiological, na makikita natin sa ibaba.

Apoptosis o na-program na kamatayan ng cell

Ang Apoptosis ay na-program na pagkasira ng cell o kamatayan, na sanhi ng mismong organismo at kung saan ang layunin ay upang makontrol ang paglaki, pag-unlad, ang pag-aalis ng mga nasira na tisyu at ang regulasyon ng immune system. Sa prosesong physiological na ito, ang cytochrome c oxidase ay nakikilahok bilang isang intermediate.

Ang protina na ito, na inilabas ng mitochondria, ay humantong sa isang pakikipag-ugnay sa endoplasmic reticulum, na nagiging sanhi ng pagtatago o paglabas ng calcium. Ang progresibong pagtaas ng calcium ay nag-trigger ng isang napakalaking paglabas ng cytochrome c oxidase, hanggang maabot ang mga antas ng cytotoxic ng calcium.

Ang mga antas ng cytotoxic ng kaltsyum at ang pagpapakawala ng mga cytochromes c ay sanhi ng pag-activate ng kaskad ng maraming mga enzyme ng caspase, na responsable para sa pagkasira ng mga cell.

Pagbabagong-buhay ng cell o tisyu

Maraming mga pag-aaral ang nagpapahiwatig na kapag ang cytochrome c oxidase ay nakalantad sa mga haba ng haba ng 670 nanometer, nakikilahok ito sa isang functional complex, na tumagos sa nasira o nasugatan na tisyu at pinataas ang rate ng pagbabagong-buhay ng cell.

Ang metabolismo ng enerhiya

Ito ay marahil ang pinakamahusay na kilala at pinaka may-katuturang pag-andar ng cytochrome c oxidase. Ito ay tiyak na ang oxidase complex (ng chain ng paghinga) na may pananagutan sa pagkolekta ng mga electron mula sa cytochrome c at paglilipat sa mga molekula ng oxygen, binabawasan ito sa dalawang molekula ng tubig.

Nakakonekta sa prosesong ito, ang isang proton translocation ay nangyayari sa pamamagitan ng lamad, na nagreresulta sa henerasyon ng isang electrochemical gradient na ginagamit ng ATP synthetase complex upang makabuo o synthesize ang ATP (adenosine triphosphate).

Mga Inhibitor

Ang Cytochrome c oxidase ay hinarang ng iba't ibang mga compound at proseso ng kemikal. Ang paraan nito ay maaaring lumitaw bilang isang natural na paraan upang maisaayos ang paggawa o pagkilos ng enzyme o maaari itong mangyari nang hindi sinasadya dahil sa pagkalason.

Sa pagkakaroon ng azide, cyanide o carbon monoxide, ang cytochrome c oxidase ay nagbubuklod sa mga ito at ang paggana ng kumplikadong protina ay hinarang. Nagdudulot ito ng isang pagkagambala sa proseso ng paghinga ng cellular at sa gayon ay nagiging sanhi ng kemikal na paghihirap ng mga cell.

Ang iba pang mga compound tulad ng nitric oxide, hydrogen sulfide, methanol, at ilang mga methylated alcohols, ay nagdudulot din ng pagsugpo sa cytochrome c oxidase.

Kakulangan

Ang Cytochrome c oxidase ay isang enzyme na kinokontrol ng mga gene sa parehong nucleus at mitochondria. Mayroong mga genetic na pagbabago o mutations na maaaring humantong sa isang kakulangan ng cytochrome c oxidase.

Ang mga mutations na ito ay nakakagambala sa pag-andar ng enzyme, dahil binago nila ang istruktura ng enzymatic, na nagdala ng mga sakit na metaboliko sa panahon ng pag-unlad ng embryonic (ayon sa pag-aaral ng tao), na kalaunan ay makakaapekto sa organismo sa mga unang taon ng buhay nito.

Ang kakulangan ng cytochrome c oxidase ay nakakaapekto sa mga tisyu na may mataas na pangangailangan ng enerhiya, tulad ng puso, atay, utak, at kalamnan. Ang mga sintomas ng mga mutation na ito ay makikita sa harap ng dalawang taon ng buhay at maaaring ipakita bilang malakas o banayad na mga kondisyon.

Ang mga sintomas ng malambing ay makikita kahit na pagkatapos ng unang taon ng edad, at ang mga indibidwal na kasama nila ay karaniwang nabawasan lamang ang pag-igting ng kalamnan (hypotonia) at pagkasayang ng kalamnan (myopathy).

Sa kabilang banda, ang mga indibidwal na may mas malakas na mga sintomas ay maaaring magkaroon ng pagkasayang ng kalamnan at encephalomyopathy. Ang iba pang mga kondisyon na sanhi ng kawalan ng cytochrome c oxidase ay hypertrophic cardiomyopathy, pathological pagpapalaki ng atay, Leigh syndrome, at lactic acidosis.

Gumagamit sa phylogeny

Ang Phylogeny ay ang agham na responsable para sa mga pag-aaral ng pinagmulan, pagbuo at pagbuo ng ebolusyon mula sa punto ng pananaw ng ninuno, ng mga organismo. Sa mga huling dekada, ang mga pag-aaral ng phylogeny na may pagsusuri ng molekular ay higit pa at madalas, na nagbubunga ng maraming impormasyon at paglutas ng mga problema sa taxonomic.

Sa kahulugan na ito, ang ilang mga pag-aaral ng phylogenetic ay nagpapahiwatig na ang paggamit ng mga cytochrome c oxidases ay makakatulong na maitaguyod ang mga kaugnayan sa ebolusyon. Ito ay dahil ang kumplikadong protina na ito ay lubos na inalagaan at naroroon sa isang iba't ibang uri ng mga organismo, na nagmula sa unicellular protists hanggang sa mga malalaking vertebrates.

Ang mga halimbawa nito ay ang mga pagsubok na isinasagawa sa mga tao, chimpanzees (Pan paniscus) at Rhesus macaques (Macaca mulatta). Ang nasabing mga pagsubok ay nagsiwalat na ang mga tao at chimpanzee cytochrome c oxidase ay magkapareho.

Ipinakita din nito na ang mga molekong cytochrome c oxidase ng Rhesus macaque ay naiiba sa pamamagitan ng isang amino acid mula sa mga nauna sa dalawa, sa gayon ay muling nagpapatibay sa mga ugnayang ninuno-ninuno sa pagitan ng mga chimpanze at mga tao.

Mga Sanggunian

1. RP Ambler (1991). Pagbabago ng sequence sa mga bacterial cytochromes c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics.
2. Cytochrome c. Nabawi mula sa newworldencyWiki.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Mga tungkulin sa biyolohikal ng cytochrome c: transportasyon ng elektronika ng mitochondrial, na-program na pagkamatay ng cell, at nakakuha ng aktibidad ng peroksayd. Mga Annals ng Faculty of Medicine.
4. Cytochrome c oxidase subunit I. Nabawi mula sa ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Sandali, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Ang Cytochrome c Oxidase Subunit IV ay Mahalaga para sa Assembly at Respiratory Function ng Enzyme Complex. Journal ng Bioenergetics at Biomembranes.
6. Pangkat ng Gene: Mitochondrial complex IV: cytochrome c oxidase subunits (COX, MT-CO). Nabawi mula sa genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Ang pagtuklas ng cytochrome. Edukasyong Biokemikal.
8. Cytochrome c oxidase, kakulangan ng…. Nabawi mula sa ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biochemestry. 3rd edition. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.