Кіріспе
Бактерияларда, археяларда және эукариоттардың митохондриясында кездесетін күрделі фермент – цитохром c оксидаза ферменті немесе IV кешені (бұрын EC 7.1.1.9 транслоказасы ретінде жіктелген, қазір қайта жіктелді) – бактерияларда, археяларда және эукариоттардың митохондриясында кездесетін ірі трансмембраналық ақуыз кешені. Ол жасуша мембранасындағы тыныс алу электрондық тасымалдау тізбегінің соңғы ферменті болып табылады. Ол төрт цитохром c молекуласынан әрқайсынан бір электронды қабылдап, оларды бір оттегі молекуласына және төрт протонға беріп, екі су молекуласын түзетін болады. Ішкі сулы фазадан төрт протонды байланыстырудан өзге, ол мембрана арқылы тағы төрт протонды тасымалдайды, протонның электрохимиялық потенциалының трансмембраналық айырмасын арттырады, одан кейін АТФ синтетазасы АТФ синтезі үшін пайдаланады.
The enzyme cytochrome c oxidase or Complex IV, (was , now reclassified as a translocase EC 7.1.1.9) is a large transmembrane protein complex found in bacteria, archaea, and the mitochondria of eukaryotes. It is the last enzyme in the respiratory electron transport chain of cells located in the membrane. It receives an electron from each of four cytochrome c molecules and transfers them to one oxygen molecule and four protons, producing two molecules of water. In addition to binding the four protons from the inner aqueous phase, it transports another four protons across the membrane, increasing the transmembrane difference of proton electrochemical potential, which the ATP synthase then uses to synthesize ATP.
Құрастыру
Ашытқыдағы COX құрастыруы – бұл күрделі процесс, гидрофобты кішібірліктердің жылдам және қайтымсыз агрегациясы, сондай-ақ гидрофобтық бөліктері ашық мутантты кішібірліктердің агрегациясы салдарынан толыққандай түсініксіз. Кофакторлар, гемодарды қоса алғанда, I және II кішібірліктеріне енгізіледі. Екі гемо молекуласы I кішібірлігінде орналасқан, II кішібірлігіне тасымалдануға көмектеседі, онда екі мыс молекуласы электрондардың тасымалдануын жалғастыруға көмектеседі. I және IV кішібірліктері құрастыруды бастайды. Әртүрлі кішібірліктер бірігіп, аралық субкешендерді құрай алады, кейін олар басқа кішібірліктермен байланысып, COX кешенін құрайды. Бұл кешен холоферментті тұрақтандыруда маңызды рөл атқарады. VIIa және III кішібірліктерінің ажырауы, кардиолипинді жоюмен бірге, ферменттік белсенділіктің толық жойылуына әкеледі. Митохондриялық геномда кодталған I, II және III кішібірліктері арасындағы өзара әрекеттесулер бигеномдық кішібірліктер арасындағы өзара әрекеттесулерге қарағанда ферменттік тұрақтылыққа аз үлес қосады, бірақ бұл кішібірліктер жақсы сақталған, ферменттік белсенділіктің әлі зерттелмеген рөлдерін көрсетеді.
Ингибициялау
COX үш конформациялық күйде болады: толық тотықтанған (импульстік), ішінара тотығудан өткен және толық тотығудан өткен. Әрбір тежегіш әртүрлі күйге жоғары сәйкестікке ие. Импульстік күйде гема a және Cu ядролық орталықтары тотыққан; бұл ферменттің ең жоғары белсенділігіне ие конформациясы. Екі электронды тотығудан өткізу конформациялық өзгерісті бастайды, бұл оттегінің белсенді орында ішінара тотығудан өткен ферментпен байланысуына мүмкіндік береді. Төрт электрон COX-қа қосылып, ферментті толық тотығудан өткізеді. Оның толық тотығудан өткен күйі, цитохром a гема тобындағы тотығудан өткен Fe және тотығудан өткен Cu екіядролық орталығынан тұрады, бұл ферменттің белсенді емес немесе демалыс күйі деп саналады. Цианид, азид және көміртек тотығы цитохром c оксидазамен байланысып, белоктың жұмыс істеуін тежейді және жасушалардың химиялық тұншығуына әкеледі. Тежегіштің жоғары концентрациясын өтеу үшін молекулалық оттегінің жоғары концентрациясы қажет, бұл тежегіштің қатысуымен жасушадағы метаболикалық белсенділіктің жалпы төмендеуіне әкеледі. Азот оксиді және күкірт сутегі сияқты басқа лигандтар да ферменттің реттеу орындарына байланысу арқылы COX-ты тежеуі мүмкін, бұл жасушалық тыныс алу жылдамдығын төмендетеді. Цианид – COX үшін бәсекелес емес тежегіш, ферменттің ішінара тотығудан өткен күйіне жоғары сәйкестікпен байланысады және ферменттің одан әрі тотығудан өтуіне кедергі келтіреді. Импульстік күйде цианид баяу, бірақ жоғары сәйкестікпен байланысады. Лиганд екі металдың арасында орналасу арқылы оларды бір мезгілде электростатикалық тұрақтандырады деп есептеледі. Ферментке сырттан қосылған жоғары концентрациядағы азот оксиді COX цианидінің тежелуін жояды. Азот оксиді екіядролық ортадағы металл ионына кері байланыса алады және нитритке тотығады. NO және CN жасушалық тыныс алу жылдамдығын төмендете отырып, бұл орында оттегімен бәсекелеседі. Дегенмен, төменгі деңгейде өндірілетін эндогенді NO цианидтің тежелуін күшейтеді. Азот оксидінің жоғары деңгейі, ферменттің тотығудан өткен күйде көп болуымен байланысты, цианидтің күшті тежелуіне әкеледі.
Митохондриядан тыс және субклеткалық локализациялар
Цитохром c оксидаза 3 субұрымдықтан тұрады, олар митохондриялық ДНК-мен кодталған (цитохром c оксидазаның I, II және III субұрымдықтары). Митохондриялық ДНК-мен кодталған осы 3 субұрымдықтан екеуі митохондриядан тыс жерлерде анықталды. Бүйрек безінің ацинарлық тінінде бұл субұрымдықтар зимоген гранулаларында табылды. Сонымен қатар, алдыңғы гипофизде өсу гормоны секрециялайтын гранулаларда осы субұрымдықтардың салыстырмалы түрде жоғары мөлшері анықталды. Бұл цитохром c оксидаза субұрымдықтарының митохондриядан тыс қызметі әлі толық зерттелмеген. Цитохром c оксидаза субұрымдықтарынан басқа, көптеген басқа митохондриялық ақуыздарда да митохондриядан тыс локализация байқалды. Бұл митохондриядан басқа жасушалық жерлерге ақуыздың транслокациясы үшін әлі белгілі болмаған арнайы механизмдердің болу мүмкіндігін тудырады.
Генетикалық ақаулар мен аурулар
Цитохром c оксидазасының (COX) қызметін немесе құрылымын өзгертетін генетикалық мутациялармен байланысты ақаулар ауыр, көбінесе өлімге әкелетін метаболизмдік бұзылыстарға алып келуі мүмкін. Мұндай бұзылыстар әдетте балалық шақта көрінеді және жоғары энергия талап ететін тіндерге (ми, жүрек, бұлшық еттер) әсер етеді. Митохондриялық аурулардың арасында COX құрастыруының бұзылуымен байланысты аурулар ең ауыр саналады. COX ауруларының көп бөлігі ядролық кодталған ақуыздардың – құрастыру факторлары немесе құрастыру ақуыздарының мутацияларымен байланысты. Бұл құрастыру факторлары COX құрылымы мен қызметіне үлес қосады және митохондриялық кодталған суббірліктердің транскрипциясы мен трансляциясы, пребелоктардың өңделуі мен мембранаға енгізілуі, кофакторлардың биосинтезі мен қосылуы сияқты бірнеше маңызды процестерге қатысады. Қазіргі уақытта жеті COX құрастыру факторында мутациялар анықталды: SURF1, SCO1, SCO2, COX10, COX15, COX20, COA5 және LRPPRC. Бұл ақуыздағы мутациялар субкомплекс құрастыру, мыс тасымалы немесе трансляциялық реттеудің бұзылуына әкелуі мүмкін. Әр гендік мутация нақты аурудың этиологиясымен байланысты, ал кейбіреулері бірнеше ауруларға қатысты болуы мүмкін. Гендік мутациялар нәтижесінде COX құрастыруының бұзылуына байланысты ауруларға Ли синдромы, кардиомиопатия, лейкодистрофия, анемия және сенсорлы-жүйкелік саңыраулық жатады.
Гистохимиялық
Нейрондардың энергия алу үшін тотығу фосфорлануға көбірек тәуелділігі жануарлар миының аймақтық метаболизмін карталауда COX гистохимиясын пайдалануға мүмкіндік береді, себебі бұл ферменттік белсенділік пен нейрондық белсенділік арасында тікелей және оң корреляцияны орнатады. Бұл COX ферментінің мөлшері мен белсенділігі арасындағы корреляцияда көрінеді, бұл COX гендік экспрессия деңгейінде реттеледі дегенді көрсетеді. COX таралуы жануарлар миының әртүрлі аймақтарында тұрақсыз, бірақ оның таралу үлгісі жануарлар арасында тұрақты. Бұл үлгі маймыл, егеуқұйрық және бұзау миында байқалған. Мидың гистохимиялық талдауында COX-тың бір изоферменті тұрақты түрде анықталды. Мұндай ми картасы мишақша ауруларымен (мысалы, reeler) және Альцгеймер ауруының трансгендік моделі бар спонтанды мутантты егеуқұйрықтарда жасалды. Бұл техника жануарлар миында оқу белсенділігін карталау үшін де қолданылды.