Citokróm c-oxidáz | |
---|---|
| |
Azonosítók | |
KF kód | 7.1.1.9 |
CAS szám | 9001-16-5 |
Enzim adatbázisok | |
IntEnz | IntEnz nézet |
BRENDA | BRENDA bejegyzés |
ExPASy | NiceZyme nézet |
MetaCyc | anyagcsere út |
KEGG | KEGG bejegyzés |
PRIAM | profil |
EKT struktúrák | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
Gén-ontológia | AmiGO • EGO |
Keresés | |
PMC | cikkeket |
PubMed | cikkeket |
NCBI | NCBI fehérjék |
CAS | 9001-16-5 |
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon |
A citokróm-c-oxidáz ( citokróm-oxidáz ) vagy citokróm-c-oxigén:oxidoreduktáz , más néven citokróm aa 3 és komplex IV , az aerob légúti elektrontranszport lánc terminális oxidáza , amely katalizálja az elektronok átvitelét a citokróm c -ből az oxigénbe . víz [1] . A citokróm-oxidáz jelen van minden eukarióta belső mitokondriális membránjában , ahol általában IV-es komplexnek nevezik, valamint számos aerob baktérium sejtmembránja [2] .
A IV-es komplex szekvenciálisan oxidál négy citokróm c molekulát , és négy elektront elfogadva az O 2 -t H 2 O- vá redukálja . Amikor az O 2 redukálódik, négy H + fog le a mitokondriális mátrixból , így két H 2 O molekula és négy további H képződik. + aktívan átpumpálják a membránon . Így a citokróm-oxidáz hozzájárul az ATP-szintézis protongradiensének létrehozásához, és része az oxidatív foszforilációs útvonalnak [3] . Ezen túlmenően ez a több fehérjét tartalmazó komplex kulcsszerepet játszik a teljes légzési lánc aktivitásának szabályozásában és az eukarióta sejt energiatermelésében [4] .
A citokróm-oxidázt C. A. McMann ír orvos és tudós fedezte fel , aki 1885-ben az abszorpciós spektrum reverzibilis változásait írta le 605 nm-es hullámhosszon, amelyek az oxidáció során fordulnak elő állati sejtekben, ami a citokróm-oxidáz jellegzetes spektrális aláírása. Munkáját azonban bírálták a befolyásos fiziológusok , Goppe-Seyler és Levy, akik azt feltételezték, hogy McMann egyszerűen a hemoglobin bomlástermékeinek felvételét figyeli . Ennek eredményeként az enzim kutatása több mint 30 évre leállt, mígnem Hans Fischer 1923-ban megerősítette McMann eredményeit [5] [6] [7] .
Az enzim további kutatását Otto Warburg német tudós folytatta . Munkája során CO - val gátolta a légzést élesztőszuszpenzióban , majd abszorpciós spektrumokat kapott a gátlás megszüntetésével , különböző hullámhosszúságú koherens fénysugárral besugárzással . A kapott adatokból az következett, hogy a gátolt enzim egy hemoprotein , amelyben a hem komplexben van a CO -val [8] [9] . Warburg egy új, ismeretlen fehérjét kapcsolt össze a sejtlégzés funkciójával, és alkalmazta rá az Atmungsferment , vagyis a „légzési enzim” kifejezést, amelyet 1924 óta használt. A mű 1929-ben jelent meg, és 1931-ben Warburg megkapta érte a fiziológiai vagy orvosi Nobel-díjat "a légzési enzim természetének és hatásmechanizmusának feltárásáért" [5] szöveggel .
A IV. komplex természetének megértéséhez jelentős mértékben járult hozzá David Keilin brit tudós . 1939-ben E. F. Hartree-vel együttműködve felfedezett egy korábban ismeretlen citokrómot, az úgynevezett 3 - at , amely képes volt oxidálni a citokróm c -t . Az új citokróm abszorpciós spektruma megegyezett a rejtélyes Warburg légzőszervi enzimmel, és a CO és a KCN is gátolta [10] . Munkájában Kaylin megalkotta a citokróm c-oxidáz nevet, amelyet Malcolm Dixon javasolt 1928-ban [11] . Warburg és Kaylin sokáig vitatkozott a ciokróm-oxidáz természetéről: Warburg úgy vélte, hogy csak a vas lehet ennek az enzimnek a kofaktora , míg Kaylin úgy vélte, hogy ez egy réztartalmú fehérje. Az évek múlásával kiderült, hogy mindkét nagy tudósnak igaza volt: a citokróm-oxidáz vastartalmú hem- és rézatomot egyaránt tartalmaz [12] .
A citokróm-oxidáz általi oxigénkötés mechanizmusát Britton Chance amerikai biokémikus tanulmányozta , aki az 1970-es évek közepén fejlett NMR technikák és alacsony hőmérsékleten végzett spektroszkópia segítségével felfedezte a citokróm-oxidáz enzim- szubsztrát komplexét, amely egy adduktum . hem a 3 molekuláris oxigénnel [11] .
1977-ben Martin Wikström finn tudós kimutatta, hogy a citokróm-oxidáz munkája során protonokat pumpál át a membránon [13] , amit a kemiozmotikus hipotézis megalkotója , Peter Mitchell sokáig nem tudott elfogadni . Ennek ellenére a felhalmozódó kísérleti adatok Wikström igaza mellett tanúskodtak, majd Mitchell beismerte tévedését [5] [14] .
Az első kísérletek az enzim izolálására 1941-től kezdődően történtek: mivel a nagy membránfehérjék izolálására még nem dolgoztak ki eljárást, próbálkozni és hibázni kellett. A korai izolálási eljárások során epesókat használtak , ami nagy aktivitási veszteséget okozott. A nemionos mosószerek, mint például a Triton X-100 megjelenése 1966 és 1974 között új fellendülést okozott ezen a területen, és lehetővé tette az első tiszta készítmények előállítását [15] . A komplex első, atomi felbontású háromdimenziós szerkezete valamivel később, 1995-ben jelent meg [5] .
Az emlősök és madarak mitokondriumából származó IV-es komplex [16] 13 fehérje alegységből áll , amelyek közül három katalitikus aktivitású, kofaktorokat köt, és mitokondriális gének kódolnak (kivétel a Chlamydomonas reinhardtii és Polytomella sp III. alegysége , amely a sejtmagban van kódolva [17 ] ). A maradék tíz alegységet a sejtmag DNS-e kódolja [18] [19] . 2012-ben a 14. alegység felfedezéséről számoltak be [20] , de később ezt cáfolták [21] . A mitokondriális membránban a komplex homodimerként létezik , minden monomer 13 alegységből áll. A szarvasmarha mitokondriumából izolált ilyen dimer molekulatömege megközelítőleg 350 kDa [22] . A membránban található néhány monomer kétszer akkora katalitikus aktivitással rendelkezik [16] .
A S. cerevisiae -ben a IV-es komplex mindössze 11 alegységből áll, de a szarvasmarha komplexben hiányzó alegységek kisméretű perifériás fehérjék, így az élesztő citokróm-oxidáza nem különbözik jelentősen az emlősökétől [23] [19] . Sokkal kevesebbet tudunk a IV. komplexről a növényekben , és a mai napig a növényi mitokondriumok egyik legfeltáratlanabb komplexe. Az Arabidopsis -tól való izolálására és natív kék elektroforézissel történő tanulmányozására irányuló közelmúltbeli kísérletek kimutatták, hogy úgy tűnik, hogy nyolc alegységből áll, amelyek hasonlóak a többi eukarióta IV komplexéhez, és hat további növényspecifikus alegységből. A IV-es komplex kevésbé pontos elválasztása a burgonyától és a babtól az Arabidopsis-hoz hasonló sávos mintázatot adott: bizonyosan elmondható, hogy IV-es komplexük legalább 9-10 alegységből áll [24] . A bakteriális komplexek monomerek formájában léteznek a membránban, és 3-4 alegységből állnak , amelyek közül három homológ a mitokondriumokban kódolt három eukarióta alegységhez [22] [19] [4] .
A komplex három nagy alegysége (I-III), amelyek homológok a bakteriálisakkal, hordozzák az összes szükséges kofaktort, és végrehajtják a fő katalízisreakciókat, amelyek többek között a protonátvitelhez kapcsolódnak. A periférián található kis nukleáris alegységek nem vesznek részt ebben a folyamatban. Jelenleg csak négy nukleáris alegységre (IV, Va, VIa-L, VIa-H) ismertek specifikus funkciók, de nyilvánvaló, hogy ezek mindegyike szerepet játszik a komplex összeállításában, dimerizációjában és aktivitásának szabályozásában. [23] . A IV-es komplex magja rendkívül magas katalitikus aktivitással rendelkezik, amelyet a hozzá szorosan kapcsolódó nukleáris segédalegységek elnyomnak, ami különösen fontos a teljes légzés szabályozása szempontjából. Gerincesekben ezen alegységek közül sokat több szövetspecifikus izoforma képvisel , amelyek mindegyikét külön gén kódolja . Az egyes izoformák kifejeződése a szövet típusától , a szervezet fejlődési szakaszától függ, és a külső körülményektől függően változhat, ami lehetővé teszi a különböző szervek és szövetek energiaellátásának egyértelmű szabályozását [16] .
A nukleáris alegységek széles skálájának megjelenése gerincesekben a genomszintű megkettőzés után nagyjából egybeesik egy alternatív oxidáz elvesztésével , amely alternatív útvonalat biztosított az elektronoknak az oxigénhez, megkerülve a IV. komplexet. Ezeknek az alegységeknek a szerepe különösen megnőtt, mivel az emlőssejtek elvesztették a képességüket a különböző terminális oxidázok közötti váltásra, amint az a prokariótákban előfordul. Például az E. colinak két terminális kinon-oxidáza van; normál oxigéntartalom mellett túlnyomórészt citokróm bo 3 -t expresszál , alacsony oxigéntartalom mellett pedig citokróm bd -re vált át , amely fokozott oxigénaffinitású, de nem pumpál protont. Nyilvánvaló, hogy ilyen körülmények között a nukleáris alegységek az oxigénszinttől függően az összes oxidatív foszforiláció aktivitását szabályozzák [25] .
A Va alegység specifikusan megköti a 3,5-dijódtironin pajzsmirigyhormont , de nem lép kölcsönhatásba tiroxinnal vagy trijódtironinnal . Ennek a kölcsönhatásnak az eredményeként a IV-es komplex megszűnik az ATP alloszterikus gátlásával. Ez a mechanizmus magyarázza a pajzsmirigyhormonok rövid távú stimuláló hatását az emlősök anyagcseréjére [26] [16] .
Emlősökben a IV-2 alegység főként az agyban és a tüdőben expresszálódik, más szövetekben pedig hipoxiás körülmények között indukálódik szintézise . A halakban ez az izoforma erősebben kifejeződik a kopoltyúkban [25] . Bár minden gerincesnek van egy példánya mindkét IV. alegység izoformájából, a IV-2 expresszió aktiválása oxigénhiányra válaszul csak emlősökben fordul elő, és hiányzik halakban és hüllőkben , valamint madarakban a IV-2 izoformát kódoló COX4-2 gén. nem működik [27] . Az IV-2 gén kiütött egereinek nehézségei voltak a légutak összehúzódásában , csökkent az ATP szintje a tüdőben , és az életkor előrehaladtával a légzőrendszer patológiái jelentek meg, beleértve a Charcot-Leiden kristályokat is . Ezek a kísérleti adatok jelzik az IV-2 izoforma fontosságát az emlősök tüdejének normális működésében [16] .
A VIa-L és VIa-H alegységek esetében lehetőség volt meghatározott funkciók meghatározására. Kiderült, hogy a vese - máj komplex protonpumpáló kapacitása (H + /e - sztöchiometria ) 1-ről 0,5-re csökkent szabad palmitinsav alacsony koncentrációja mellett , ami nem fordult elő a VIa-H-t tartalmazó IV szív - izom komplexumnál. izoforma. Ennek a folyamatnak a feltételezett élettani jelentősége az, hogy a szabad palmitát hatására fokozza a termogenezist és fenntartja a testhőmérsékletet minden szövetben, kivéve az izmokat. A szívből és az izmokból származó VIa-H alegység az ADP megkötésével serkenti a komplex munkáját , és fordítva, csökkenti a H + /e - sztöchiometriát magas ATP/ADP arány mellett. Ennek a tulajdonságnak az a fiziológiai jelentősége, hogy fokozza a termogenezist az izmokban alvás vagy pihenés közben, amikor az ATP-fogyasztás csökken, és az ATP/ADP arány magas marad. A VIa-H alegység a halakban hiányzik [16] .
Alegység [K 1] | Isoform | Fehérje | Leírás [K 2] |
---|---|---|---|
én | - | Cox1 | Megköti a hem a , a hem a 3 , a Cu B központot , protoncsatornái vannak. |
II | - | Cox2 | Megköti a Cu A központot , kölcsönhatásba lép a citokróm c -vel . |
III | - | Cox3 | Stabilizálja a protonszállítást . |
IV | IV-1 IV-2 |
Cox41 | Biztosítja az ATP alloszterikus gátlását. |
Cox42 | Főleg a tüdőben , a méhlepényben és az agyban expresszálódik, és hipoxia váltja ki . Valószínűleg az ATP O 2 -függő gátlása. | ||
Va | - | Cox5a | Megköti a 3,5-dijódtironint , ami megszünteti az ATP-gátlást. |
Vb | - | Cox5b | Megköti a Zn 2+ -ot . |
Keresztül | VIa-L VIa-H |
Cox6a1 | máj izoforma. A vázizom és a szív kivételével minden szövetben kifejeződik . Palmitát jelenlétében 1 -ről 0,5-re csökkenti a H + /e− sztöchiometriát . |
Cox6a2 | szív izoforma. A szívben és a vázizomban fejeződik ki . Csökkenti a H + /e− sztöchiometriát 1 -ről 0,5-re magas ATP / ADP arány mellett . | ||
VIb | VIb-1 VIb-2 |
Cox6b1 | Minden szövetben. Biztosítja a komplex dimerizációját. |
Cox6b2 | A herékre jellemző . Növelheti a légzésszámot. | ||
VIc | - | Cox6c | Minden szövetben. |
VIIa | VIIa-L VIIa-H VIIa-R SIG81 |
Cox7a2 | A vázizom és a szív kivételével minden szövetben kifejeződik . |
Cox7a1 | A szívben és a vázizomban fejeződik ki . | ||
Cox7a3 | - | ||
Cox7A2L | - | ||
VIIb | VIIb-1 VIIb-2 |
Cox7b | Minden szövetben. |
Cox7b2 | A herékre jellemző . Növelheti a légzésszámot. | ||
VIIc | - | Cox7c | Minden szövetben. |
VIII | VIII-L VIII-H VIII-3 |
Cox8a | Minden szövetben. |
Cox8b | Vázizomzatban és barna zsírban kifejezve . Az emberekben álgénné vált . | ||
Cox8c | - |
A komplex IV kofaktorok két nagy egységen, az I-en és a II-en helyezkednek el, a membránba ágyazva. Az I. alegység tizenkét transzmembrán α-hélixet alkot , és három redox centrumot tartalmaz: hem a ( redoxpotenciál + 0,22 V [1] ) és az úgynevezett binukleáris centrum a 3 -Cu B , amely a hem a 3 -at és egy rézatomot CuB tartalmaz . A hem a és a 3 kémiailag azonos, de az a hem vasa hat koordinációjú, mivel hat koordinációs kötést hoz létre a pirrolgyűrűk négy nitrogénatomjával és a közeli hisztidincsoportok két nitrogénatomjával , míg a hem a 3 -ban alkot . csak öt koordinációs kötés, így a hatodik kötés elérhetővé válik a molekuláris oxigénnel való kötéshez . A hemvassal szemben a 3 egy rézatom , a Cu B , három hisztidin-maradékkal ligálva. Bár a binukleáris centrum vasa és rézje között nincsenek kötőelemek, erős antiferromágneses konjugáció figyelhető meg közöttük [28] . A kétmagvú centrum redoxpotenciálja megközelítőleg +0,24 V [1] .
A krisztallográfiás vizsgálatok az I. alegység szokatlan poszttranszlációs módosulását tárták fel: a hisztidin-240 [K 3] a tau pozícióban lévő nitrogénatomján keresztül kovalensen kötődik a tirozin - 244 benzolgyűrűjének meta - szénéhez . Ez a tirozinmaradvány egy elektront és egy protont lát el, hogy az oxigént semleges gyökké redukálja . Ezenkívül a kovalens kötés egy pentamer aminosavgyűrűt hoz létre, amelynek glutamát - maradéka a protontranszport fontos összetevője [23] .
A II. alegységnek van egy Cu A központja ( redoxpotenciál = − 0,70 V [1] ), amely két, kovalens kötéssel közvetlenül összekötött rézatomból áll. Hat aminosavval van ligálva: két cisztein , két hisztidin, egy metionin és egy karboxil glutaminsav peptid . Egyelektronos hordozóként működik [28] .
A röntgendiffrakciós analízis és az I. alegység helyspecifikus mutagenezise feltárta azokat az útvonalakat, amelyeken keresztül a protonok behatolhatnak a komplexbe és átjutnak a membránon. Ezeket az útvonalakat D-, K- és H-csatornáknak nevezik. A poláris aminosav-maradékokkal bélelt csatornák eltérő számú vízmolekulát tartalmaznak. Lehet, hogy a komplexben található Mg 2+ ion éppen az, ami ezeknek a molekuláknak a stabilizálásához szükséges. Feltételezzük, hogy a K-csatorna a mátrix vizes fázisát köti össze a kétmagvú központtal, és a víz oxigénből történő képződéséhez szükséges "szubsztrát" protonok szállítására szolgál. Úgy tűnik, hogy a D-csatorna átmenő utat képez, és mind a "szubsztrát" protonok, mind a membránon átpumpált protonok áthaladhatnak rajta. Az eukariótákban egy további H-csatornát találtak, amely valószínűleg szintén végponttól-végig [23] [29] .
A komplex által katalizált teljes reakciót a következő egyenlet írja le:
4cit. c 2+ + O 2 + 8H + in → 4cyt. c 3+ + 2H 2O + 4H + kiEgy elektron útja a komplexben ismert. A citokróm c az I., III. és VIb alegységek által közvetített II. alegységhez kötődik, és helyreállítja a membrán felszínéhez közeli Cu A központot. A Cu A központból az elektron a hem a -ba, majd a binukleáris központba egy 3 -Cu B , amely a membrán vastagságában helyezkedik el. Az O 2 a kétmagvú központban kötődik és H 2 O -vá redukálódik [3] . Mivel az oxigénnek nagy elektronaffinitása van, nagy mennyiségű szabad energiát szabadít fel a vízzé redukció során . Ennek köszönhetően az aerob organizmusok sokkal több energiát képesek befogadni, mint amennyit kizárólag anaerob eszközökkel elő tudnak állítani.
Az oxigénredukció mechanizmusa régóta intenzív kutatás tárgya, de nem teljesen világos. A citokróm-oxidáz katalitikus ciklusa hat szakaszból áll, amelyeket A (addukt, angol adduktum ) [30] , P (peroxi intermedier az angol Peroxy intermediate szóból ), F (ferryloxo intermedier az angol Ferryl-oxo intermediate ) [30] , O jelöléssel H (teljesen oxidált nagyenergiás állapot az angol Fully-oxidized high-energy state szóból ), E (egyelektronos redukált állapot az angol egyelektronos redukált állapotból ) és R (redukált állapot az angol redukált állapotból ) és így nevezik. a binukleáris centrum állapota után [31] . Meg kell jegyezni, hogy a katalitikus állapotok nómenklatúrája jelentősen elavult, nem mindig tükrözi a binukleáris centrum valós kémiai állapotát, és nagyrészt történelmi okokból megmarad. Például a P stádiumban a binukleáris centrumban az oxigén egyáltalán nem peroxid formában van, ahogy 30 évvel ezelőtt hitték, hanem oxoferril állapotban, ahol az oxigénatomok közötti kötés már megszakad [30] . A modern koncepciók szerint a citokróm-c-oxidáz oxigénredukciója gyors és teljes redukcióval történik páros elektrontranszferrel, ami kizárja a reaktív oxigénfajták képződését . A következő eseménysor következik be [30] [32] [33] :
Ismeretes, hogy az eukarióta citokróm-oxidáz egy protont visz át a membránon minden egyes, a citokróm c -től kapott elektron után . A komplex egyszerre egy "szubsztrát" protont pumpál, amelyet víz képzésére használnak a K csatornán keresztül, és egy további protont továbbít a membránon a D csatornán keresztül. Egy katalitikus ciklus alatt a transzlokációs esemény négy viszonylag stabil szakaszban megy végbe: P M , F , O H és E H .
A protontranszport pontos mechanizmusa még mindig nem tisztázott: az elmúlt években számos olyan modellt javasoltak, amelyekben kísérletet tettek ennek a folyamatnak a részletes leírására [33] . Az sem világos, hogyan történik az elektronenergia konjugálása a protonok mozgásával. Általában azonban a következőképpen írható le [31] :
A IV. komplex biogenezise egy nagyon összetett és jól szabályozott folyamat, amely hosszú ideje intenzív kutatás tárgya. A komplex összeállítása több mint húsz, a sejtmagban kódolt segédfaktort, valamint a hem a , a 3 és a rézatomokat beszúró fehérjéket foglal magában. Ez magában foglalja a mitokondriális alegységek legalább 15 transzlációt aktiváló fehérjét is, amelyek felelősek az mRNS helyes transzkripciójáért és splicingjáért , valamint a transzlációs aktivációért , a nukleáris alegységek mitokondriumokba történő szállításához szükséges speciális transzlokázokat , valamint a kofaktorok bioszintéziséhez szükséges enzimeket [34] . A IV-es komplex biogeneziséhez a speciális összeállítási faktorok mellett jelentős számú, nagy specificitású fehérje szükséges, beleértve a propeptid-feldolgozásért felelős ATP-függő peptidázokat [16] .
A komplex IV aktivitás poszttranszlációs szabályozása nem kevésbé bonyolult, és számos különböző módon érhető el. Ezek közé tartozik az alegységek foszforilációja , egyes perifériás alegységek reverzibilis kötődése, a nukleáris alegységek bizonyos izoformáinak felhasználásával történő szabályozás, amely a fejlődési szakasztól és a szövettípustól függ, az ATP és ADP alloszterikus szabályozása tíz kötőhelyen (emlős citokróm-oxidázban). , mono- és dimerizációs komplexe, valamint kölcsönhatása más légzési komplexekkel respirázok képződésével [16] .
A komplex alegységeinek foszforilációja különösen fontos, mivel összefüggésbe hozza tevékenységét a sejt szabályozó kaszkádjainak működésével és a Krebs-ciklus munkájával . A foszforiláció és a defoszforiláció olyan hatásokat okoz, mint például az ATP-n keresztüli gátlás felszabadítása stressz idején vagy apoptózis kiváltása . Összesen 18 foszforilációs pozíciót találtak a komplexben, de a foszforiláció pontos funkciója ezeknél a pozícióknál még nincs meghatározva [16] .
A citokróm-oxidáz a hem-réz oxidoreduktázok fehérje-szupercsaládjába tartozik (az enzimek osztályozásában a 7-es osztályba került át - a transzlokázokba), amely magában foglalja a jelenleg ismert terminális oxidázok többségét , valamint a nitrogén-monoxid (II ) reduktázait ) , amelyek katalizálják a NO kételektronos redukcióját N 2 O -vá , hogy víz keletkezzen. Ennek a szupercsaládnak minden képviselőjét a konzervatív harmadlagos szerkezetű I. alegység jelenléte jellemzi , egy alacsony spinű hem, valamint egy rézatomból és egy magas spinű hemből álló binukleáris központ. A szupercsalád tagjait családokra osztják a hem típusa, további kofaktorok jelenléte, aminosavszekvenciája, harmadlagos szerkezete és alegységeinek száma, az oxidálandó szubsztrát típusa, valamint a protontranszfer csatornák szerkezete vagy hiánya szerint. [35] . A további hemeket vagy fématomokat hordozó további alegységek jelenléte (vagy ezek teljes hiánya) lehetővé teszi, hogy ezek az enzimek elektronokat fogadjanak különféle típusú szubsztrátumokból: különféle membránhordozóktól, például kinonoktól , vízoldható citokrómoktól vagy kék rézkötő fehérjéktől . 36] .
Az A család az összes hem réz-oxidoreduktáz legnagyobb és legtöbbet tanulmányozott családja. Az aa 3 vagy caa 3 típusú hemek összetétele jellemzi . Ennek a családnak a képviselői általában három alegységből állnak: I, II és III, amelyek homológok a család tipikus tagjának, a mitokondriális citokróm c oxidáznak az alegységeivel. Legalább két protoncsatornával, D-vel és K-vel rendelkeznek, és H + /e - sztöchiometriával transzlokálják a protonokat . Az emlős citokróm c - oxidáz az A1 alcsaládba tartozik, a P. denitrificans és az R. sphaeroides [37] citokróm-oxidázokkal együtt .
A B család oxidázai három alegységből állnak: I, II és IIa. A IIa alegység az egyetlen olyan transzmembrán lánc, amely szerkezetében hasonló az A családból származó II alegység második transzmembrán láncához. Csak egy alternatív K protoncsatornájuk van, a protontranszfer sztöchiometria 0,5-0,75 H + /e - [36] [38] [ 39] . Jellemző a ba 3 , b(o)a 3 és aa 3 [35] típusú hemek halmaza .
A C család csak a cbb 3 típusú terminális oxidázokat tartalmazza . Van egy további alegységük, amely egy vagy két c hemet képes megkötni [35] . Ez a második legnagyobb oxigénreduktáz család (24%) az A család (71%) után [36] . Létezik egy alternatív K csatorna, amely szerkezetében eltér a B családba tartozó reduktázok K-csatornájától. A protontranszfer sztöchiometriája 0,2-0,4 H + /e - , de más adatok szerint 0,6-1 [35] . Ez a család csak a baktériumok között található, mivel a legtöbb archaea nem képes hem c -t szintetizálni [36] .
A bioinformatikai elemzés alapján javasolták a D, E, F, G és H kiscsaládok elkülönítését, amelyek csak archaeában vannak jelen, és rendkívül változatosak. A klasszikus rendszerben mindezek a családok a B családba tartoznak, de elsődleges szerkezetük nagy változatossága a külön családokba való szétválasztás mellett szól [36] .
A mitokondriális genomban kódolt citokróm-c-oxidáz három alapvető alegységét a közelmúltban találták meg a mitokondriumokon kívül. A hasnyálmirigy acini zimogén szemcséiben találták meg őket . Ezeknek az alegységeknek viszonylag magas koncentrációját találták a szekréciós granulumokban, valamint a növekedési hormont az agyalapi mirigy elülső részében [40] . Ezen alegységek mitokondriumon kívüli funkcióit még nem határozták meg. A citokróm c oxidáz alegységeken kívül számos más mitokondriális fehérjét is találtak a mitokondriumokon kívül [41] [42] . Ezekkel az eredményekkel kapcsolatban hipotézist terjesztettek elő a fehérjék mitokondriumokból más sejtkompartmentekbe történő szállításának ismeretlen mechanizmusáról [40] [42] [43] .
A cianidok , szulfidok , azidok , szén-monoxid és nitrogén-monoxid [44] az enzim oxidált vagy redukált binukleáris centrumához kötődnek, és versengenek az oxigénnel, gátolják az enzim működését, ami kémiai fulladás következtében sejthalálhoz vezet . Az ipari alkohol részét képező metanol a szervezetben hangyasavvá alakul , amely a citokróm-oxidázt is gátolhatja [45] .
A citokróm-c-oxidáz enzimaktivitását vagy szerkezetét befolyásoló mutációk súlyos és általában végzetes anyagcserezavarokhoz vezetnek. Az ilyen rendellenességek általában kora gyermekkorban jelentkeznek, és túlnyomórészt a nagy energiafogyasztású szöveteket érintik ( agy , szív, izmok). A sok mitokondriális betegség közül a diszfunkcióval vagy a citokróm-oxidáz rendellenes összeállításával összefüggő betegségek tekinthetők a legsúlyosabbnak [46] .
A citokróm-oxidáz diszfunkciók túlnyomó többsége ennek a komplexnek a sejtmagban kódolt összeállítási faktorainak mutációihoz kapcsolódik. Biztosítják a komplex helyes összeállítását és működését, és számos létfontosságú folyamatban vesznek részt, többek között a mitokondriális alegységek transzkripciójában és transzlációjában, a propeptidek feldolgozásában és a membránba való beépülésében, valamint a kofaktorok bioszintézisében és a komplexben való rögzítésében [47] ] .
A mai napig hét összeállítási faktorban azonosítottak mutációt: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 és LRPPRC . Ezekben a fehérjékben a mutációk a komplex működésének megváltozásához, a szubkomplexumok hibás összeállításához, a réztranszport megzavarásához vagy a transzláció szabályozásához vezethetnek. Mindegyik gén mutációja egy adott betegség etiológiájához kapcsolódik , amelyek közül néhány több rendellenességhez is vezethet. Ilyen genetikai rendellenességek közé tartozik a Leigh-szindróma , a kardiomiopátia , az encephalopathia , a leukodystrophia , a vérszegénység és a szenzorineurális halláskárosodás [47] .
A IV-es komplex hisztokémiai festését az állatok agyának metabolikusan aktív területeinek feltérképezésére használják, mivel közvetlen kapcsolat van ezen enzim aktivitása és a teljes neuron aktivitása között [48] . Az ilyen feltérképezést mutáns egereken végezték, amelyek különböző kisagyi rendellenességekben szenvedtek , különösen a csévélővonalhoz tartozó egereken [49] és az Alzheimer-kór transzgénikus modelljén [50] . Ezt a technikát alkalmazták az állati agy azon területeinek feltérképezésére is, amelyek a tanulás során aktívak [51] .
A citokróm c oxidáz I. alegység génrégiójának szekvenciáját (körülbelül 600 nukleotid hosszú) széles körben használják a DNS vonalkódolással kapcsolatos projektekben , azaz annak meghatározására, hogy egy szervezet egy adott taxonhoz tartozik-e a DNS-ében található rövid markerek alapján [52] [53]. .