Komplex IV
Komplex IV[1] (tiež cytochróm-c-oxidáza,[2][3] cytochróm-c-kyslík-oxidoreduktáza, ferrocytochróm c:O2 oxidoreduktáza,[4] cytochrómoxidáza,[4] cytochróm aa3 oxidáza[4]) je proteínový komplex dýchacieho reťazca, ktorý preberá elektróny od cytochrómu c a redukuje kyslík na vodu.[5] Kyslík slúži ako terminálny akceptor elektrónov, ktoré boli získané oxidáciou chemických látok v metabolizme.[6]
Keďže redukcia jednej molekuly kyslíka na vodu vyžaduje 4 elektróny a cytochróm c dokáže poskytnúť iba jeden elektrón, je nutné, aby v priebehu redukcie vznikali intermediáty redukovaného kyslíka, ktoré sú pevne viazané na Komplex IV.[2] Reakčným centrom zabezpečujúcim redukciu kyslíka a udržanie nebezpečných reaktívnych foriem kyslíka na mieste je bimetalické centrum tvorené atómom železa a medi.[7]
Komplex IV je protónová pumpa poháňaná elektrónmi,[5] ktoré čerpá z matrix mitochondrie a pumpuje ich do medzimembránového priestoru mitochondrie. Protóny potrebné na protonizáciu kyslíka za vzniku vody sú tiež čerpané z matrix mitochondrií.[5]
Komplex IV je jediný komplex dýchacieho reťazca, ktorý katalyzuje nevratnú reakciu.[4] Nie je možné obrátiť smer reakcie a oxidovať vodu (hoci je všadeprítomná a vo vysokom molárnom nadbytku) na kyslík.[4]
Štruktúra Komplexu IV
[upraviť | upraviť zdroj]Cicavčí Komplex IV je homodimér, ktorého molekulová hmotnosť dosahuje 410 kDa.[5] Dimerizácia protomérov nehrá žiadnu funkčnú úlohu u Komplexu IV.[4] Každý z protomérov samotných (204 kDa[7]) je vytorený z 13 podjednotiek,[4][7] pričom iba tri z nich (Podjednotka I, Podjednotka II, Podjednotka III) vytvárajú funkčné jadro proteínu,[7] ktoré sa zúčastňuje prenosu elektrónov a redukcie kyslíka.[7] Tieto tri podjednotky funkčného jadra proteínu sú kódované v mitochondriálnej DNA.[5] Zvyšných 10 podjednotiek je kódovaných jadrovou DNA.[5] 13 rôznych podjednotiek každého protoméru vytvára dohromady 28 transmembránových helixov.[5]
Štruktúra cicavčieho Komplexu III bola študovaná Shinay Yoshikawom Röntgenovou štruktúrnou analýzou na vzorkách z hoväzieho srdca.[5][4] Komplex IV obsahuje štyri redoxne aktívne centrá:
- CuA centrum (dva atómy medi)
- cytochróm a (hém a)
- cytochróm a3 (hém a3)
- CuB centrum (jeden atóm medi)
CuA centrum
[upraviť | upraviť zdroj]CuA centrum je akceptorom elektrónov z cytochrómu c.[5] CuA centrum leží 8 Å nad povrchom vnútornej mitochondriálnej membrány exponované do medzimembránového priestoru mitochondrií.[5]
Je tvorené dvojicou atómov medi, ktoré sú viazané na Podjednotku II Komplexu IV.[5] Každý z dvoch atómov medi je tetragonálne koordinovaný.[5] Dvoma mostíkovými ligandmi sú bočné reťazce dvoch cysteínov (Cys-200 a Cys-196).[5] Jeden z atómov medi CuA centra je koordinovaný metionínom (Met-207) a histidínom (His-161).[5] Druhý z atómov medi CuA centra je koordinovaný glutamátom (Glu-198) a histidínom (His-204).[5]
Podjednotka II má dva transmembránové helixy a jeden β-barel (globulárnu doménu), ktorý je exponovaný do medzimembránového priestoru a obsahuje dvojjadrové centrum medi CuA centrum.[4]
Hoci CuA centrum obsahuje dva atómy medi, je schopné len jednoelektrónovej redukcie, i.e. je schopné prenášať len jeden elektrón naraz.[4]
Cytochróm a
[upraviť | upraviť zdroj]Cytohróm a je hemoproteín, ktorý obsahuje hém a.[5] Cytochróm a prijíáma elektróny od CuA centra.[5] Cytochróm a sa viaže na Podjednotku I Komplexu IV a je lokalizovaný asi 13 Å pod povrchom membrány blízko medzimembránového priestoru.[5] Atóm železa cytochrómu a je bipyrimidálne koordinovaný, pričom axiálnymi ligandmi sú histidíny podjednotky I (His-61 a His-378).[5]
Cytochróm a odovzdáva elektróny na bimetalické centrum tvorené cytochrómom a3 a atómom medi CuB.[5]
Cytochróm a3
[upraviť | upraviť zdroj]Cytochróm a3 je súčasť bimetalického centra, v ktorom dochádza ku redukcii kyslíka na vodu.[7] Cytochróm a3 sa viaže na Podjednotku I Komplexu IV a je lokalizovaný asi 13 Å pod povrchom membrány blízko medzimembránového priestoru.[5] Atóm železa cytochrómu a3 je bipyramidálne koordinovaný, pričom jedna axiálna poloha je zaplnená histidínom (His-376) a druhá axiálna poloha je prázdna, pripravená na naviazanie molekuly kyslíka.[4] Je to samozrejme tá axiálna poloha, ktorá je naklonená ku atómu medi CuB.[5] Atóm železa cytochrómu a3 je vzdialený od atómu medi CuB len 4,9 Å.[5]
Do prázdnej axiálnej polohy cytochrómu a3, kde sa obyčajne viaže molekula kyslíka, sa viažu aj inhibítory Komplexu IV, ako je aidový anión, oxid dusnatý, kyanidový anión, oxid uhličitý.[4] Všetko sú to izoelektrónové štruktúry, izostéry molekuly kyslíka.
CuB centrum
[upraviť | upraviť zdroj]CuB centrum je tvorené jedným atómom medi, ktorý je vzdialený od atómu železa cytochrómu a3 len 4,9 Å.[5] CuB centrum sa viaže na Podjednotku I Komplexu IV a je lokalizované asi 13 Å pod povrchom membrány blízko medzimembránového priestoru.[5] CuB centrum je tetraédricky koordinovaný troma histidínmi (His-291, His-290, His-240).[5] Štvrtým ligandom je molekula kyslíka určená na redukciu na vodu.[5]
Zaujímavosťou je, že jeden z ligandov (His-240) je kovalentne naviazaný na tyrozín Tyr-244 druhým dvojim atómom dusíka aromatického heterocyklu.[5][4] His-240 sa viaže do orto-pohohy voči hydroxylovej skupine tyrozínu Tyr-244.[5][4]
Podjednotka I Komplexu IV
[upraviť | upraviť zdroj]Podjednotka I Komplexu IV je zložená z 12 transmembránových α-helixov.[4] Obsahuje 2 hémy typu a (cytochróm a a cytochróm a3) a jeden atóm medi (CuB centrum).[4] Podjednotka I je kódovaná mitochondriálnou DNA.[4]
Kanály
[upraviť | upraviť zdroj]V štruktúre Komplexu IV sa nachádzajú kanály s naviazanými molekulami vody medzi transmembránovými helixami, ktoré vedú protóny na protonizáciu atómov kyslíka počas redukcie kyslíka na vodu z matrixu mitochondrií ku bimetalickému centru tvoreného cytochrómom a3 a CuB centrom.[4]
Pri redukcii jednej molekuly kyslíka je potrebných 8 protónov z matrixu mitochondrií: štyri sa využijú na protonizíciu atómov kyslíka za vzniku vody a štyri protóny sú prepumpované z matrixu do medzimembránového priestoru mitochondrií.[4]
Glutamátový kanál
[upraviť | upraviť zdroj]Glutamátový kanál (D-kanál) je nazvaný podľa konzervovaného glutamátového zvyšku.[4] Glutamátový kanál prenáša 6 z požadovaných 8 protónov.[4] V glutamátovom kanále sa nachádza ekvidistantný glutamátový bočný reťazec, ktorý je rovnako vzdialený od cytochrómu a3 a od cytochrómu a.[4] Predpokladá sa, že tento ekvidistantný glutamát zodpovedá za rozdeľovanie protónov na pumpáž do medzimembránového priestoru a do bimetalického centra na protonizáciu atómov kyslíka za vzniku vody.[4]
Lyzínový kanál
[upraviť | upraviť zdroj]Lyzínový kanál (K-kanál) je nazvaný podľa konzervovaného lyzínového zvyšku.[4] Lyzínový kanál prenáša jeden alebo dva protóny z požadovaných 8 protónov.[4]
H-kanál
[upraviť | upraviť zdroj]Porovnaním štruktúry a konformácií plne zoxidovaného a plne zredukovaného mitochondriálneho Komplexu IV bolo zistené, že v Komplexe IV dochádza zmenou redoxného stavu ku konformačnej zmene, ktorá sa prejavuje na aspartátovom zvyšku blízko medzimembránového priestoru, čím bol postulovaný H-kanál, ktorým sa pumpujú protóny z matricu mitochondrií do medzimembránového priestoru.[4] Zmena redoxného stavu bimetalického centra Komplexu IV vedie na konformačnú zmenu, ktorá sa prejaví na aspartátovom bočnom reťazci a jeho pKa hodnote, čo vedie na pumpáž protónov cez tento H-kanál.[4]
Mechanizmus redukcie kyslíka
[upraviť | upraviť zdroj]
Redukcia kyslíka O2 začína pri plne redukovanom bimetalickom centre, i.e. železnatý katión cytochrómu a3 (a32+) a meďný katión CuB centra, ktorého jeden ligand je histidín 240 (His), ktorý je kovalentnou väzbou spojený s tyrozínom 244 (Tyr-H).[4]
Kyslík sa naviaže na atóm železa cytochrómu a3, čím vznikne tzv. Oxy stav (oxygenovaný stav).[4]
V nasledujúcom kroku dochádza ku 4-elektrónovej redukcii atómov kyslíka: dva elektróny poskytne železnatý katión za vzniku ferrylového uskupenia (FeIV=O). Jeden elektrón poskytne meďný katión, ktorý sa tým zoxiduje na meďnatý a štvrtý elektrón poskytne tyrozín 244, čím vznikne elektroneutrálny tyrozylový radikál. Presunie sa tiež protón z tyrozínu.[4]
Tyrozylový radikál je zredukovaný na fenoxidový anión jedným elektrónom z cytochrómu c a tento fenolátový anión je protonizovaný na fenol protónom z matrixu mitochondrií.[4]
V poslednom kroku dôjde ku dvom jednoelektrónovým redukciám na oboch jadrách bimetalického centra a k dvom protonizáciám na obidvoch redukovaných atómoch kyslíka za vzniku dvoch molekúl vody.[4]
Referencie
[upraviť | upraviť zdroj]- ↑ DOBROTA, Dušan; TURECKÝ, Ladislav; DRGOVÁ, Anna, a kol. Lekárska biochémia. 2. vyd. Martin : Osveta, 2016. ISBN 978-80-8063-444-5.
- 1 2 VOET, Donald; VOETOVÁ, Judith G.. Biochemie. 1. vyd. Praha : Victirua Publishing, 1995. Arnošt Kotyk, Bohumil Bouzek, Martin Burkhard, Milada Dvořáková, Aleš hamr, zdeněk Hodný, Miroslav Novák, Hana Sychrová, Ivan Šetlík, Jana Štursová. ISBN 80-85605-44-9. (český)
- ↑ KOOLMAN, Jan; RÖHM, Klaus Heinroch; BENDA, Vladimír. Barevný atlas biochemie. 4. vyd. Praha : Grada Publishing, 2017. ISBN 978-80-247-2977-0.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 NICHOLLS, David G.; FERGUSON, Stuart J.. Bioenergetics 4. 4. vyd. Londýn : Elsevier, 2013. (4.) ISBN 978-0-12-388425-1. (anglický)
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 VOET, Donald. Voet's principles of biochemistry. Hoboken, New Jersey : [s.n.], 2016. (Global edition.) Dostupné online. ISBN 978-1-119-45166-2.
- ↑ KMEŤOVÁ, Jarmila; SKORŠEPA, Marek; VYDROVÁ, Mária. Chémia pre 3. ročník gymnázia. 1. vyd. Martin : Vydavatelstvo Matice slovenskej, s. r. o., 2011. ISBN 978-80-8115-042-5.
- 1 2 3 4 5 6 ALBERTS, Bruce. Molecular biology of the cell. New York, NY : [s.n.], 2015. (Sixth edition.) Dostupné online. ISBN 978-0-8153-4432-2.
Pozri aj
[upraviť | upraviť zdroj]Iné projekty
[upraviť | upraviť zdroj]
Commons ponúka multimediálne súbory na tému Komplex IV
