Komplex IV

Komplex IV (tiež cytochróm-c-oxidáza, cytochróm-c-kyslík-oxidoreduktáza, ferrocytochróm c:O2 oxidoreduktáza, cytochrómoxidáza, cytochróm aa3 oxidáza) je proteínový komplex dýchacieho reťazca, ktorý preberá elektróny od cytochrómu c a redukuje kyslík na vodu. Kyslík slúži ako terminálny akceptor elektrónov, ktoré boli získané oxidáciou chemických látok v metabolizme. 

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. Reakčným centrom zabezpečujúcim redukciu kyslíka a udržanie nebezpečných reaktívnych foriem kyslíka na mieste je bimetalické centrum tvorené atómom železa a medi.

Komplex IV je protónová pumpa poháňaná elektrónmi, 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.

Komplex IV je jediný komplex dýchacieho reťazca, ktorý katalyzuje nevratnú reakciu. Nie je možné obrátiť smer reakcie a oxidovať vodu (hoci je všadeprítomná a vo vysokom molárnom nadbytku) na kyslík. 

 Štruktúra Komplexu IV 
Cicavčí Komplex IV je homodimér, ktorého molekulová hmotnosť dosahuje 410 kDa. Dimerizácia protomérov nehrá žiadnu funkčnú úlohu u Komplexu IV. Každý z protomérov samotných (204 kDa) je vytorený z 13 podjednotiek, pričom iba tri z nich (Podjednotka I, Podjednotka II, Podjednotka III) vytvárajú funkčné jadro proteínu, ktoré sa zúčastňuje prenosu elektrónov a redukcie kyslíka. Tieto tri podjednotky funkčného jadra proteínu sú kódované v mitochondriálnej DNA. Zvyšných 10 podjednotiek je kódovaných jadrovou DNA. 13 rôznych podjednotiek každého protoméru vytvára dohromady 28 transmembránových helixov.

Štruktúra cicavčieho Komplexu III bola študovaná Shinay Yoshikawom Röntgenovou štruktúrnou analýzou na vzorkách z hoväzieho srdca. 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 
CuA centrum je akceptorom elektrónov z cytochrómu c. CuA centrum leží 8 Å nad povrchom vnútornej mitochondriálnej membrány exponované do medzimembránového priestoru mitochondrií.

Je tvorené dvojicou atómov medi, ktoré sú viazané na Podjednotku II Komplexu IV. Každý z dvoch atómov medi je tetragonálne koordinovaný. Dvoma mostíkovými ligandmi sú bočné reťazce dvoch cysteínov (Cys-200 a Cys-196). Jeden z atómov medi CuA centra je koordinovaný metionínom (Met-207) a histidínom (His-161). Druhý z atómov medi CuA centra je koordinovaný glutamátom (Glu-198) a histidínom (His-204).

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.

Hoci CuA centrum obsahuje dva atómy medi, je schopné len jednoelektrónovej redukcie, i.e. je schopné prenášať len jeden elektrón naraz.

 Cytochróm a 
Cytohróm a je hemoproteín, ktorý obsahuje hém a. Cytochróm a prijíáma elektróny od CuA centra. Cytochróm a sa viaže na Podjednotku I Komplexu IV a je lokalizovaný asi 13 Å pod povrchom membrány blízko medzimembránového priestoru. Atóm železa cytochrómu a je bipyrimidálne koordinovaný, pričom axiálnymi ligandmi sú histidíny podjednotky I (His-61 a His-378).

Cytochróm a odovzdáva elektróny na bimetalické centrum tvorené cytochrómom a3 a atómom medi CuB. 

 Cytochróm a3 
Cytochróm a3 je súčasť bimetalického centra, v ktorom dochádza ku redukcii kyslíka na vodu. Cytochróm a3 sa viaže na Podjednotku I Komplexu IV a je lokalizovaný asi 13 Å pod povrchom membrány blízko medzimembránového priestoru. 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. Je to samozrejme tá axiálna poloha, ktorá je naklonená ku atómu medi CuB. Atóm železa cytochrómu a3 je vzdialený od atómu medi CuB len 4,9 Å.

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. Všetko sú to izoelektrónové štruktúry, izostéry molekuly kyslíka. 

 CuB centrum 
CuB centrum je tvorené jedným atómom medi, ktorý je vzdialený od atómu železa cytochrómu a3 len 4,9 Å. CuB centrum sa viaže na Podjednotku I Komplexu IV a je lokalizované asi 13 Å pod povrchom membrány blízko medzimembránového priestoru. CuB centrum je tetraédricky koordinovaný troma histidínmi (His-291, His-290, His-240). Štvrtým ligandom je molekula kyslíka určená na redukciu na vodu. 

Zaujímavosťou je, že jeden z ligandov (His-240) je kovalentne naviazaný na tyrozín Tyr-244 druhým dvojim atómom dusíka aromatického heterocyklu. His-240 sa viaže do orto-pohohy voči hydroxylovej skupine tyrozínu Tyr-244.

 Podjednotka I Komplexu IV 
Podjednotka I Komplexu IV je zložená z 12 transmembránových α-helixov. Obsahuje 2 hémy typu a (cytochróm a a cytochróm a3) a jeden atóm medi (CuB centrum). Podjednotka I je kódovaná mitochondriálnou DNA. 

 Kanály 
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.

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.

 Glutamátový kanál 
Glutamátový kanál (D-kanál) je nazvaný podľa konzervovaného glutamátového zvyšku. Glutamátový kanál prenáša 6 z požadovaných 8 protónov. V glutamátovom kanále sa nachádza ekvidistantný glutamátový bočný reťazec, ktorý je rovnako vzdialený od cytochrómu a3 a od cytochrómu a. 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.

 Lyzínový kanál 
Lyzínový kanál (K-kanál) je nazvaný podľa konzervovaného lyzínového zvyšku. Lyzínový kanál prenáša jeden alebo dva protóny z požadovaných 8 protónov.

 H-kanál 
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. 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.

 Mechanizmus redukcie kyslíka 
vľavo|bezrámu|738x738bod

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).

Kyslík sa naviaže na atóm železa cytochrómu a3, čím vznikne tzv. Oxy stav (oxygenovaný stav).

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.

Tyrozylový radikál je zredukovaný na fenoxidový anión jedným elektrónom z cytochrómu c a tento fenolátový anión je protonizovaný na fenol protónom z matrixu mitochondrií.

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.

 Referencie 

 Pozri aj 
 Dýchací reťazec
 Cytochróm c
 Protomér

Kategória:Bunkové dýchanie
Kategória:Hemoproteíny
Kategória:Membránové bielkoviny
Kategória:Enzýmy