CYTOCHROME C OXIDASE: CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, CHẤT ỨC CHẾ - SINH HỌC - 2025

Các cytochrome c oxidase là một phức hợp protein enzyme có thể vượt qua lớp lipid kép của màng tế bào. Nó không tan trong máu và chủ yếu liên kết với màng trong của ti thể, được tìm thấy ở cả sinh vật nhân sơ (vi khuẩn) và sinh vật nhân chuẩn (đơn bào và đa bào).

Còn được gọi là phức hợp IV, enzyme này rất quan trọng trong các chức năng trao đổi chất hiếu khí của sinh vật, vì nó rất cần thiết trong chuỗi vận chuyển điện tử, trong đó tế bào đốt cháy đường và thu giữ một phần năng lượng được giải phóng để lưu trữ adenosine triphosphate hoặc ATP.

Mô hình bóng và dính của heme, của một phân tử được tìm thấy trong cấu trúc tinh thể của cytochrome c oxidase trong tim bò. Lấy và chỉnh sửa từ: Benjah-bmm27.

Tên cytochrome có nghĩa là "sắc tố tế bào." Đây là những protein trong máu mang điện tử. Cytochromes được phát hiện bởi bác sĩ người Ireland Charles Alexander MacMunn vào năm 1884. MacMunn đã đi tiên phong trong việc phát hiện ra sắc tố hô hấp trong máu, ngày nay được gọi là cytochrome 1.

Vào những năm 1920, nhà côn trùng học và ký sinh trùng người Nga David Keilin đã khám phá lại và đặc trưng cho các sắc tố hô hấp và là người đặt tên cho chúng là cytochromes. Mặc dù MacMunn đã phát hiện ra chúng vào năm 1884, giới khoa học đã lãng quên ông và một số người thậm chí đã hiểu sai công trình của ông.

Đặc điểm chung

Nhìn chung, các sắc tố hô hấp có quang phổ ánh sáng nhìn thấy đặc trưng. Biết rằng có ít nhất bốn phức hợp protein màng tích phân, trong đó có 5 loại cytochromes khác nhau: a, a3, b, c1 và c, được phân loại theo bước sóng của cực đại hấp thụ quang phổ.

Chúng thường được tìm thấy trên màng trong của ti thể. Tuy nhiên, chúng cũng đã được quan sát thấy trong lưới nội chất và lục lạp, ở sinh vật nhân thực và sinh vật nhân sơ.

Họ trình bày nhóm chân giả heme có chứa sắt (Fe). Mỗi cytochromes đã biết hoạt động trong các phức hợp multienzyme trong việc vận chuyển các electron trong quá trình hô hấp hoặc chuỗi.

Các cytochrom có ​​chức năng tham gia phản ứng oxi hóa - khử. Phản ứng khử, nơi chúng nhận electron, xảy ra khác nhau đối với từng loại cytochrome, và giá trị của chúng được xác định bởi dòng electron trong chuỗi hô hấp.

-Cytochrome c

Bốn lớp của cytochrome c được biết đến như sau.

Lớp I

Trong lớp này là các cytochromes c (lowspin) có spin thấp hòa tan, có trong vi khuẩn và ty thể. Chúng là hình bát diện. Vị trí liên kết heme là ở đầu tận cùng N của histidine, và phối tử thứ sáu được cung cấp bởi dư lượng methionine ở đầu cuối C.

Trong lớp này, một số lớp con thậm chí có thể được nhận ra, mà cấu trúc ba chiều đã được xác định.

Cấp II

Cytochrome c spin cao và một số cytochrome có spin thấp được tìm thấy trong lớp này. Những người có lượt đi cao có vị trí liên kết gần với đầu cuối C, và ở những người có lượt đi thấp, phối tử thứ sáu dường như là một dư lượng methionine gần đầu N (tiếng Anh là N-endinus). Chúng được phối hợp pentaco với histidine phối tử thứ năm.

Cấp III

Lớp này được đặc trưng bởi sự xuất hiện của các cytochrom c với nhiều heme (c3 và c7) và khả năng oxy hóa-khử thấp, chỉ có 30 gốc axit amin cho mỗi nhóm heme. Trong các đại diện của lớp này, các nhóm heme c có cấu trúc và chức năng không tương đương, ngoài việc thể hiện các thế oxy hóa khử khác nhau. Chúng là hình bát diện.

Hạng IV

Theo một số tác giả, lớp này được tạo ra chỉ để bao gồm các protein phức tạp mà các nhóm chân tay giả khác có mặt, cũng như heme c, hoặc flavocytochrome c, trong số những loại khác.

Cytochrome c oxidase hoặc Complex IV

Cytochrome c oxidase là một enzym ty thể thực hiện giai đoạn cuối cùng của quá trình vận chuyển điện tử trong quá trình hô hấp tế bào. Enzyme này xúc tác việc vận chuyển các điện tử từ cytochrome c bị khử thành oxy.

Một số hợp chất hóa học như xyanua, carbon dioxide và azide, có thể ức chế hoạt động của enzym này, gây ra cái gọi là ngạt hóa học tế bào. Các hình thức ức chế phức tạp IV khác là đột biến gen.

Theo quan điểm tiến hóa, cytochrome c oxidase chỉ được tìm thấy ở các sinh vật hiếu khí và một số nhóm nhà khoa học cho rằng sự hiện diện của protein này cho thấy mối quan hệ tiến hóa nơi thực vật, nấm và động vật có chung tổ tiên.

Kết cấu

Cytochrome c oxidase tạo thành một phức hợp homodimeric, nghĩa là, bao gồm hai monome giống nhau ở màng trong của ti thể. Phức hợp enzyme bao gồm 3 đến 4 tiểu đơn vị ở sinh vật nhân sơ và tối đa là 13 (một số gợi ý là 14) polypeptit ở sinh vật như động vật có vú.

Ở những sinh vật này, 3 polypeptit có nguồn gốc từ ty thể và phần còn lại bắt nguồn từ nhân. Mỗi monome có 28 vòng xoắn xuyên màng ngăn cách các miền ưa nước dựa vào chất nền màng và không gian giữa màng.

Nó có một đơn vị xúc tác duy nhất, được tìm thấy trong tất cả các enzym xúc tác phản ứng oxy hóa / khử, sử dụng oxy phân tử (oxy hóa, đặc biệt là heme-đồng). Phức hợp chứa các cytochromes a và a3 được liên kết bởi tiểu đơn vị I và hai tâm đồng.

Nó có một hoặc nhiều nhóm heme c liên kết với cấu trúc protein xung quanh bằng một hoặc nhiều (thường là hai) liên kết thioether. Các tác giả khác cho rằng có một nhóm heme C đơn liên kết cộng hóa trị với protein giữa vòng porphyrin và hai gốc cysteine.

Nhóm heme c duy nhất được đề cập ở trên được bao quanh bởi các gốc kỵ nước và được phối hợp hexaco, với histidine ở vị trí 18 của chuỗi polypeptide và methionine ở vị trí 80.

Tiểu đơn vị cytochrome c oxidase F. Lấy và chỉnh sửa từ: Jawahar Swaminathan và các nhân viên MSD tại Viện Tin sinh học Châu Âu

Đặc trưng

Cytochrome c oxidase là chất chính trong ba cơ chế sinh lý chính mà chúng ta sẽ xem dưới đây.

Apoptosis hoặc tế bào chết theo chương trình

Apoptosis là sự phá hủy hoặc chết tế bào theo chương trình, do chính sinh vật gây ra và mục đích của nó là kiểm soát sự tăng trưởng, phát triển, loại bỏ các mô bị tổn thương và điều hòa hệ thống miễn dịch. Trong quá trình sinh lý này, cytochrome c oxidase tham gia như một chất trung gian.

Protein này, được giải phóng bởi ty thể, dẫn đến sự tương tác với lưới nội chất, làm tiết hoặc giải phóng canxi. Sự gia tăng liên tục của canxi kích hoạt sự giải phóng lớn cytochrome c oxidase, cho đến khi đạt đến mức canxi gây độc tế bào.

Nồng độ canxi gây độc tế bào và sự giải phóng cytochromes c gây ra sự hoạt hóa theo dòng của một số enzym caspase, là nguyên nhân gây ra sự phá hủy tế bào.

Tái tạo tế bào hoặc mô

Một số nghiên cứu chỉ ra rằng khi cytochrome c oxidase tiếp xúc với bước sóng 670 nanomet, nó tham gia vào một phức hợp chức năng, thâm nhập vào mô bị tổn thương hoặc bị thương và tăng tốc độ tái tạo tế bào.

Sự chuyển hoá năng lượng

Đây có lẽ là chức năng được biết đến nhiều nhất và có liên quan nhất của cytochrome c oxidase. Đó chính xác là phức hợp oxidase (của chuỗi hô hấp) chịu trách nhiệm thu nhận các điện tử từ cytochrome c và chuyển chúng đến phân tử oxy, khử nó thành hai phân tử nước.

Kết nối với quá trình này, một sự chuyển vị proton xảy ra qua màng, dẫn đến việc tạo ra một gradient điện hóa mà phức hợp ATP synthetase sử dụng để sản xuất hoặc tổng hợp ATP (adenosine triphosphate).

Chất ức chế

Cytochrome c oxidase bị ức chế bởi các hợp chất và quá trình hóa học khác nhau. Cách nó xảy ra có thể phát sinh như một cách tự nhiên để điều chỉnh việc sản xuất hoặc hoạt động của enzym hoặc nó có thể xảy ra vô tình do ngộ độc.

Khi có mặt azide, xyanua hoặc carbon monoxide, cytochrome c oxidase liên kết với những chất này và chức năng của phức hợp protein bị ức chế. Điều này gây ra sự gián đoạn trong quá trình hô hấp của tế bào và do đó gây ra sự ngạt thở hóa học của các tế bào.

Các hợp chất khác như oxit nitric, hydro sulfua, metanol, và một số rượu metyl hóa, cũng gây ra sự ức chế cytochrome c oxidase.

Sự thiếu hụt

Cytochrome c oxidase là một loại enzyme được điều khiển bởi các gen trong cả nhân và ty thể. Có những thay đổi hoặc đột biến di truyền có thể dẫn đến sự thiếu hụt men cytochrome c oxidase.

Những đột biến này làm rối loạn chức năng của enzym, vì chúng làm thay đổi cấu trúc enzym của nó, kéo theo rối loạn trao đổi chất trong quá trình phát triển phôi thai (theo các nghiên cứu trên người), sau này sẽ ảnh hưởng đến sinh vật trong những năm đầu tiên của cuộc đời.

Thiếu hụt cytochrome c oxidase ảnh hưởng đến các mô có nhu cầu năng lượng cao, chẳng hạn như tim, gan, não và cơ. Các triệu chứng của những đột biến này được phản ánh trước hai năm của cuộc đời và có thể biểu hiện dưới dạng các tình trạng mạnh hoặc nhẹ.

Các triệu chứng nhẹ có thể thấy ngay sau năm tuổi đầu tiên và những người mắc chứng bệnh này thường chỉ bị giảm căng cơ (giảm trương lực cơ) và teo cơ (bệnh cơ).

Mặt khác, những người có các triệu chứng mạnh hơn có thể bị teo cơ và bệnh cơ não. Các tình trạng khác do thiếu men cytochrome c oxidase là bệnh cơ tim phì đại, gan to do bệnh lý, hội chứng Leigh và nhiễm toan lactic.

Sử dụng trong phát sinh loài

Phát sinh loài là ngành khoa học chịu trách nhiệm nghiên cứu về nguồn gốc, sự hình thành và phát triển tiến hóa theo quan điểm tổ tiên - hậu duệ của các sinh vật. Trong những thập kỷ gần đây, các nghiên cứu phát sinh loài với phân tích phân tử ngày càng thường xuyên hơn, mang lại nhiều thông tin và giải quyết các vấn đề về phân loại học.

Theo nghĩa này, một số nghiên cứu phát sinh loài chỉ ra rằng việc sử dụng cytochrome c oxidase có thể giúp thiết lập các mối quan hệ tiến hóa. Điều này là do phức hợp protein này được bảo tồn cao và có mặt trong nhiều loại sinh vật, từ sinh vật đơn bào đến động vật có xương sống lớn.

Ví dụ về điều này là các thử nghiệm được thực hiện với người, tinh tinh (Pan paniscus) và khỉ đuôi dài Rhesus (Macaca mulatta). Những thử nghiệm như vậy cho thấy phân tử cytochrome c oxidase của người và tinh tinh giống hệt nhau.

Nó cũng cho thấy rằng các phân tử cytochrome c oxidase của khỉ đuôi dài Rhesus khác với một axit amin so với hai axit đầu tiên, do đó khẳng định lại mối quan hệ tổ tiên - hậu duệ giữa tinh tinh và con người.

Người giới thiệu

1. RP Ambler (1991). Sự thay đổi trình tự trong tế bào vi khuẩn c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Chất tạo sinh học.
2. Cytochrome c. Được khôi phục từ newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Vai trò sinh học của cytochrome c: vận chuyển điện tử ti thể, chết tế bào theo chương trình và tăng hoạt tính peroxide. Biên niên sử của Khoa Y.
4. Tiểu đơn vị cytochrome c oxidase I. Được phục hồi từ ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Cytochrome c Oxidase Subunit IV cần thiết cho chức năng lắp ráp và hô hấp của Phức hợp Enzyme. Tạp chí Bioenergetics và Biomembranes.
6. Nhóm gen: Phức hợp ti thể IV: tiểu đơn vị cytochrome c oxidase (COX, MT-CO). Được khôi phục từ genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Sự phát hiện ra cytochrome. Giáo dục Hóa sinh.
8. Cytochrome c oxidase, thiếu hụt…. Được khôi phục từ ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Hóa sinh. Ấn bản thứ 3. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.