CITOCROMO C OSSIDASI: STRUTTURA, FUNZIONI, INIBITORI - BIOLOGIA - 2025

La citocromo c ossidasi è un complesso di proteine ​​enzimatiche che possono attraversare il doppio strato lipidico della membrana cellulare. È emosolubile ed è principalmente associato alla membrana interna dei mitocondri, essendo presente sia negli organismi procarioti (batteri) che negli eucarioti (unicellulari e multicellulari).

Chiamato anche complesso IV, questo enzima è vitale nelle funzioni metaboliche aerobiche degli organismi, poiché è essenziale nella catena di trasporto degli elettroni in cui la cellula brucia gli zuccheri e cattura parte dell'energia rilasciata per immagazzinare l'adenosina trifosfato o ATP.

Modello ball-and-stick di eme, di una molecola trovata nella struttura cristallina della citocromo c ossidasi nel cuore bovino. Tratto e modificato da: Benjah-bmm27.

Il nome citocromo significa "pigmenti cellulari". Queste sono proteine ​​del sangue che trasportano elettroni. I citocromi furono scoperti dal medico irlandese Charles Alexander MacMunn nel 1884. MacMunn fu il pioniere della scoperta del pigmento respiratorio nel sangue, oggi chiamato citocromo 1.

Negli anni '20, l'entomologo e parassitologo russo David Keilin riscoprì e caratterizzò i pigmenti respiratori e fu colui che li chiamò citocromi. Sebbene MacMunn li avesse scoperti nel 1884, la comunità scientifica lo aveva dimenticato e alcuni avevano persino interpretato male il suo lavoro.

Caratteristiche generali

In generale, i pigmenti respiratori hanno spettri di luce visibile caratteristici. È noto che esistono almeno quattro complessi proteici di membrana integrali in cui sono presenti 5 diversi tipi di citocromi: a, a3, b, c1 e c, classificati secondo le lunghezze d'onda dei massimi di assorbimento spettrale.

Si trovano generalmente sulla membrana interna dei mitocondri. Tuttavia, sono stati osservati anche nel reticolo endoplasmatico e nei cloroplasti, negli organismi eucarioti e procarioti.

Presentano il gruppo protesico eme contenente ferro (Fe). Ciascuno dei citocromi noti agisce in complessi multienzimatici nel trasporto di elettroni nel processo o nella catena respiratoria.

I citocromi hanno la funzione di partecipare alle reazioni di riduzione dell'ossidazione. Le reazioni di riduzione, dove accettano gli elettroni, si verificano in modo diverso per ogni tipo di citocromo e il loro valore è determinato dal flusso di elettroni nella catena respiratoria.

-Citocromo c

Sono note quattro classi di citocromo c, che sono le seguenti.

Classe I

All'interno di questa classe ci sono i citocromi solubili a basso spin c (lowspin), presenti nei batteri e nei mitocondri. Sono ottaedrici. Il sito di legame dell'eme è all'N-terminale dell'istidina e il sesto ligando è fornito da un residuo di metionina al C-terminale.

Di questa classe si possono persino riconoscere diverse sottoclassi, di cui è stata determinata la struttura tridimensionale.

Classe II

In questa classe si trovano citocromo c ad alto spin e alcuni citocromi a basso spin. Quelli con virata alta hanno il sito di legame vicino al C-terminale, e in quelli con virata bassa il sesto ligando sembra essere un residuo di metionina vicino al N-terminale. Sono pentacoordinati con il quinto ligando istidina.

Classe III

Questa classe è caratterizzata dalla presentazione di citocromi c con eme multiple (c3 e ​​c7) e un basso potenziale di riduzione dell'ossidazione, con solo 30 residui di amminoacidi per gruppo eme. Nei rappresentanti di questa classe, i gruppi eme hanno struttura e funzioni non equivalenti, oltre a presentare diversi potenziali redox. Sono ottaedrici.

Classe IV

Secondo alcuni autori, questa classe è stata creata solo per includere proteine ​​complesse che altri gruppi protesici presentano, così come l'eme c, o flavocitocromo c, tra gli altri.

Citocromo c ossidasi o complesso IV

La citocromo c ossidasi è un enzima mitocondriale che svolge la fase finale del trasporto di elettroni nella respirazione cellulare. Questo enzima catalizza il trasporto di elettroni dal citocromo c ridotto all'ossigeno.

Alcuni composti chimici come cianuro, anidride carbonica e azide, possono inibire il funzionamento di questo enzima, provocando la cosiddetta asfissia chimica cellulare. Altre forme di inibizione del complesso IV sono mutazioni genetiche.

Da un punto di vista evolutivo, la citocromo c ossidasi si trova solo negli organismi aerobici e diversi gruppi di scienziati suggeriscono che la presenza di questa proteina indica relazioni evolutive in cui piante, funghi e anche animali condividevano un antenato comune.

Struttura

La citocromo c ossidasi forma un complesso omodimerico, cioè composto da due monomeri simili nella membrana interna dei mitocondri. Il complesso enzimatico è costituito da 3 a 4 subunità in organismi procarioti e fino a un massimo di 13 (alcuni suggeriscono 14) polipeptidi in organismi come i mammiferi.

In questi organismi 3 polipeptidi sono di origine mitocondriale e il resto ha origine nel nucleo. Ogni monomero ha 28 eliche transmembrana che separano i domini idrofili contro la matrice della membrana e lo spazio intermembrana.

Possiede un'unica unità catalitica, che si trova in tutti gli enzimi che catalizzano le reazioni di ossidazione / riduzione, utilizzando ossigeno molecolare (ossidasi, soprattutto eme-rame). Il complesso contiene citocromi a e a3 collegati dalla subunità I e due centri di rame.

Ha uno o più gruppi eme c legati alla struttura proteica circostante da uno o più (generalmente due) legami tioetere. Altri autori suggeriscono che vi sia un singolo gruppo eme C legato in modo covalente alla proteina tra l'anello porfirinico e due residui di cisteina.

L'unico gruppo eme c menzionato sopra è circondato da residui idrofobici ed è esacoordinato, con istidina in posizione 18 della catena polipeptidica e metionina in posizione 80.

Citocromo c ossidasi subunità F. Tratto e modificato da: Jawahar Swaminathan e il personale MSD presso l'Istituto europeo di bioinformatica

Caratteristiche

Le ossidasi del citocromo c sono protagoniste di tre principali meccanismi fisiologici, che vedremo di seguito.

Apoptosi o morte cellulare programmata

L'apoptosi è la distruzione o morte cellulare programmata, causata dall'organismo stesso e il cui scopo è controllare la crescita, lo sviluppo, l'eliminazione dei tessuti danneggiati e la regolazione del sistema immunitario. In questo processo fisiologico, la citocromo c ossidasi partecipa come intermedio.

Questa proteina, rilasciata dai mitocondri, porta ad un'interazione con il reticolo endoplasmatico, che provoca la secrezione o il rilascio di calcio. Il progressivo aumento del calcio innesca un massiccio rilascio di citocromo c ossidasi, fino al raggiungimento dei livelli citotossici di calcio.

I livelli citotossici di calcio e il rilascio di citocromi c provocano l'attivazione a cascata di diversi enzimi caspasi, responsabili della distruzione delle cellule.

Rigenerazione cellulare o tissutale

Diversi studi indicano che quando il citocromo c ossidasi è esposto a lunghezze d'onda di 670 nanometri, partecipa a un complesso funzionale, che penetra nei tessuti danneggiati o lesi e aumenta la velocità di rigenerazione cellulare.

Metabolismo energetico

Questa è forse la funzione più nota e più rilevante della citocromo c ossidasi. È proprio il complesso ossidasi (della catena respiratoria) che si occupa di raccogliere gli elettroni dal citocromo ce trasferirli alla molecola di ossigeno, riducendola a due molecole di acqua.

Collegato a questo processo, avviene una traslocazione di protoni attraverso la membrana, con conseguente generazione di un gradiente elettrochimico che il complesso ATP sintetasi utilizza per produrre o sintetizzare ATP (adenosina trifosfato).

inibitori

La citocromo c ossidasi è inibita da vari processi e composti chimici. Il modo in cui si manifesta può presentarsi come un modo naturale per regolare la produzione o l'azione dell'enzima oppure può verificarsi accidentalmente a causa dell'avvelenamento.

In presenza di azide, cianuro o monossido di carbonio, la citocromo c ossidasi si lega a questi e il funzionamento del complesso proteico viene inibito. Ciò provoca un'interruzione nel processo respiratorio cellulare e quindi provoca il soffocamento chimico delle cellule.

Altri composti come l'ossido nitrico, l'idrogeno solforato, il metanolo e alcuni alcoli metilati, causano anche l'inibizione della citocromo c ossidasi.

carenza

La citocromo c ossidasi è un enzima controllato da geni sia nel nucleo che nei mitocondri. Esistono alterazioni o mutazioni genetiche che possono portare a una carenza di citocromo c ossidasi.

Queste mutazioni disturbano la funzionalità dell'enzima, poiché alterano la sua struttura enzimatica, portando con sé disturbi metabolici durante lo sviluppo embrionale (secondo studi sull'uomo), che poi interesseranno l'organismo nei suoi primi anni di vita.

La carenza di citocromo c ossidasi colpisce i tessuti con un elevato fabbisogno energetico, come cuore, fegato, cervello e muscoli. I sintomi di queste mutazioni si riflettono prima dei due anni di vita e possono manifestarsi come condizioni forti o lievi.

Sintomi lievi possono essere osservati anche poco dopo il primo anno di età e le persone che ne sono affette di solito hanno solo una diminuzione della tensione muscolare (ipotonia) e atrofia muscolare (miopatia).

D'altra parte, gli individui con sintomi più forti possono avere atrofia muscolare ed encefalomiopatia. Altre condizioni causate dall'assenza della citocromo c ossidasi sono cardiomiopatia ipertrofica, ingrossamento patologico del fegato, sindrome di Leigh e acidosi lattica.

Utilizza in filogenesi

La filogenesi è la scienza che si occupa degli studi dell'origine, formazione e sviluppo evolutivo dal punto di vista antenato-discendente, degli organismi. Negli ultimi decenni, gli studi di filogenesi con analisi molecolare sono stati sempre più frequenti, fornendo molte informazioni e risolvendo problemi tassonomici.

In questo senso, alcuni studi filogenetici indicano che l'uso di citocromo c ossidasi può aiutare a stabilire relazioni evolutive. Questo perché questo complesso proteico è altamente conservato ed è presente in un'ampia varietà di organismi, che vanno dai protisti unicellulari ai grandi vertebrati.

Ne sono un esempio i test effettuati su esseri umani, scimpanzé (Pan paniscus) e macachi Rhesus (Macaca mulatta). Tali test hanno rivelato che le molecole di citocromo c ossidasi umane e di scimpanzé erano identiche.

Ha anche dimostrato che le molecole di citocromo c ossidasi del macaco Rhesus differivano di un amminoacido da quelle dei primi due, riaffermando di conseguenza le relazioni antenato-discendente tra scimpanzé e umani.

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