Benutzer:Hoffmeier/COX

Das Enzym Cytochrom c Oxidase genauer Cytochrom c : O₂ Oxidoreduktase (EC 1.9.3.1) ist der terminale Elektronenakzeptor der mitochondrialen Atmungskette (Komplex IV).

Der mitochondriale Transmembranproteinkomplex besteht bei Säugetieren aus 13 Untereinheiten und 4 Kofaktoren und einer Molmasse von 204 kDa.

Die Untereinheiten I-III werden vom mitochondrialen Genom codiert, während die weiteren Untereinheiten IV-XIII vom Nukleus kodiert werden.

Cytochrom-c-Oxidase ist ein komplexes Membranprotein aus 13 Untereinheiten, wobei die drei größten (UE1-3) vom mitochondrialen Genom codiert werden; zehn weitere, nicht unmittelbar an der Katalyse beteiligte Untereinheiten werden vom nukleären Genom codiert. Die Untereinheit UE1 trägt zwei Redoxzentren, nämlich Häm a sowie ein binukleäres Zentrum aus Häm a3 und CuB, während UE2 das Redoxzentrum CuA mit zwei Kupferionen trägt.

Die Substratbindungsstelle für Cytochrom c befindet sich in der Nähe des CuA-Zentrums auf UE2 im Intermembranraum. Dort dockt der mobile Überträger Cytochrom c an und überträgt ein Elektron via CuA-Zentrum auf Häm a. Von dort wird es zum binukleären Häm-a3/CuB–Zentrum geleitet. Insgesamt werden vier Elektronen benötigt, um molekularen Sauerstoff zu reduzieren; unter Aufnahme von vier „chemischen“ Protonen aus der Matrix entstehen dabei zwei Wassermoleküle. Gleichzeitig werden vier „Pump“- Protonen über einen noch nicht vollständig aufgeklärten Mechanismus von der Matrix- zur Intermembranseite der Membran transportiert. Betrachten wir die Sauerstoffreduktion am binukleären Zentrum im Detail: Zunächst reduziert das von einem ersten Molekül Cytochrom c angelieferte Elektron Cu2+ (Zustand O) zu Cu1+. Ein weiteres Molekül Cytochrom c liefert ein zweites Elektron zur Reduktion von Fe3+ zu Fe2+; damit ist das Häm- a3/CuB-Zentrum vollständig reduziert (Zustand R). Nun bindet O2 an das binukleäre Zentrum und reoxidiert die beiden Metallzentren. Formal entsteht dabei ein gebundenes Peroxidanion O22–; tatsächlich liefert aber ein benachbarter Tyrosinrest ein drittes Elektron an, sodass das Sauerstoffmolekül augenblicklich gespalten wird (Zustand PM). Dabei fällt ein Sauerstoffatom in vollständig reduzierter Form an (OH–), während das zweite unter Bildung eines Oxoferrylintermediats (Fe=O2+) an Häm a3 bindet; in diesem Komplex nimmt das Eisenatom die ungewöhnliche Oxidationsstufe +4 an. Das Elektron des dritten Cytochrom c reduziert dann das Tyrosylradikal (Zustand F). Schließlich reduziert das Elektron des vierten Cytochrom c das Fe4+-Ion im Häm a3 zu Fe3+; das zweite, nun vollständig reduzierte Sauerstoffatom bleibt als OH– an diesem Zentrum gebunden (Zustand O). Die beiden zunächst noch im binukleären Zentrum verbliebenen Hydroxylgruppen werden nach Aufnahme zweier Protonen – wahrscheinlich erst im nächsten Reaktionszyklus – als Wassermoleküle in den Matrixraum abgegeben.

Netto überträgt Cytochrom-c-Oxidase also vier Elektronen von vier Molekülen Cytochrom c auf ein Molekül O2, das zu zwei Molekülen H2O reduziert wird; dabei werden vier „chemische“ Protonen benötigt. Gleichzeitig werden vier „gepumpte“ Protonen durch Kanäle, die am binukleären Zentrum der Untereinheit UE1 vorbeiführen, von der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum transportiert (Abbildung 37.13). Ein bemerkenswerter Aspekt bei der Sauerstoffreduktion ist das „Vorladen“ des binukleären Zentrums mit zwei Elektronen und die Bereitstellung eines dritten Elektrons aus einem benachbarten Tyrosinrest. Damit werden Superoxid- und Peroxidstufe des Sauerstoffs praktisch übersprungen und die Freisetzung von partiell reduziertem Sauerstoff in Form eines Superoxidanions O2– > oder als Hydroperoxylradikal HO2 > effektiv verhindert. Diese reaktiven Sauerstoffintermediate sind stark cytotoxisch (Exkurs 37.4).

Synthetische Inhibitoren können einzelne Komplexe der Atmungskette selektiv „außer Gefecht“ setzen, was für die biochemische Analyse der Atmungskette von großem Nutzen war. So hemmen Rotenon und Amytal selektiv Komplex I und blockieren damit gezielt die NADH Verwertung, nicht aber den Zugang zur Atmungskette über Komplex II oder andere FADH2-abhängige Dehydrogenasen. Antimycin A hemmt kompetitiv die Reduktion von Ubichinon am Qi-Zentrum von Komplex III, während Gifte wie Cyanid (CN–), Azid (N3–) und Kohlenmonoxid (CO) mit der O2-Bindung am binukleären Zentrum von Komplex IV kompetieren. Das Signalmolekül Stickstoffmonoxid (NO) kann ebenfalls am binukleären Zentrum binden und damit Komplex IV vorübergehend inhibieren; durch langsame Umsetzung von NO zu N2O wird das Enzym dabei reaktiviert. Die physiologische Bedeutung dieses Vorgangs ist noch unklar.

Die minimal funktionelle Einheit des Enzyms bilden die beiden Untereinheiten I und II mit den vier redoxaktiven Metallion-Zentren (Kofaktoren, ...)

• Cu_A (binukleäre Cu) SUII
• Häm a (hexa-koordiniertes Fe)
• Häm a₃ (penta-koordiniertes Fe)
• Cu_B (Typ II Cu)

Das binukleäre Cu_A-Zentrum in der Untereinheit II ist der primäre Elektronenakzeptor. Von dort werden die Elektronen über das Häm a zum binukleären Häm a₃ – Cu_B Reaktionszentrum in der Untereinheit I transferiert.

Häm a₃ und Cu_B bilden zusammen das binukleäre Reaktionszentrum, an dem die katalytische Reduktion von Sauerstoff zu Wasser stattfindet.

Vom löslichen Protein Cytochrom c werden die Elektronen zunächst auf das Cu_A-Zentrum übertragen, von dort auf das Häm a und schließlich zu aktiven Häm a₃-Cu_B-Zentrum

Die beiden Untereinheiten I und II bilden das katalytische ... mit den vier redoxaktive Metallion-Zentren Cu_A, Häm a, Häm a₃ und Cu_B. Das Cu_A-Zentrum besteht aus zwei Cu-Ionen, die über Aminosäure-Reste an die Untereinheit II gebunden sind.

Die Untereinheit I besitzt drei redoxaktive Metallzenten Häm a, Häm a₃ und Cu_B. Häm a₃ und Cu_B bilden zusammen das katalytisch aktive Zentrum, an dem Sauerstoff bindet und zu Wasser reduziert wird. Die Untereinheit II besitzt das redoxaktive Metallzentrum Cu_A.

Die Untereinheit I besteht aus 12 transmembranen alpha-Helices mit kurzen Loops... Die Untereinheit II besteht aus 2 transmembranen alpha-Helices und einer C-terminalen globulären Domäne.

Während des katalytischen Zyklus der Cytochrom c Oxidase wird ein Molekül Sauerstoff (O₂) zu zwei Molekülen Wasser (H₂O) reduziert. Als Reduktionsmittel werden vier Elektronen (e^-) von vier Molekülen Cytochrom c sowie vier Protonen (H⁺) aus dem Innenraum des Mitochondriums gebraucht. Die bei der Reduktion von Sauerstoff zu Wasser freigesetzte Energie wird zum Aufbau eines Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran genutzt. Pro Reaktionszyklus werden vier Protonen aus dem Innenraum des Mitochondriums in den Intermembranraum transportiert (gepumpt).

Reaktionsgleichung pro Reaktionszyclus:

4 Cyt c (Fe⁺²) + O₂ + 8 H⁺_innen → 4 Cyt c (Fe⁺³) + 2 H₂O + 4 H⁺_außen.

O₂ + 4 e^- + 8 H⁺_innen → 2 H₂O + 4 H⁺_außen.