SITOKROM C OKSIDASE: STRUKTUR, FUNGSI, PERENCAT - BIOLOGI - 2026

The cytochrome c oxidase adalah kompleks protein enzim yang boleh menyeberangi bilayer lipid membran sel. Hemosoluble dan terutama berkaitan dengan membran dalaman mitokondria, terdapat pada organisma prokariotik (bakteria) dan di eukariota (uniselular dan multiselular).

Juga disebut kompleks IV, enzim ini sangat penting dalam fungsi metabolik aerobik organisma, kerana penting dalam rantai pengangkutan elektron di mana sel membakar gula dan menangkap sebahagian tenaga yang dikeluarkan untuk menyimpan adenosin trifosfat atau ATP.

Model bola-dan-tongkat heme, molekul yang terdapat dalam struktur kristal sitokrom c oksidase di jantung lembu. Diambil dan diedit dari: Benjah-bmm27.

Nama sitokrom bermaksud "pigmen selular." Ini adalah protein darah yang membawa elektron. Sitokrom ditemui oleh doktor Ireland Charles Alexander MacMunn pada tahun 1884. MacMunn mempelopori penemuan pigmen pernafasan dalam darah, hari ini disebut sitokrom 1.

Pada tahun 1920-an, ahli entomologi dan parasitologi Rusia David Keilin menemui semula dan mencirikan pigmen pernafasan dan merupakan orang yang menamakannya sitokrom. Walaupun MacMunn telah menemui mereka pada tahun 1884, komuniti saintifik telah melupakannya dan ada juga yang salah menafsirkan karyanya.

Ciri umum

Secara umum, pigmen pernafasan mempunyai ciri spektrum cahaya yang dapat dilihat. Telah diketahui bahawa terdapat sekurang-kurangnya empat kompleks protein membran integral di mana terdapat 5 jenis sitokrom yang berlainan: a, a3, b, c1 dan c, dikelaskan mengikut panjang gelombang maksimum penyerapan spektrum.

Mereka umumnya terdapat pada membran dalaman mitokondria. Walau bagaimanapun, mereka juga telah diperhatikan dalam retikulum endoplasma dan kloroplas, pada organisma eukariotik dan prokariotik.

Mereka memaparkan kumpulan prostetik heme yang mengandungi besi (Fe). Setiap sitokrom yang diketahui bertindak dalam kompleks multienzim dalam pengangkutan elektron dalam proses pernafasan atau rantai.

Sitokrom mempunyai fungsi untuk mengambil bahagian dalam reaksi pengurangan oksidasi. Reaksi pengurangan, di mana mereka menerima elektron, berlaku secara berbeza untuk setiap jenis sitokrom, dan nilainya ditentukan oleh aliran elektron dalam rantai pernafasan.

-Cytokrom c

Empat kelas sitokrom c diketahui, seperti berikut.

Kelas I

Di dalam kelas ini terdapat sitokrom berputar rendah larut c (lowspin), terdapat dalam bakteria dan mitokondria. Mereka adalah oktahedral. Tapak pengikat heme berada di terminal N histidin dan ligan keenam dibekalkan oleh residu metionin di terminal-C.

Dari kelas ini, beberapa subkelas bahkan dapat dikenali, yang struktur tiga dimensinya telah ditentukan.

Kelas II

Sitokrom c putaran tinggi dan beberapa sitokrom putaran rendah terdapat di kelas ini. Mereka yang mempunyai giliran tinggi mempunyai tempat mengikat dekat dengan terminal-C, dan pada mereka yang mempunyai putaran rendah ligan keenam nampaknya merupakan residu metionin berhampiran hujung N (terminal N-dalam bahasa Inggeris). Mereka dipakordinasi dengan histidin ligan kelima.

Kelas III

Kelas ini dicirikan dengan menghadirkan sitokrom c dengan pelbagai heme (c3 dan c7) dan potensi pengurangan oksidasi yang rendah, dengan hanya 30 residu asid amino per kumpulan heme. Bagi wakil kelas ini, kumpulan heme c mempunyai struktur dan fungsi yang tidak setara, selain menunjukkan potensi redoks yang berbeza. Mereka adalah oktahedral.

Kelas IV

Menurut beberapa pengarang, kelas ini dibuat hanya untuk memasukkan protein kompleks yang terdapat dalam kumpulan prostetik lain, dan juga heme c, atau flavocytochrome c, antara lain.

Sitokrom c oksidase atau Kompleks IV

Sitokrom c oksidase adalah enzim mitokondria yang menjalankan fasa terakhir pengangkutan elektron dalam pernafasan sel. Enzim ini memangkinkan pengangkutan elektron dari sitokrom c yang berkurang ke oksigen.

Sebilangan sebatian kimia seperti sianida, karbon dioksida dan azida, dapat menghalang fungsi enzim ini, sehingga menyebabkan asfiksia kimia selular. Bentuk penghambatan kompleks IV yang lain adalah mutasi genetik.

Dari sudut pandang evolusi, sitokrom c oksidase hanya terdapat pada organisma aerobik, dan beberapa kumpulan saintis menunjukkan bahawa kehadiran protein ini menunjukkan hubungan evolusi di mana tumbuhan, kulat, dan juga haiwan mempunyai nenek moyang yang sama.

Struktur

Sitokrom c oksidase membentuk kompleks homodimerik, iaitu, terdiri daripada dua monomer serupa pada membran dalaman mitokondria. Kompleks enzim terdiri daripada 3 hingga 4 subunit dalam organisma prokariotik dan maksimum 13 (beberapa menunjukkan 14) polipeptida dalam organisma seperti mamalia.

Dalam organisma ini 3 polipeptida berasal dari mitokondria dan selebihnya berasal dari nukleus. Setiap monomer mempunyai 28 heliks transmembran yang memisahkan domain hidrofilik terhadap matriks membran dan ruang intermembran.

Ia memiliki unit pemangkin tunggal, yang terdapat dalam semua enzim yang memangkin reaksi pengoksidaan / pengurangan, menggunakan oksigen molekul (oksidase, terutama heme-tembaga). Kompleks ini mengandungi sitokrom a dan a3 yang dihubungkan oleh subunit I dan dua pusat tembaga.

Ia mempunyai satu atau lebih kumpulan heme C yang dihubungkan dengan struktur protein di sekitarnya dengan satu atau lebih (umumnya dua) ikatan thioether. Penulis lain mencadangkan bahawa terdapat satu kumpulan C heme C yang secara kovalen dikaitkan dengan protein antara cincin porphyrin dan dua residu sistein.

Satu-satunya kumpulan heme c yang disebutkan di atas dikelilingi oleh residu hidrofobik dan heksacoordinat, dengan histidin pada kedudukan 18 rantai polipeptida dan metionin pada kedudukan 80.

Subunit sitokrom c oksidase F. Diambil dan diedit dari: Jawahar Swaminathan dan kakitangan MSD di Institut Bioinformatik Eropah

ciri-ciri

Sitokrom c oksidase adalah protagonis dalam tiga mekanisme fisiologi utama, yang akan kita lihat di bawah.

Apoptosis atau kematian sel yang diprogramkan

Apoptosis adalah pemusnahan atau kematian sel yang diprogramkan, disebabkan oleh organisma itu sendiri dan yang bertujuan untuk mengawal pertumbuhan, perkembangan, penghapusan tisu yang rusak dan pengaturan sistem kekebalan tubuh. Dalam proses fisiologi ini, sitokrom c oksidase berperanan sebagai perantaraan.

Protein ini, yang dikeluarkan oleh mitokondria, menyebabkan interaksi dengan retikulum endoplasma, yang menyebabkan rembesan atau pembebasan kalsium. Peningkatan kalsium secara progresif mencetuskan pelepasan sitokrom c oksidase secara besar-besaran, sehingga tahap kalsium sitotoksik tercapai.

Tahap kalsium sitotoksik dan pembebasan sitokrom c menyebabkan pengaktifan lata beberapa enzim caspase, yang bertanggungjawab untuk pemusnahan sel.

Penjanaan semula sel atau tisu

Beberapa kajian menunjukkan bahawa apabila sitokrom c oksidase terkena panjang gelombang 670 nanometer, ia mengambil bahagian dalam kompleks fungsional, yang menembusi tisu yang rosak atau cedera dan meningkatkan kadar regenerasi sel.

Metabolisme tenaga

Ini mungkin fungsi yang paling terkenal dan paling relevan dari sitokrom c oksidase. Justru kompleks oksidase (rantai pernafasan) bertanggung jawab untuk mengumpulkan elektron dari sitokrom c dan memindahkannya ke molekul oksigen, mengurangkannya menjadi dua molekul air.

Terhubung dengan proses ini, translokasi proton berlaku melalui membran, yang menghasilkan generasi kecerunan elektrokimia yang digunakan kompleks sintetase ATP untuk menghasilkan atau mensintesis ATP (adenosin trifosfat).

Perencat

Sitokrom c oksidase dihambat oleh pelbagai sebatian dan proses kimia. Cara ia berlaku boleh timbul sebagai cara semula jadi untuk mengatur pengeluaran atau tindakan enzim atau boleh terjadi secara tidak sengaja akibat keracunan.

Dengan adanya azida, sianida atau karbon monoksida, sitokrom c oksidase mengikat ini dan fungsi kompleks protein terhambat. Ini menyebabkan gangguan dalam proses pernafasan sel dan seterusnya menyebabkan sesak nafas kimia.

Sebatian lain seperti nitrik oksida, hidrogen sulfida, metanol, dan beberapa alkohol metilasi, juga menyebabkan penghambatan sitokrom c oksidase.

Kekurangan

Sitokrom c oksidase adalah enzim yang dikendalikan oleh gen dalam nukleus dan mitokondria. Terdapat perubahan atau mutasi genetik yang boleh menyebabkan kekurangan sitokrom c oksidase.

Mutasi ini mengganggu fungsi enzim, kerana ia mengubah struktur enzimatiknya, membawa gangguan metabolik semasa perkembangan embrio (menurut kajian manusia), yang kemudian akan mempengaruhi organisma pada tahun-tahun pertama kehidupannya.

Kekurangan sitokrom c oksidase mempengaruhi tisu dengan permintaan tenaga yang tinggi, seperti jantung, hati, otak, dan otot. Gejala mutasi ini tercermin sebelum dua tahun hidup dan boleh nyata sebagai keadaan kuat atau ringan.

Gejala ringan dapat dilihat walaupun tidak lama setelah berumur 1 tahun, dan individu yang bersamanya biasanya hanya mengalami penurunan ketegangan otot (hipotonia) dan atrofi otot (miopati).

Sebaliknya, individu yang mempunyai gejala yang lebih kuat mungkin mengalami atrofi otot dan ensefalomiopati. Keadaan lain yang disebabkan oleh ketiadaan sitokrom c oksidase adalah kardiomiopati hipertrofik, pembesaran patologi hati, sindrom Leigh, dan asidosis laktik.

Kegunaan dalam filogeni

Filogeni adalah sains yang bertanggungjawab untuk kajian asal usul, pembentukan dan perkembangan evolusi dari sudut pandang leluhur-keturunan, dari organisma. Dalam beberapa dekad yang lalu, kajian filogeni dengan analisis molekul semakin kerap, menghasilkan banyak maklumat dan menyelesaikan masalah taksonomi.

Dalam pengertian ini, beberapa kajian filogenetik menunjukkan bahawa penggunaan sitokrom c oksidase dapat membantu menjalin hubungan evolusi. Ini kerana kompleks protein ini sangat terpelihara dan terdapat dalam pelbagai jenis organisma, mulai dari protista uniselular hingga vertebrata besar.

Contohnya ialah ujian yang dilakukan dengan manusia, simpanse (Pan paniscus) dan kera Rhesus (Macaca mulatta). Ujian sedemikian menunjukkan bahawa molekul cytokrom c oksidase manusia dan simpanse sama.

Ini juga menunjukkan bahawa molekul sitokrom c oksidase dari monyet Rhesus berbeza dengan satu asid amino dari yang kedua dari yang pertama, sehingga menegaskan kembali hubungan keturunan-keturunan antara simpanse dan manusia.

Rujukan

1. RP Ambler (1991). Urutan kebolehubahan dalam sitokrom bakteria c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetik.
2. Sitokrom c. Dipulihkan dari newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Peranan biologi sitokrom c: pengangkutan elektron mitokondria, kematian sel yang diprogramkan, dan peningkatan dalam aktiviti peroksida. Annals Fakulti Perubatan.
4. Subunit sitokrom c oksidase I. Dipulihkan dari ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Cytochrome c Oxidase Subunit IV Penting untuk Fungsi Perhimpunan dan Pernafasan Kompleks Enzim. Jurnal Bioenergetik dan Biomembran.
6. Kumpulan gen: Kompleks mitokondria IV: subunit sitokrom c oksidase (COX, MT-CO). Dipulihkan dari genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Penemuan sitokrom. Pendidikan Biokimia.
8. Sitokrom c oksidase, kekurangan…. Dipulihkan dari ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biokimia. Edisi ke-3. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.