시토크롬 C 산화 효소 : 구조, 기능, 억제제 - 생물학 - 2026

사이토 크롬 C 산화 효소는 세포막의 지질 이중층을 통과 할 효소 단백질의 복합체이다. 용혈성이며 주로 미토콘드리아의 내막과 관련이 있으며 원핵 생물 (박테리아)과 진핵 생물 (단세포 및 다세포)에서 모두 발견됩니다.

복합체 IV라고도 불리는이 효소는 세포가 당을 태우고 아데노신 삼인산 또는 ATP를 저장하기 위해 방출되는 에너지의 일부를 포착하는 전자 수송 사슬에서 필수적이기 때문에 유기체의 호기성 대사 기능에 필수적입니다.

소 심장에있는 사이토 크롬 C 산화 효소의 결정 구조에서 발견되는 분자의 헴의 볼-앤-스틱 모델. 가져와 편집 : Benjah-bmm27.

사이토 크롬이라는 이름은 "세포 색소"를 의미합니다. 이들은 전자를 운반하는 혈액 단백질입니다. 사이토 크롬은 1884 년 아일랜드 의사 Charles Alexander MacMunn에 의해 발견되었습니다. MacMunn은 오늘날 사이토 크롬 1이라고 불리는 혈액에서 호흡기 색소를 발견하는 데 선구자 역할을했습니다.

1920 년대에 러시아 곤충 학자이자 기생충학자인 데이비드 케일 린은 호흡기 색소를 재발견하고 특성화했으며이를 사이토 크롬이라고 명명했습니다. MacMunn은 1884 년에 그것들을 발견했지만, 과학계는 그를 잊었고 일부는 그의 연구를 잘못 해석하기도했습니다.

일반적 특성

일반적으로 호흡기 색소에는 특징적인 가시 광선 스펙트럼이 있습니다. 스펙트럼 흡수 최대 파장에 따라 분류 된 a, a3, b, c1 및 c의 5 가지 상이한 유형의 사이토 크롬이있는 적어도 4 개의 통합 막 단백질 복합체가있는 것으로 알려져있다.

그들은 일반적으로 미토콘드리아의 내막에서 발견됩니다. 그러나 진핵 생물과 원핵 생물에서 소포체와 엽록체에서도 관찰되었습니다.

그들은 철 (Fe)을 포함하는 헴 보철 그룹을 제시합니다. 알려진 각각의 시토크롬은 호흡 과정이나 사슬에서 전자를 수송하는 다중 효소 복합체에서 작용합니다.

시토크롬은 산화 환원 반응에 참여하는 기능을 가지고 있습니다. 전자를 받아들이는 환원 반응은 각 유형의 사이토 크롬에 대해 다르게 발생하며 그 값은 호흡 사슬의 전자 흐름에 의해 결정됩니다.

-사이토 크롬 c

다음과 같은 네 가지 종류의 사이토 크롬 C가 알려져 있습니다.

클래스 I

이 부류에는 박테리아와 미토콘드리아에 존재하는 가용성 저 스핀 사이토 크롬 c (로우 스핀)가 있습니다. 그들은 팔면체입니다. 헴 결합 부위는 히스티딘의 N- 말단에 있고 여섯 번째 리간드는 C- 말단의 메티오닌 잔기에 의해 공급됩니다.

이 클래스 중 3 차원 구조가 결정된 여러 하위 클래스도 인식 할 수 있습니다.

클래스 II

고회전 시토크롬 c와 일부 저 회전 시토크롬이이 등급에서 발견됩니다. 높은 턴을 가진 사람들은 C- 말단에 가까운 결합 부위를 가지고 있으며, 낮은 턴을 가진 사람들의 여섯 번째 리간드는 N- 말단 근처의 메티오닌 잔기로 보입니다. 그들은 다섯 번째 리간드 히스티딘과 5 배위된다.

클래스 III

이 등급은 다중 heme (c3 및 c7) 및 낮은 산화 환원 전위를 갖는 사이토 크롬 c를 제공하며, heme 그룹당 아미노산 잔기는 30 개에 불과합니다. 이 클래스의 대표자에서 heme c 그룹은 다른 산화 환원 전위를 제공하는 것 외에도 동등하지 않은 구조와 기능을 가지고 있습니다. 그들은 팔면체입니다.

클래스 IV

일부 저자에 따르면,이 클래스는 다른 보철 그룹이 존재하는 복잡한 단백질과 heme c 또는 flavocytochrome c를 포함하도록 만들어졌습니다.

Cytochrome c oxidase 또는 Complex IV

Cytochrome c oxidase는 세포 호흡에서 전자 수송의 최종 단계를 수행하는 미토콘드리아 효소입니다. 이 효소는 환원 된 사이토 크롬 c에서 산소로의 전자 수송을 촉매합니다.

시안화물, 이산화탄소 및 아 지드와 같은 일부 화합물은이 효소의 기능을 억제하여 소위 세포 화학 질식을 유발할 수 있습니다. 복합체 IV 억제의 다른 형태는 유전 적 돌연변이입니다.

진화론 적 관점에서 시토크롬 C 산화 효소는 호기성 유기체에서만 발견되며 여러 과학자 그룹은이 단백질의 존재가 식물, 곰팡이 및 동물이 공통 조상을 공유하는 진화 적 관계를 나타냅니다.

구조

Cytochrome c oxidase는 호모 다이머 복합체를 형성합니다. 즉, 미토콘드리아의 내부 막에있는 두 개의 유사한 단량체로 구성됩니다. 효소 복합체는 원핵 생물의 3 ~ 4 개의 서브 유닛과 포유류와 같은 생물의 최대 13 개 (일부 제안 14 개)의 폴리펩티드로 구성됩니다.

이 유기체에서 3 개의 폴리펩티드는 미토콘드리아 기원이고 나머지는 핵에서 기원합니다. 각 단량체는 막 매트릭스와 막간 공간에 대해 친수성 도메인을 분리하는 28 개의 막 횡단 나선을 가지고 있습니다.

그것은 분자 산소 (산화 효소, 특히 헴-구리)를 ​​사용하여 산화 / 환원 반응을 촉매하는 모든 효소에서 발견되는 단일 촉매 단위를 가지고 있습니다. 이 복합체는 서브 유닛 I과 두 개의 구리 중심으로 연결된 사이토 크롬 a와 a3을 포함합니다.

그것은 하나 이상의 (일반적으로 두 개의) 티오 에테르 결합에 의해 주변 단백질 구조에 연결된 하나 이상의 heme c 그룹을 갖는다. 다른 저자들은 포르피린 고리와 두 개의 시스테인 잔기 사이의 단백질에 공유 적으로 연결된 단일 헴 C 그룹이 있다고 제안합니다.

위에서 언급 한 유일한 heme c 그룹은 소수성 잔기로 둘러싸여 있으며, 폴리 펩타이드 사슬의 18 번 위치에 히스티딘과 80 번 위치에 메티오닌으로 6 배위되어 있습니다.

Cytochrome c oxidase subunit F. 출처 : Jawahar Swaminathan 및 European Institute of Bioinformatics의 MSD 직원

풍모

사이토 크롬 c 산화 효소는 세 가지 주요 생리 학적 메커니즘의 주역이며, 아래에서 살펴볼 것입니다.

아폽토시스 또는 프로그램 된 세포 사멸

Apoptosis는 유기체 자체에 의해 유발되고 손상된 조직의 성장, 발달, 제거 및 면역 체계의 조절을 제어하는 ​​것을 목적으로하는 프로그램 된 세포 파괴 또는 죽음입니다. 이 생리 학적 과정에서 사이토 크롬 c 산화 효소가 중간체로 참여합니다.

미토콘드리아에서 방출되는이 단백질은 소포체와 상호 작용하여 칼슘의 분비 또는 방출을 유발합니다. 칼슘의 점진적인 증가는 칼슘의 세포 독성 수준에 도달 할 때까지 사이토 크롬 C 산화 효소의 대량 방출을 유발합니다.

칼슘의 세포 독성 수준과 사이토 크롬 c의 방출은 세포 파괴를 담당하는 여러 카스파 제 효소의 연속 활성화를 유발합니다.

세포 또는 조직 재생

여러 연구에 따르면 사이토 크롬 C 산화 효소가 670 나노 미터의 파장에 노출되면 기능 복합체에 참여하여 손상되거나 손상된 조직을 침투하여 세포 재생 속도를 증가시킵니다.

에너지 대사

이것은 아마도 사이토 크롬 C 산화 효소의 가장 잘 알려져 있고 가장 관련성이 높은 기능 일 것입니다. 사이토 크롬 c에서 전자를 수집하여 산소 분자로 전달하여 두 개의 물 분자로 환원시키는 역할을하는 것은 호흡 사슬의 산화 효소 복합체입니다.

이 과정과 관련하여 양성자 전위가 막을 통해 발생하여 ATP 합성 효소 복합체가 ATP (아데노신 삼인산)를 생성하거나 합성하는 데 사용하는 전기 화학적 구배를 생성합니다.

억제제

Cytochrome c oxidase는 다양한 화합물과 과정에 의해 억제됩니다. 그것이 발생하는 방식은 효소의 생산 또는 작용을 조절하는 자연스러운 방법으로 발생하거나 중독으로 인해 우연히 발생할 수 있습니다.

아 지드, 시안화물 또는 일산화탄소가 존재하는 경우 사이토 크롬 c 산화 효소가 이들에 결합하여 단백질 복합체의 기능이 억제됩니다. 이것은 세포 호흡 과정을 방해하여 세포의 화학적 질식을 유발합니다.

산화 질소, 황화수소, 메탄올 및 일부 메틸화 알코올과 같은 다른 화합물도 사이토 크롬 c 산화 효소를 억제합니다.

부족

Cytochrome c oxidase는 핵과 미토콘드리아의 유전자에 의해 조절되는 효소입니다. 사이토 크롬 C 산화 효소의 결핍으로 이어질 수있는 유전 적 변형이나 돌연변이가 있습니다.

이러한 돌연변이는 효소 구조를 변경하여 배아 발달 (인간 연구에 따르면) 동안 대사 장애를 가져 오므로 효소의 기능을 방해하며, 이는 나중에 생후 첫 해에 유기체에 영향을 미칩니다.

시토크롬 c 산화 효소 결핍은 심장, 간, 뇌 및 근육과 같이 에너지 수요가 높은 조직에 영향을 미칩니다. 이러한 돌연변이의 증상은 생후 2 년 전에 반영되며 강하거나 경미한 상태로 나타날 수 있습니다.

경미한 증상은 생후 첫해 직후에도 볼 수 있으며, 증상이있는 사람은 일반적으로 근긴장 (저 산증)과 근 위축 (근병증) 만 감소합니다.

반면에 더 강한 증상을 가진 개인은 근육 위축 및 뇌 근병증이있을 수 있습니다. 사이토 크롬 c 산화 효소의 부재로 인한 다른 상태로는 비대성 심근 병증, 간 병리학 적 비대, 리 증후군 및 젖산 증이 있습니다.

계통 발생에 사용

계통 발생은 유기체의 조상 후손 관점에서 기원, 형성 및 진화 발전에 대한 연구를 담당하는 과학입니다. 최근 수십 년 동안 분자 분석을 통한 계통 발생 연구가 점점 더 빈번 해져서 많은 정보를 얻고 분류 학적 문제를 해결했습니다.

이러한 의미에서 일부 계통 발생 연구는 사이토 크롬 C 산화 효소의 사용이 진화 관계를 수립하는 데 도움이 될 수 있음을 나타냅니다. 이것은이 단백질 복합체가 매우 보존되어 있고 단세포 원생 생물에서 큰 척추 동물에 이르기까지 다양한 유기체에 존재하기 때문입니다.

이것의 예는 인간, 침팬지 (Pan paniscus) 및 붉은 털 원숭이 (Macaca mulatta)를 대상으로 수행 된 테스트입니다. 이러한 테스트를 통해 인간과 침팬지 사이토 크롬 C 산화 효소 분자가 동일하다는 것이 밝혀졌습니다.

또한 붉은 털 원숭이의 사이토 크롬 c 산화 효소 분자가 처음 두 개의 아미노산과 1 개의 아미노산이 다른 것으로 나타 났으며 결과적으로 침팬지와 인간 사이의 조상-후손 관계를 재확인했습니다.

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