Citocromo c oxidase - Cytochrome c oxidase

Citocromo c oxidase
Citocromo C Oxidase 1OCC em Membrana 2.png
Estrutura cristalina da citocromo c oxidase bovina em uma bicamada fosfolipídica. O espaço intermembrana fica no topo da imagem. Adaptado de PDB : 1OCC (é um homo dímero nesta estrutura)
Identificadores
EC nº 1.9.3.1
CAS no. 9001-16-5
Bancos de dados
IntEnz Vista IntEnz
BRENDA Entrada BRENDA
ExPASy NiceZyme view
KEGG Entrada KEGG
MetaCyc via metabólica
PRIAM perfil
Estruturas PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Ontologia Genética AmiGO / QuickGO
Citocromo c oxidase
Cmplx4.PNG
Subunidade I e II do Complexo IV excluindo todas as outras subunidades, PDB : 2EIK
Identificadores
Símbolo Citocromo c oxidase
Superfamília OPM 4
Proteína OPM 2 dias
Membranome 257

A enzima citocromo c oxidase ou Complexo IV , EC 1.9.3.1 , é um grande complexo de proteína transmembrana encontrado em bactérias , arquéias e mitocôndrias de eucariotos .

É a última enzima da cadeia respiratória de transporte de elétrons das células localizadas na membrana. Ele recebe um elétron de cada uma das quatro moléculas do citocromo C e os transfere para uma molécula de dioxigênio, convertendo o oxigênio molecular em duas moléculas de água. Nesse processo, ele liga quatro prótons da fase aquosa interna para formar duas moléculas de água e transloca outros quatro prótons através da membrana, aumentando a diferença transmembrana do potencial eletroquímico do próton que a ATP sintase usa para sintetizar ATP .

Estrutura

O complexo

O complexo é uma grande proteína de membrana integral composta de vários sítios protéticos de metal e 14 subunidades de proteína em mamíferos. Nos mamíferos, onze subunidades são de origem nuclear e três são sintetizadas na mitocôndria. O complexo contém dois hemes , um citocromo um e citocromo um 3 , e dois de cobre centros, o Cu A e Cu B centros. Na verdade, o citocromo a 3 e o Cu B formam um centro binuclear que é o local da redução do oxigênio. O citocromo c , que é reduzido pelo componente precedente da cadeia respiratória (complexo do citocromo bc1, complexo III), acopla-se ao centro binuclear Cu A e passa um elétron para ele, sendo oxidado de volta ao citocromo c contendo Fe 3+ . O Cu reduzida Um centro binuclear agora passa um electrão para um citocromo, que por sua vez passa um electrão para o citocromo um 3 -Cu B binuclear centro. Os dois íons metálicos neste centro binuclear estão separados por 4,5 Å e coordenam um íon hidróxido no estado totalmente oxidado.

Estudos cristalográficos da citocromo c oxidase mostram uma modificação pós-tradução incomum, ligando C6 de Tyr (244) e o ε-N de His (240) (numeração de enzima bovina). Ele desempenha um papel vital ao permitir que o centro binuclear do citocromo 3 - Cu B aceite quatro elétrons na redução do oxigênio molecular à água . O mecanismo de redução foi pensado anteriormente para envolver um intermediário de peróxido , que se acreditava levar à produção de superóxido . No entanto, o mecanismo atualmente aceito envolve uma rápida redução de quatro elétrons envolvendo a clivagem imediata da ligação oxigênio-oxigênio, evitando qualquer intermediário que possa formar superóxido.

As subunidades conservadas

Tabela de subunidades conservadas do complexo citocromo c oxidase
Não. Nome da subunidade Proteína humana Descrição da proteína do UniProt Família Pfam com Proteína Humana
1 Cox1 COX1_HUMAN Subunidade 1 da citocromo c oxidase Pfam PF00115
2 Cox2 COX2_HUMAN Subunidade 2 da citocromo c oxidase Pfam PF02790 , Pfam PF00116
3 Cox3 COX3_HUMAN Subunidade 3 da citocromo c oxidase Pfam PF00510
4 Cox4i1 COX41_HUMAN Isoforma 1 da subunidade 4 da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02936
5 Cox4a2 COX42_HUMAN Isoforma 2 da subunidade 4 da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02936
6 Cox5a COX5A_HUMAN Subunidade 5A da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02284
7 Cox5b COX5B_HUMAN Subunidade 5B da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF01215
8 Cox6a1 CX6A1_HUMAN Subunidade 6A1 da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02046
9 Cox6a2 CX6A2_HUMAN Subunidade 6A2 da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02046
10 Cox6b1 CX6B1_HUMAN Subunidade 6B1 da citocromo c oxidase Pfam PF02297
11 Cox6b2 CX6B2_HUMAN Subunidade 6B2 da citocromo c oxidase Pfam PF02297
12 Cox6c COX6C_HUMAN Subunidade 6C da citocromo c oxidase Pfam PF02937
13 Cox7a1 CX7A1_HUMAN Subunidade 7A1 da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02238
14 Cox7a2 CX7A2_HUMAN Subunidade 7A2 da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02238
15 Cox7a3 COX7S_HUMAN Suposta subunidade 7A3 de citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02238
16 Cox7b COX7B_HUMAN Subunidade 7B da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF05392
17 Cox7c COX7C_HUMAN Subunidade 7C da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02935
18 Cox7r COX7R_HUMAN Proteína relacionada à subunidade 7A da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02238
19 Cox8a COX8A_HUMAN Subunidade 8A da citocromo c oxidase, P mitocondrial Pfam PF02285
20 Cox8c COX8C_HUMAN Subunidade 8C da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF02285
Subunidades de montagem
1 Coa1 COA1_HUMAN Homólogo do fator 1 de montagem da citocromo c oxidase Pfam PF08695
2 Coa3 COA3_HUMAN Homólogo do fator 3 de montagem da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF09813
3 Coa4 COA4_HUMAN Homólogo do fator 4 de montagem da citocromo c oxidase, mitocondrial Pfam PF06747
4 Coa5 COA5_HUMAN Fator 5 de montagem de citocromo c oxidase Pfam PF10203
5 Coa6 COA6_HUMAN Homólogo do fator 6 de montagem da citocromo c oxidase Pfam PF02297
6 Coa7 COA7_HUMAN Fator de montagem da citocromo c oxidase 7, Pfam PF08238
7 Cox11 COX11_HUMAN Proteína de montagem de citocromo c oxidase mitocondrial COX11 Pfam PF04442
8 Cox14 COX14_HUMAN Proteína de montagem de citocromo c oxidase Pfam PF14880
9 Cox15 COX15_HUMAN Homólogo de proteína COX15 de montagem de citocromo c oxidase Pfam PF02628
10 Cox16 COX16_HUMAN Proteína de montagem de citocromo c oxidase homocondrial COX16 mitocondrial Pfam PF14138
11 Cox17 COX17_HUMAN Chaperona de cobre citocromo c oxidase Pfam PF05051
12 Cox18 COX18_HUMAN Proteína da membrana interna mitocondrial (proteína de montagem da citocromo c oxidase 18) Pfam PF02096
13 Cox19 COX19_HUMAN Proteína de montagem de citocromo c oxidase Pfam PF06747
14 Cox20 COX20_HUMAN Homólogo da proteína 20 da citocromo c oxidase Pfam PF12597

conjunto

A montagem de COX na levedura é um processo complexo que não é totalmente compreendido devido à agregação rápida e irreversível de subunidades hidrofóbicas que formam o complexo de holoenzima, bem como agregação de subunidades mutantes com manchas hidrofóbicas expostas. As subunidades COX são codificadas nos genomas nuclear e mitocondrial. As três subunidades que formam o núcleo catalítico COX são codificadas no genoma mitocondrial.

Hemes e cofatores são inseridos nas subunidades I e II. As duas moléculas de heme residem na subunidade I, ajudando no transporte para a subunidade II, onde duas moléculas de cobre auxiliam na transferência contínua de elétrons. As subunidades I e IV iniciam a montagem. Diferentes subunidades podem se associar para formar intermediários subcomplexos que mais tarde se ligam a outras subunidades para formar o complexo COX. Em modificações pós-montagem, COX formará um homodímero. Isso é necessário para a atividade. Ambos os dímeros são conectados por uma molécula de cardiolipina , que foi encontrada para desempenhar um papel fundamental na estabilização do complexo de holoenzima. A dissociação das subunidades VIIa e III em conjunto com a remoção da cardiolipina resulta na perda total da atividade enzimática. As subunidades codificadas no genoma nuclear são conhecidas por desempenhar um papel na dimerização e estabilidade da enzima. Mutações nessas subunidades eliminam a função COX.

A montagem é conhecida por ocorrer em pelo menos três etapas distintas de determinação de taxa. Os produtos destas etapas foram encontrados, embora as composições de subunidades específicas não tenham sido determinadas.

A síntese e montagem das subunidades I, II e III da COX são facilitadas por ativadores translacionais, que interagem com as regiões 5 'não traduzidas dos transcritos de mRNA mitocondrial. Os ativadores translacionais são codificados no núcleo. Eles podem operar por meio de interação direta ou indireta com outros componentes da máquina de tradução, mas os mecanismos moleculares exatos não são claros devido às dificuldades associadas à síntese de máquinas de tradução in vitro. Embora as interações entre as subunidades I, II e III codificadas no genoma mitocondrial contribuam menos para a estabilidade da enzima do que as interações entre as subunidades bigenômicas, essas subunidades são mais conservadas, indicando possíveis papéis inexplorados para a atividade enzimática.

Bioquímica

Reação resumida:

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

Dois elétrons são passados ​​de dois citocromos c's, através dos sítios Cu A e do citocromo a, para o centro binuclear do citocromo a 3 - Cu B , reduzindo os metais à forma Fe 2+ e Cu + . O ligante hidróxido é protonado e perdido como água, criando um vazio entre os metais que é preenchido por O 2 . O oxigênio é reduzido rapidamente, com dois elétrons vindo do citocromo Fe 2+ a 3 , que é convertido na forma oxo ferrila (Fe 4+ = O). O átomo de oxigênio próximo ao Cu B pega um elétron do Cu + e um segundo elétron e um próton da hidroxila de Tyr (244), que se torna um radical tirosila. O segundo oxigênio é convertido em um íon hidróxido ao coletar dois elétrons e um próton. Um terceiro elétron proveniente de outro citocromo c é passado através dos primeiros dois portadores de elétrons para o centro binuclear do citocromo a 3 - Cu B , e este elétron e dois prótons convertem o radical tirosil de volta a Tyr, e o hidróxido ligado a Cu B 2+ a uma molécula de água. O quarto elétron de outro citocromo c flui através do Cu A e do citocromo a para o centro binuclear do citocromo a 3 - Cu B , reduzindo o Fe 4+ = O para Fe 3+ , com o átomo de oxigênio captando um próton simultaneamente, regenerando este oxigênio como um íon hidróxido coordenado no meio do centro do citocromo a 3 - Cu B como estava no início deste ciclo. O processo líquido é que quatro citocromos C reduzidos são usados, junto com 4 prótons, para reduzir O 2 a duas moléculas de água.

Inibição

COX existe em três estados conformacionais: totalmente oxidado (pulsado), parcialmente reduzido e totalmente reduzido. Cada inibidor tem uma alta afinidade com um estado diferente. No estado pulsado, os centros nucleares heme a 3 e Cu B são oxidados; esta é a conformação da enzima que possui a maior atividade. Uma redução de dois elétrons inicia uma mudança conformacional que permite que o oxigênio se ligue no sítio ativo à enzima parcialmente reduzida. Quatro elétrons se ligam à COX para reduzir totalmente a enzima. Seu estado totalmente reduzido, que consiste em um Fe 2+ reduzido no grupo heme do citocromo a 3 e um centro binuclear Cu B + reduzido , é considerado o estado inativo ou de repouso da enzima.

Cianeto , azida e monóxido de carbono se ligam à citocromo c oxidase, inibindo o funcionamento da proteína e levando à asfixia química das células. Concentrações mais altas de oxigênio molecular são necessárias para compensar o aumento das concentrações do inibidor, levando a uma redução geral da atividade metabólica na célula na presença de um inibidor. Outros ligantes, como óxido nítrico e sulfeto de hidrogênio, também podem inibir a COX ligando-se a locais reguladores da enzima, reduzindo a taxa de respiração celular.

O cianeto é um inibidor não competitivo da COX, ligando-se com alta afinidade ao estado parcialmente reduzido da enzima e impedindo uma redução posterior da enzima. No estado pulsado, o cianeto se liga lentamente, mas com alta afinidade. O ligante deve estabilizar eletrostaticamente os dois metais ao mesmo tempo, posicionando-se entre eles. Uma alta concentração de óxido nítrico, como a adicionada exogenamente à enzima, reverte a inibição do cianeto de COX.

O óxido nítrico pode se ligar reversivelmente a qualquer íon metálico no centro binuclear para ser oxidado a nitrito. NO e CN - competirão com o oxigênio para se ligar no local, reduzindo a taxa de respiração celular. Endógena de NO, no entanto, que é produzida a níveis mais baixos, aumenta CN - inibição. Níveis mais elevados de NO, que se correlacionam com a existência de mais enzima no estado reduzido, levam a uma maior inibição do cianeto. Nessas concentrações basais, sabe-se que a inibição do complexo IV pelo NO tem efeitos benéficos, como o aumento dos níveis de oxigênio nos tecidos dos vasos sanguíneos. A incapacidade da enzima de reduzir o oxigênio em água resulta em um acúmulo de oxigênio, que pode se difundir mais profundamente nos tecidos circundantes. A inibição do complexo IV pelo NO tem um efeito maior em baixas concentrações de oxigênio, aumentando sua utilidade como vasodilatador em tecidos necessitados.

O sulfeto de hidrogênio se liga à COX de maneira não competitiva em um local regulador da enzima, semelhante ao monóxido de carbono. O sulfeto tem a maior afinidade para os estados pulsado ou parcialmente reduzido da enzima e é capaz de reduzir parcialmente a enzima no centro heme a 3 . Não está claro se os níveis endógenos de H 2 S são suficientes para inibir a enzima. Não há interação entre o sulfeto de hidrogênio e a conformação totalmente reduzida de COX.

O metanol em álcool metilado é convertido em ácido fórmico , que também inibe o mesmo sistema oxidase. Altos níveis de ATP podem inibir alostericamente a citocromo c oxidase, ligando-se a partir da matriz mitocondrial.

Localizações extramitocondrial e subcelular

Localização dos 3 genes da subunidade da citocromo c oxidase no genoma mitocondrial humano: COXI , COXII e COXIII (caixas laranja).

A citocromo c oxidase tem 3 subunidades que são codificadas pelo DNA mitocondrial (citocromo c oxidase subunidade I , subunidade II e subunidade III ). Destas 3 subunidades codificadas pelo DNA mitocondrial, duas foram identificadas em localizações extramitocondriais. No tecido acinar pancreático , essas subunidades foram encontradas nos grânulos de zimogênio . Além disso, na pituitária anterior , quantidades relativamente altas dessas subunidades foram encontradas nos grânulos de secreção do hormônio do crescimento . A função extramitocondrial dessas subunidades da citocromo c oxidase ainda não foi caracterizada. Além das subunidades da citocromo c oxidase, a localização extramitocondrial também foi observada para um grande número de outras proteínas mitocondriais. Isso levanta a possibilidade da existência de mecanismos específicos ainda não identificados para a translocação de proteínas da mitocôndria para outros destinos celulares.

Defeitos e doenças genéticas

Defeitos envolvendo mutações genéticas que alteram a funcionalidade ou estrutura da citocromo c oxidase (COX) podem resultar em distúrbios metabólicos graves, muitas vezes fatais . Esses distúrbios geralmente se manifestam na primeira infância e afetam predominantemente os tecidos com alta demanda de energia (cérebro, coração, músculos). Entre as muitas doenças mitocondriais classificadas , aquelas que envolvem a montagem disfuncional de COX são consideradas as mais graves.

A grande maioria dos distúrbios COX está ligada a mutações em proteínas codificadas por núcleo, conhecidas como fatores de montagem ou proteínas de montagem. Esses fatores de montagem contribuem para a estrutura e funcionalidade da COX e estão envolvidos em vários processos essenciais, incluindo a transcrição e tradução de subunidades codificadas por mitocôndria, processamento de pré-proteínas e inserção de membrana e biossíntese e incorporação de cofator.

Atualmente, as mutações foram identificadas em sete fatores de montagem COX: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 e LRPPRC . Mutações nessas proteínas podem resultar em funcionalidade alterada de montagem de subcomplexos, transporte de cobre ou regulação translacional. Cada mutação genética está associada à etiologia de uma doença específica, com algumas tendo implicações em vários distúrbios. Os distúrbios que envolvem a montagem disfuncional de COX por meio de mutações genéticas incluem síndrome de Leigh , cardiomiopatia , leucodistrofia , anemia e surdez neurossensorial .

Histoquímica

O aumento da dependência dos neurônios na fosforilação oxidativa para energia facilita o uso da histoquímica COX no mapeamento do metabolismo cerebral regional em animais, uma vez que estabelece uma correlação direta e positiva entre a atividade enzimática e a atividade neuronal. Isso pode ser visto na correlação entre a quantidade e a atividade da enzima COX, o que indica a regulação da COX ao nível da expressão gênica. A distribuição de COX é inconsistente em diferentes regiões do cérebro animal, mas seu padrão de distribuição é consistente em todos os animais. Esse padrão foi observado no cérebro de macaco, camundongo e bezerro. Uma isozima de COX foi detectada de forma consistente na análise histoquímica do cérebro.

Esse mapeamento cerebral foi realizado em camundongos mutantes espontâneos com doença cerebelar, como o reeler e um modelo transgênico da doença de Alzheimer . Esta técnica também foi usada para mapear a atividade de aprendizagem no cérebro animal.

Imagens adicionais

Veja também

Referências

links externos