энзимы. Цитохромоксидаза
 Скачать 1.92 Mb.
|
|
Национальный Университет Узбекистана имени Мирзо Улугбека Биологический факультет Кафедра: биохимии
Цитохромоксидаза была открыта Ч. А. МакМанном, который в 1885 году описал обратимые изменения в спектре поглощения при длине волны в 605 нм, происходящие при окислении в клетках животных, что является характерной спектральной подписью цитохромоксидазы. Однако его работы были раскритикованы влиятельными физиологами Гоппе-Зейлером и Леви, которые постулировали, что МакМанн просто наблюдал поглощение продуктов распада гемоглобина. В результате исследования этого фермента прекратились более чем на 30 лет, пока в 1923 году Ханс Фишер не подтвердил результаты МакМанна. Дальнейшие исследования этого фермента были продолжены Отто Варбургом. В своей работе он ингибировал дыхание в суспензии дрожжей при помощи CO, а затем получал спектры поглощения. Из полученных данных следовало, что ингибируемый фермент — гемопротеин, в котором гем находится в комплексе с CO. Варбург связал новый, неизвестный белок с функцией клеточного дыхания и применил к нему используемый им с 1924 года термин Atmungsferment или «дыхательный фермент». В 1931 Варбург получил за неё Нобелевскую премию по физиологии и медицине с формулировкой «за открытие природы и механизма действия дыхательного фермента».
Местонахождение Цитохром с-оксида́за (цитохромоксидаза) или цитохром с-кислород-оксидоредуктаза, также известная как цитохром aa3 и комплекс IV — терминальная оксидаза аэробной дыхательной цепи переноса электронов, которая катализирует перенос электронов с цитохрома с на кислород с образованием воды. Цитохромоксидаза присутствует во внутренней мембране митохондрий всех эукариот Схема участие цитохромной системы в клеточном дыхании. Комплекс IV из митохондрий млекопитающих и птиц состоит из 13 белковых субъединиц, три из которых обладают каталитической активностью, связывают кофакторы и кодируются генами митохондрий. Остальные десять субъединиц закодированы в ДНК ядра. В мембране митохондрий комплекс существует в виде гомодимера, каждый мономер состоит из 13 субъединиц. Молекулярная масса такого димера, выделенного из митохондрий быка, составляет приблизительно 350 кДа.
Три большие субъединицы комплекса (I—III), гомологичные бактериальным, несут на себе все необходимые кофакторы и осуществляют основные реакции катализа, связанные, в том числе, и с переносом протонов. Расположенные на периферии малые ядерные субъединицы не участвуют в этом процессе. В настоящее время специфические функции известны только для четырёх ядерных субъединиц (IV, Va, VIa-L, VIa-H), но очевидно, что все они играют роль в сборке, димеризации, а также регуляции активности комплекса. Эукариотическая (слева) и бактериальная (справа) цитохром с-оксидаза.
Кофакторы комплекса IV расположены на двух крупных единицах I и II, встроенных в мембрану. Субъединица I образует двенадцать трансмембранных α-спиралей и содержит три окислительно-восстановительных центра: гем а (окислительно-восстановительный потенциал + 0,22 В[1]) и так называемый биядерный центр a3-CuB, в состав которого входит гем а3 и атом меди CuB. На субъединице II расположен CuA-центр (редокс-потенциал = − 0,70 В[1]), который состоит из двух атомов меди, напрямую соединённых ковалентной связью. Он лигирован шестью остатками аминокислот: двумя остатками цистеина, двумя остатками гистидина, одним остатком метионина и пептидным карбоксилом глутаминовой кислоты. Функционирует как одноэлектронный переносчик
Каталитический цикл цитохромоксидазы состоит из шести стадий, обозначаемых A (аддукт), P (пероксиинтермедиат), F (феррилоксоинтермедиат), OH (полностью окисленное высокоэнергетическое состояние), E (одноэлектронно-восстановленное состояние) и R (восстановленное состояние) и названных так по состоянию биядерного центра. Согласно современным представлениям, восстановление кислорода в цитохром с-оксидазе происходит путём быстрого и полного восстановления с попарным переносом электронов, что исключает образование активных форм кислорода. Происходит следующая последовательность событий (рис.7,А):
Каталитический цикл цитохромоксидазы Механизм восстановления кислорода
Перенос транспорта протонов Известно, что эукариотическая цитохромоксидаза переносит через мембрану по одному протону на каждый электрон, полученный от цитохрома с. За один раз комплекс закачивает один «субстратный» протон, используемый для образования воды, через канал К и переносит один дополнительный протон через мембрану по каналу D. В ходе одного каталитического цикла акт транслокации приходятся на четыре относительно стабильных стадии: PM, F, OH, и EH.
Механизм транспорта протонов Мутации, затрагивающие ферментативную активность или структуру цитохром с-оксидазы, приводят к тяжёлым и, как правило, фатальным нарушениям метаболизма. Такие нарушения обычно проявляются в раннем детстве и влияют преимущественно на ткани с высоким потреблением энергии (мозг, сердце, мышцы). Среди множества митохондриальных заболеваний, заболевания, связанные с дисфункцией или нарушением сборки цитохромоксидазы, считаются самыми тяжёлыми. Подавляющее большинство нарушений работы цитохромоксидазы связаны с мутациями закодированных в ядре факторах сборки этого комплекса. Они обеспечивают правильную сборку и работу комплекса и участвуют в нескольких жизненно важных процессах, включая транскрипцию и трансляцию митохондриальных субъединиц, процессинг пропептидов и их встраивание в мембрану, а также биосинтез кофакторов и закрепление их в комплексе К такого рода генетическим нарушениям относятся синдромЛея, кардиомиопатия, энцефалопатия, лейкодистрофия, анемия и нейросенсорная тугоухость.
Гистохимическое окрашивание комплекса IV используется для картирования метаболически активных участков мозга животных, поскольку существует прямая зависимость между активностью этого фермента и активностью всего нейрона. Такое картирование проводилось на мутантных мышах с различными нарушениями работы мозжечка, в частности на мышах из линии reeler и на трансгенной модели болезни Альцгеймера. Эта техника также применяется для картирования областей мозга животных, активных в процессе обучения
|