Elektronový transportní řetěz. Komplex IV je vpravo.
Křišťálová struktura bovinní cytochromu c oxidázy ve fosfolipidové dvouvrstvě. Intermembránový prostor leží až nahoře na obrázku. Převzato z PDB 1OCC (Jedná se o homo dimer v této struktuře)
Enzym cytochrom c oxidáza neboli komplex IV (PDB 2OCC, EC 1.9.3.1) je rozsáhlý transmembránový proteinový komplex nacházející se v bakteriích a mitochondrionu.
Je posledním enzymem v transportním řetězci dýchacích elektronů mitochondrií (nebo bakterií) nacházejících se v mitochondriální (nebo bakteriální) membráně. Přijímá elektron z každé ze čtyř molekul cytochromu c a přenáší je na jednu molekulu kyslíku, čímž přeměňuje molekulu kyslíku na dvě molekuly vody. V tomto procesu váže čtyři protony z vnitřní vodné fáze za účelem vytvoření vody a navíc translokuje čtyři protony přes membránu, čímž pomáhá stanovit transmembránový rozdíl protonového elektrochemického potenciálu, který ATP syntáza následně využívá k syntéze ATP.
Podjednotka I a II komplexu IV s výjimkou všech ostatních podjednotek, PDB 2EIK
Komplex je velký integrální membránový protein složený z několika kovových protetických míst a 13 proteinových podjednotek u savců. U savců je deset podjednotek nukleárního původu a tři jsou syntetizovány v mitochondriích. Komplex obsahuje dva hemy, cytochrom a a cytochrom a3 a dvě měděná centra, CuA a CuB centra. Ve skutečnosti cytochrom a3 a CuB tvoří binukleární centrum, které je místem redukce kyslíku. Cytochrom c redukovaný předchozí složkou respiračního řetězce (komplex cytochromu bc1, komplex III) se nachází v blízkosti CuA binukleárního centra, předává mu elektron a je oxidován zpět na cytochrom c obsahující Fe+3. Redukované CuA binukleární centrum nyní předává elektron na cytochrom a, který zase předává elektron na cytochrom a3- CuB binukleární centrum. Dva kovové ionty v tomto binukleárním centru jsou od sebe 4,5 Å a koordinují hydroxidový iont v plně zoxidovaném stavu.
Krystalografické studie cytochromu c oxidázy vykazují neobvyklou posttranslační modifikaci, spojující C6 of Tyr(244) a ε-N of His(240) (bovinní enzymové číslování). Hraje zásadní roli v umožnění cytochromu a3- CuB binukleárnímu centru přijímat čtyři elektrony při redukci molekulárního kyslíku na vodu. Dříve se předpokládalo, že mechanismus redukce zahrnuje peroxidový meziprodukt, o kterém se předpokládalo, že vede k produkci superoxidu. Nicméně v současnosti uznávaný mechanismus zahrnuje rychlou redukci čtyř elektronů zahrnující okamžité štěpení vazby kyslík-kyslík, čímž se zabrání vzniku meziproduktu, který by mohl tvořit superoxid .
Předpokládá se, že místo sestavení se nachází v blízkosti TOM/TIM, kde jsou komplexní meziprodukty přístupné pro vazbu s podjednotkami importovanými z cytosolu. Hemy a kofaktory jsou vkládány do podjednotek I & II Podjednotky I a IV iniciují sestavení. Jiné podjednotky mohou tvořit subkomplexní meziprodukty, které se později vážou na jiné a vytvářejí COX komplex. Při modifikacích po sestavení je enzym dimerizován, což je nutné pro aktivní/efektivní enzymatické působení. Dimery jsou spojeny molekulou kardiolipinu. Přesný proces sestavení COX má být dále zkoumán.
Dva elektrony jsou předávány ze dvou cytochromů c, přes CuA a cytochrom a místa do cytochromu a3- CuB binukleárního centra, čímž se kovy redukují na Fe+2 formu a Cu+1. Hydroxidový ligand je protonován a ztracen jako voda, čímž se vytvoří prázdno mezi kovy, které je naplněno O2. Kyslík je rychle redukován, dva elektrony přicházejí z Fe+2cytochromu a3, který je převeden na ferryl oxo formu (Fe+4=O). Atom kyslíku blízko CuB zachytí jeden elektron z Cu+1 a druhý elektron a proton z hydroxylu Tyr(244), který se stává tyrosylovým radikálem: druhý kyslík je převeden na hydroxidový iont tím, že zachytí dva elektrony a proton. Třetí elektron vznikající z jiného cytochromu c je předán prvními dvěma nosiči elektronů do cytochromu a3- CuB binukleárního centra a tento elektron a dva protony převedou tyrosylový radikál zpět do Tyru a hydroxid vázaný na CuB+2 na molekulu vody. Čtvrtý elektron z jiného cytochromu c prochází CuA a cytochromem a do dvojhvězdého centra cytochromu a3- CuB, čímž se redukuje Fe+4=O na Fe+3, přičemž atom kyslíku zachycuje současně proton a regeneruje tento kyslík jako hydroxidový iont koordinovaný uprostřed centra cytochromu a3- CuB, jak tomu bylo na začátku tohoto cyklu. Čistý proces je takový, že čtyři redukované cytochromy c se používají spolu se 4 protony k redukci O2 na dvě molekuly vody.
Kyanid, sulfid, azid a oxid uhelnatý se vážou na cytochrom c oxidázu, čímž inhibují funkci bílkoviny, což vede k chemickému zadušení buněk.
Genetické vady a poruchy
Vady zahrnující genetické mutace ovlivňující funkčnost nebo strukturu cytochromu c oxidázy (COX) mohou mít za následek závažné, často smrtelné metabolické poruchy. Takové poruchy se obvykle projevují v raném dětství a postihují převážně tkáně s vysokou energetickou náročností (mozek, srdce, svaly). Mezi mnoha klasifikovanými mitochondriálními chorobami se za nejzávažnější považují ty, které zahrnují nefunkční sestavení COX.
Drtivá většina poruch COX je spojena s mutacemi v proteinech kódovaných v jádře označovanými jako assemblerové faktory neboli assemblerové proteiny. Tyto assemblerové faktory přispívají ke struktuře a funkčnosti COX a podílejí se na několika základních procesech, včetně transkripce a překladu podjednotek kódovaných mitochondriony, zpracování preproteinů a membránové inzerce a biosyntézy a inkorporace kofaktoru.
V současné době byly mutace identifikovány u šesti COX montážních faktorů: SURF1, SCO1, SCO2, COX10, COX15 a LRPPRC. Mutace v těchto proteinech mohou mít za následek změněnou funkčnost subkomplexní montáže, transportu mědi nebo translační regulace. Každá genová mutace je spojena s etiologií specifického onemocnění, přičemž některé mají důsledky u více poruch. Mezi poruchy zahrnující dysfunkční COX montáže prostřednictvím genových mutací patří Leighův syndrom, kardiomyopatie, leukodystrofie, anémie a senzorická hluchota.