CITOCROM C OXIDASA: ESTRUCTURA, FUNCIONS, INHIBIDORS - BIOLOGIA - 2025

La citocrom c oxidasa és un complex de proteïnes enzimàtiques que poden travessar la bicapa lipídica de la membrana cel·lular. És hemosoluble i es troba principalment associada a la membrana interna dels mitocondris, trobant-se tant en organismes procariotes (bacteris), com en eucariotes (unicel·lulars i pluricel·lulars).

També anomenada complex IV, aquest enzim és vital en les funcions metabòliques aeròbiques dels organismes, ja que és essencial en la cadena de transport d'electrons en la qual la cèl·lula crema sucres i captura part de l'energia alliberada per emmagatzemar adenosín trifosfat o ATP.

Model de bola i pal de l'hemo, d'una molècula que es troba en l'estructura cristal·lina de l'citocrom c oxidasa de cor boví. Presa i editada de: Benjah-bmm27.

El nom citocrom significa «pigments cel·lulars». Es tracta de proteïnes sanguínies que transporten electrons. Els citocroms van ser descoberts pel metge irlandès Charles Alexander MacMunn en 1884. MacMunn va ser pioner a descobrir el pigment respiratori de la sang, anomenat avui dia citocrom 1.

En els anys 20 d'segle passat l'entomòleg i parasitòleg rus David Keilin va redescobrir i va caracteritzar els pigments respiratoris i va ser qui els va nomenar citocroms. Si bé MacMunn els havia descobert en 1884, la comunitat científica ho havia oblidat i fins i tot alguns havien mal interpretat el seu treball.

Característiques generals

En general, els pigments respiratoris presenten uns espectres de llum visible característics. Se sap que existeixen a l'almenys quatre complexos de proteïnes de membrana integral a on hi ha 5 tipus diferents de citocroms: a, a3, b, c1 ic, classificats segons les longituds d'ona dels màxims d'absorció espectral.

Es troben generalment en la membrana interna dels mitocondris. No obstant això també han estat observades en el reticle endoplasmàtic i els cloroplasts, en organismes eucariotes i procariotes.

Presenten el grup prostètic hemo que conté ferro (Fe). Cadascun dels citocroms coneguts actua en complexos multienzimàtics en el transport d'electrons de l'procés o cadena respiratòria.

Els citocroms tenen la funció de participar en reaccions d'oxido-reducció. Les reaccions de reducció, on accepten electrons, ocorren de manera diferent per a cada tipus de citocrom, i el seu valor és determinat pel flux d'electrons de la cadena respiratòria.

-Citocromo c

Es coneixen quatre classes de citocrom c, que són les següents.

classe I

Dins d'aquesta classe es troben els citocroms c solubles de baix gir (lowspin), presents en bacteris i mitocòndries. Són octaèdrics. El lloc d'unió hemo es troba en l'extrem N de la histidina i el sisè lligant és subministrat per un residu de metionina en l'extrem C.

D'aquesta classe es poden fins i tot reconèixer diverses subclasses, a les quals se'ls han determinat la seva estructura tridimensional.

classe II

En aquesta classe es troben els citocroms c d'alt gir (highspin) i alguns de baix gir. Els d'alt gir tenen el lloc d'unió proper a l'extrem-C, i en els de baix gir el sisè lligant sembla ser un residu de metionina a prop de l'extrem N (N-terminus en anglès). Són pentacoordinados amb histidina de cinquè lligant.

classe III

Aquesta classe es caracteritza per presentar citocroms c amb hemo múltiple (c3 i c7) i un baix potencial òxid-reductor, amb tot just 30 residus d'aminoàcids per grup hemo. En els representants d'aquesta classe, els grups hemo c tenen estructura i funcions no equivalents, a més de presentar diferents potencials redox. Són octaèdrics.

classe IV

Segons alguns autors, aquesta classe va ser creada únicament per incloure proteïnes complexes que presenten altres grups prostètics, així com hemo c, o flavocitocromo c, entre d'altres.

La citocrom c oxidasa o Complex IV

La citocrom c oxidasa és un enzim mitocondrial que porta a terme la fase final de l'transport electrònic en la respiració cel·lular. Aquest enzim catalitza el transport d'electrons des del citocrom c reduït fins al oxigen.

Alguns compostos químics com el cianur, el diòxid de carboni i la azida, poden arribar a inhibir el funcionament de la aquest enzim, provocant l'anomenada asfíxia química cel·lular. Altres formes d'inhibició de l'complex IV són les mutacions genètiques.

Des del punt de vista evolutiu, l'citocrom c oxidasa només es troba en organismes aeròbics, i diversos grups de científics suggereixen que la presència d'aquesta proteïna indica relacions evolutives en on plantes, fongs i també animals van compartir un ancestre en comú.

estructura

La citocrom c oxidasa forma un complex homodimérico, és a dir, compost per dos monòmers similars a la membrana interna dels mitocondris. El complex enzimàtic consta de 3 a 4 subunitats en organismes procariotes i fins a un màxim de 13 (alguns suggereixen 14) polipèptids en organismes com els mamífers.

En aquests organismes 3 polipèptids són d'origen mitocondrial i la resta s'originen en el nucli. Cada monòmer posseeix 28 hèlixs transmembrana que separen dominis hidròfils enfront de la matriu de la membrana i l'espai intermembrana.

Té una sola unitat catalítica, que es troba en tots els enzims que catalitzen reaccions d'oxidació / reducció, emprant oxigen molecular (oxidases, especialment les hemo-coure). El complex conté els citocroms ai a3 units per la subunitat I i dos centres de coure.

Presenta un o diversos grups hemo c lligats a l'estructura proteica circumdant per un o diversos (generalment dos) enllaços tioèter. Altres autors suggereixen que hi ha un únic grup hemo c unit de forma covalent a la proteïna entre l'anell de porfirina i dos residus de cisteïna.

L'únic grup hemo c esmentat anteriorment, es troba envoltat per residus hodrofóbicos i està hexacoordinado, estant la histidina en la posició 18 de la cadena polipeptídica i la metionina en la 80.

Citocrom c oxidasa subunitat F. Presa i editada de: Jawahar Swaminathan i el personal de MSD a l'Institut Europeu de Bioinformàtica

funcions

Les citocrom c oxidases són protagonistes en tres mecanismes fisiològics primordials, que veurem a continuació.

Apoptosi o mort cel·lular programada

L'apoptosi és la destrucció o mort cel·lular programada, causada pel mateix organisme i que té com a fi controlar el creixement, el desenvolupament, l'eliminació de teixits danyats i la regulació de el sistema immune. En aquest procés fisiològic la citocrom c oxidasa participa com un intermediari.

Aquesta proteïna, alliberada per les mitocòndries, condueix a una interacció amb el reticle endoplasmàtic, que provoca la secreció o alliberament de calci. L'augment progressiu de calci desencadena un alliberament massiva de citocrom c oxidasa, fins que s'aconsegueix arribar a nivells citotòxics de calci.

Els nivells citotòxics de calci i l'alliberament de les citocroms c causen l'activació en cascada de diversos enzims caspases, que són les responsables de la destrucció de les cèl·lules.

Regeneració cel·lular o de teixits

Diversos estudis indiquen que quan la citocrom c oxidasa és exposada a longituds d'ona de 670 nanòmetres, participa en un complex funcional, que penetra en el teixit danyat o ferit i augmenta la velocitat de regeneració cel·lular.

metabolisme energètic

Aquesta és potser la més coneguda i la funció més rellevant de la citocrom c oxidasa. És precisament el complex oxidasa (de la cadena respiratòria) l'encarregat de recollir els electrons de citocrom ci trasnferirlos a la molècula d'oxigen, reduint-la a dues molècules d'aigua.

Connectat a aquest procés, es produeix una translocació de protons a través de la membrana, donant com a resultat la generació d'un gradient electroquímic que el complex ATP sintetasa, utilitza per produir o sintetitzar ATP (adenosina trifisfato).

inhibidors

El citocrom c oxidasa és inhibit per diversos processos i compostos químics. La forma en què passa pot sorgir com una manera natural per regular la producció o acció de l'enzim o pot ocórrer de forma accidental a causa de intoxicacions.

En presència d'azida, cianur o monòxid de carboni, el citocrom c oxidasa s'uneix a aquests i s'inhibeix el funcionament de l'complex proteic. Això causa una interrupció en el procés respiratori cel·lular i per tant provoca l'asfíxia química de les cèl·lules.

Altres compost com òxid nítric, sulfur d'hidrogen, metanol, i alguns alcohols metilats, també causen inhibició de la citocrom c oxidasa.

deficiència

La citocrom c oxidasa és un enzim que és controlada per gens tant del nucli com de les mitocòndries. Hi alteracions genètiques o mutacions que poden comportar una deficiència de la citocrom c oxidasa.

Aquestes mutacions pertorben la funcionalitat de l'enzim, ja que alteren la seva estructura enzimàtica, portant amb si desordres metabòlics durant el desenvolupament embrionari (segons estudis en humans), que posteriorment afectaran l'organisme en els seus primers anys de vida.

La deficiència de citocrom c oxidasa afecta teixits amb alta demanda energètica, com cor, fetge, cervell i la musculatura. Els símptomes d'aquestes mutacions es veuen reflectits abans dels dos anys de vida i poden manifestar-se com afeccions forts o lleus.

Els símptomes lleus poden observar-se fins i tot poc després del primer any d'edat i en general els individus amb ells només presenten disminució de la tensió muscular (hipotonia) i atròfia muscular (miopatia).

D'altra banda, els individus que presenten símptomes més forts, poden arribar a tenir atròfia muscular i encefalomiopatía. Altres afeccions causades per l'absència de citocrom c oxidasa són miocardiopatia hipertròfica, augment patològic de la mida de l'fetge, síndrome de Leigh i acidosi làctica.

Usos en filogènia

La filogènia és la ciència que s'encarrega dels estudis de l'origen, formació i desenvolupament evolutiu des del punt de vista ancestre-descendent, dels organismes. En les últimes dècades, estudis de filogènia amb anàlisis moleculars han estat cada vegada més freqüents, llançant molta informació i resolent problemes taxonòmics.

En aquest sentit, alguns estudis filogenètics indiquen que l'ús de les citocrom c oxidases pot ajudar a establir relacions evolutives. Això es deu a que aquest complex de proteïnes és altament conservat i està present en una gran varietat d'organismes, que van des dels protistas unicelulares, fins als grans vertebrats.

Exemple d'això, són les proves fetes amb humans, ximpanzés (Pan paniscus) i macacos Rhesus (Macaco rhesus). Tals proves van revelar que les molècules de citocrom c oxidasa d'humans i ximpanzés eren idèntiques.

A més va mostrar que les molècules de citocrom c oxidasa de l'macaco Rhesus diferien en un aminoàcid de les dels dos primers, reafirmant en conseqüència relacions ancestre-descendents, entre ximpanzés i humans.

referències

1. RP Ambler (1991). Sequence variability in bacterial cytochromes c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics.
2. Cytochrome c. Recuperat de newworldencyclopedia.org.
3. V.Colman, I. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Rols biològics de citocrom c: transport electrònic mitocondrial, mort cel·lular programada i guany d'activitat peroxidática. Anals de la Facultat de Medicina.
4. Cytochrome c oxidasa subunit I. Recuperat de ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, Sr. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Cytochrome c oxidasa Subunit IV is Essential for Assembly and Respiratory Function of the Enzyme Complex. Journal of Bioenergetics and Biomembranes.
6. Gene group: Mitochondrial complex IV: cytochrome c oxidasa subunits (COX, MT-CO). Recuperat de genenames.org.
7. EF Hartree (1973). The discovery of cytochrome. Biochemical Education.
8. Citocrom c oxidasa, deficiència de…. Recuperat de ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biochemestry. 3th edition. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.