シトクロムcオキシダーゼ

シトクロムcオキシダーゼまたは複合体IV（​​以前はEC 1.9.3.1、現在はトランスロカーゼEC 7.1.1.9に再分類）は、細菌、古細菌、およびヒトを含む真核生物のミトコンドリアに存在する大きな膜貫通タンパク質複合体である。^{[ 1 ]}

これは、細胞の呼吸鎖電子伝達系における最後の酵素であり、細胞膜に存在します。4つのシトクロムcタンパク質からそれぞれ1つの電子を受け取り、それを1つの酸素分子と4つのプロトンに伝達し、2分子の水を生成します。さらに、内側の水相から4つのプロトンを結合するだけでなく、さらに4つのプロトンを膜を横切って輸送し、膜を挟んだプロトンの電気化学ポテンシャルの差を増大させます。この差は、 ATP合成酵素がATPを合成するために利用されます。

酵母における COX の組み立ては、ホロ酵素複合体を形成する疎水性サブユニットの急速かつ不可逆的な凝集、および疎水性パッチが露出した変異サブユニットの凝集のため、完全には解明されていない複雑なプロセスです。^{[ 11 ]} COX サブユニットは、核ゲノムとミトコンドリアゲノムの両方にコードされています。COX 触媒コアを形成する 3 つのサブユニットは、ミトコンドリアゲノムにコードされています。COX の組み立てには、30 種類以上の核コードシャペロンタンパク質が必要です。^{[ 12 ]}

ヘムを含む補因子は、サブユニット I と II に挿入されます。2 つのヘム分子はサブユニット I に存在し、サブユニット II への輸送を助け、そこで 2 つの銅分子が電子の継続的な伝達を助けます。^{[ 13 ]}サブユニット I と IV がアセンブリを開始します。異なるサブユニットが会合してサブコンプレックス中間体を形成し、それが後に他のサブユニットに結合して COX 複合体を形成します。^{[ 11 ]}アセンブリ後の修飾では、COX はホモ二量体を形成します。これは活性に必要です。二量体はカルジオリピン分子によって連結されており、^{[ 11 ] [ 14 ] [ 15 ]}カルジオリピンはホロ酵素複合体の安定化に重要な役割を果たしていることがわかっています。サブユニット VIIa と III の解離とカルジオリピンの除去が同時に起こると、酵素活性が完全に失われます。^{[ 15 ]}核ゲノムにコードされているサブユニットは、酵素の二量体化と安定性に役割を果たしていることが知られています。これらのサブユニットの変異はCOX機能を消失させる。^{[ 11 ]}

組み立ては少なくとも3つの異なる律速段階を経て起こることが知られている。これらの段階の生成物は発見されているが、特定のサブユニット組成は決定されていない。^{[ 11 ]}

COXサブユニットI、II、IIIの合成と組み立ては、ミトコンドリアmRNA転写産物の5'非翻訳領域と相互作用する翻訳活性化因子によって促進される。翻訳活性化因子は核にコードされている。翻訳活性化因子は、翻訳機構の他の構成要素と直接的または間接的に相互作用することによって機能することができるが、in vitroでの翻訳機構の合成に伴う困難さのため、正確な分子メカニズムは不明である。^{[ 16 ] [ 17 ]}ミトコンドリアゲノム内にコードされたサブユニットI、II、III間の相互作用は、二ゲノムサブユニット間の相互作用よりも酵素の安定性への寄与は小さいが、これらのサブユニットはより保存されているため、酵素活性の未解明の役割の可能性を示唆している。^{[ 18 ]}

全体的な反応は

4 Fe ²⁺ – シトクロムc + 4 H ⁺ + O ₂ → 4 Fe ³⁺ – シトクロムc + 2 H ₂ O Δ G ^o ' = - 218 kJ/mol、 E ^o ' = +565 mV

2 つの電子が 2 つのシトクロム c から Cu _Aおよびシトクロム a サイトを経由してシトクロム a ₃ –Cu _B二核中心に渡され、金属が Fe ²⁺型と Cu ⁺に還元されます。水酸化物配位子はプロトン化されて水として失われ、金属間に O ₂で満たされる空隙が作られます。酸素は Fe ²⁺ –シトクロム a _{3から 2 つの電子が来て急速に還元され、フェリルオキソ型 (Fe} ⁴⁺ =O)に変換されます。Cu _Bに近い酸素原子はCu ⁺から 1 つの電子を受け取り、Tyr(244) の水酸基から 2 番目の電子とプロトンを受け取り、チロシルラジカルになります。2 番目の酸素は、2 つの電子とプロトンを受け取ることで水酸化物イオンに変換されます。別のシトクロムcからの3番目の電子は、 最初の2つの電子キャリアを介してシトクロムa3–CuB二核中心に渡され_、この_電子と2つのプロトンによってチロシルラジカルがTyrに、CuB2 ₊^に結合した水酸化物が水分子に変換される。別のシトクロム cからの4番目の電子は、CuAとシトクロムaを介してシトクロムa3–CuB二核中心に流れ_、 Fe4 ₊ = _OをFe3+に還元する^。同時に^{酸素原子はプロトンを受け取り、この酸素は、このサイクルの開始時と同様に、シトクロム}_a3 – _CuB中心の中央に配位した水酸化物イオンとして再生される。全体として、4つの還元型シトクロムcが酸化され、O2_と4つのプロトンが2つの水分子に還元される。^{[ 4 ]： 841–5}

COXは、完全に酸化された（パルス状態）、部分的に還元された、および完全に還元された3つの立体構造状態をとります。各阻害剤は、異なる状態に対して高い親和性を持っています。パルス状態では、ヘムa3とCuB核中心の両方が_酸化されています。これは_、酵素の最も高い活性を示す立体構造です。2電子還元により立体構造の変化が起こり、酸素が部分的に還元された酵素の活性部位に結合できるようになります。4電子がCOXに結合すると、酵素は完全に還元されます。完全に還元された状態は、シトクロムa3_{ヘム基の還元されたFe2} ⁺と還元されたCuB ₊^二核中心から構成され、酵素の不活性状態または休止状態と考えられています。^{[ 19 ]}

シアン化物、アジ化物、一酸化炭素^{[ 20 ]}はすべてシトクロム cオキシダーゼに結合し、タンパク質の機能を阻害して細胞の化学的窒息を引き起こします。阻害物質の濃度の上昇を補うために分子状酸素の濃度が高くなるため、阻害物質が存在すると細胞内の代謝活動が全体的に低下します。一酸化窒素や硫化水素などの他のリガンドも、酵素の調節部位に結合することでCOXを阻害し、細胞呼吸の速度を低下させます。^{[ 21 ]}

シアン化物は COX の非競合阻害剤であり、^{[ 22 ] [ 23 ]}酵素の部分還元状態に高い親和性で結合し、酵素のさらなる還元を阻害します。パルス状態では、シアン化物はゆっくりと結合しますが、高い親和性で結合します。リガンドは、両方の金属の間に自身を配置することで、両方の金属を同時に静電的に安定化すると考えられています。酵素に外因的に添加されるような高濃度の酸化窒素は、COX のシアン化物阻害を逆転させます。^{[ 24 ]}

一酸化窒素は可逆的に^{[ 25 ]}二核中心のいずれかの金属イオンに結合して亜硝酸塩に酸化される。NOとCN−^は酸素と競合してその部位に結合し、細胞呼吸の速度を低下させる。しかし、より低いレベルで産生される内因性NOはCN−阻害を増強する^。還元状態の酵素の存在量が多いことと相関する高レベルのNOは、シアン化物の阻害をより強くする。^{[ 19 ]}これらの基礎濃度では、複合体IVのNO阻害は、血管組織の酸素レベルを上昇させるなど、有益な効果をもたらすことが知られている。酵素が酸素を水に還元できないため、酸素が蓄積し、周囲の組織に深く拡散することができる。^{[ 25 ]}複合体IVのNO阻害は、酸素濃度が低いほど効果が大きく、必要な組織における血管拡張剤としての有用性が高まる。^{[ 25 ]}

硫化水素は、一酸化炭素と同様に、酵素の調節部位で非競合的にCOXに結合します。硫化物は、酵素のパルス状態または部分還元状態に対して最も高い親和性を持ち、ヘムa3中心で酵素を部分的に還元することができます_{。内因性のH2S}レベルが酵素を阻害するのに十分かどうかは不明です。硫化水素とCOXの完全還元コンフォメーションの間には相互作用はありません。^{[ 21 ]}

メチル化アルコール中のメタノールはギ酸に変換され、これも同じ酸化酵素系を阻害する。高濃度のATPはミトコンドリアマトリックス内から結合することで、シトクロムc酸化酵素をアロステリックに阻害することができる。 ^{[ 26 ]} 

シトクロムcオキシダーゼは、ミトコンドリアDNAによってコードされる3つのサブユニット（シトクロム cオキシダーゼサブユニットI、サブユニットII、およびサブユニットIII）から構成されています。ミトコンドリアDNAによってコードされるこれら3つのサブユニットのうち、2つはミトコンドリア外の場所に存在することが確認されています。膵臓腺房組織では、これらのサブユニットはチモーゲン顆粒に存在していました。さらに、下垂体前葉では、これらのサブユニットが成長ホルモン分泌顆粒に比較的多く存在することが確認されています。 ^{[ 27 ]}これらのシトクロムcオキシダーゼサブユニットのミトコンドリア外機能は まだ解明されていません。シトクロム cオキシダーゼサブユニット以外にも、多数の他のミトコンドリアタンパク質についてもミトコンドリア外局在が観察されています。^{[ 28 ] [ 29 ]}これは、ミトコンドリアから他の細胞内目的地へのタンパク質輸送のための、まだ特定されていない特異的なメカニズムが存在する可能性を示唆しています。^{[ 27 ] [ 29 ] [ 30 ]}

シトクロムcオキシダーゼ（COX）の機能や構造を変化させる遺伝子変異を伴う欠陥は、重篤でしばしば致命的な代謝障害を引き起こす可能性があります。このような障害は通常、幼児期に発症し、主にエネルギー需要の高い組織（脳、心臓、筋肉）に影響を及ぼします。分類されている多くのミトコンドリア病の中で、COXアセンブリの機能不全を伴うものが最も重篤であると考えられています。^{[ 31 ]} 

COX疾患の大部分は、アセンブリ因子またはアセンブリタンパク質と呼ばれる核コードタンパク質の変異に関連しています。これらのアセンブリ因子はCOXの構造と機能に寄与し、ミトコンドリアコードサブユニットの転写と翻訳、プレタンパク質の処理と膜挿入、補因子の生合成と組み込みなど、いくつかの重要なプロセスに関与しています。^{[ 32 ]}

現在までに、 SURF1、SCO1、SCO2、COX10、COX15 、 COX20、COA5、LRPPRCの7つのCOXアセンブリ因子に突然変異が確認されています。これらのタンパク質の突然変異は、サブコンプレックスのアセンブリ、銅輸送、または翻訳調節の機能変化を引き起こす可能性があります。各遺伝子変異は特定の疾患の病因と関連しており、中には複数の疾患に影響を及ぼすものもあります。遺伝子変異によるCOXアセンブリの機能不全が関与する疾患には、リー症候群、心筋症、白質ジストロフィー、貧血、感音性難聴などがあります。

ニューロンがエネルギー源として酸化的リン酸化にますます依存するようになったため^{[ 33 ]、} COX組織化学は動物の脳の領域代謝のマッピングに利用しやすくなりました。これは、酵素活性とニューロンの活動との間に直接的かつ正の相関関係を確立するためです^{[ 34 ]} 。これは、COX酵素量と活性の相関関係に見られ、遺伝子発現レベルでのCOXの調節を示しています。COXの分布は動物の脳のさまざまな領域で一貫していませんが、その分布パターンは動物間で一貫しています。このパターンは、サル、マウス、子牛の脳で観察されています。COXの1つのアイソザイムは、脳の組織化学分析で一貫して検出されています^{[ 35 ]} 。このような脳のマッピングは、リーラー^{[ 36 ]}などの小脳疾患を持つ自然発生的な突然変異マウスや、アルツハイマー病のトランスジェニックモデル^{[ 37 ]}で達成されています。この技術は、動物の脳の学習活動のマッピングにも使用されています^{[ 38 ] 。}

• 
  等
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  複合体IV

• シトクロムcオキシダーゼサブユニットI
• シトクロムcオキシダーゼサブユニットII
• シトクロムcオキシダーゼサブユニットIII
• ヘムa

• ライス大学のシトクロム酸化酵素ホームページ
• シトクロムcオキシダーゼのインタラクティブな分子モデル（MDL Chimeが必要です）
• ミシガン大学における膜タンパク質の配向ファミリー/スーパーファミリー-4
• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるシトクロムc+オキシダーゼ