Cytochrom-c-Oxidase

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Cytochrom-c-Oxidase
Cytochrom-c-Oxidase
Bändermodell eines Cytochrom-c-Oxidase-Dimers vom Rind in der Membran nach PDB 1OCC
Vorhandene Strukturdaten: 2OCC, 1QLE, 1M56, 1EHK, 1FFT
Transporter-Klassifikation
TCDB 3.D.4.7.1
Bezeichnung protonenübertragende COX
Enzymklassifikation
EC, Kategorie 1.9.3.1Oxidoreduktase
Reaktionsart Redoxreaktion
Substrat 4 Cytochrom c (reduziert) + O2 + 12 H+(in)
Produkte 4 Cytochrom c (oxidiert) + 2 H2O + 8 H+(out)
Vorkommen
Übergeordnetes Taxon Lebewesen
Übergeordnet
Atmungskette-Komplex
Gene Ontology
QuickGO

Das Enzym Cytochrom-c-Oxidase (COX), genauer Cytochrom c : Sauerstoff-Oxidoreduktase (systematischer Name), Cytochrom-aa3-Komplex oder auch Komplex IV der mitochondrialen Atmungskette genannt, ist eine Oxidoreduktase. Der bei Bakterien aus drei, bei Eukaryoten aus dreizehn Untereinheiten bestehende Enzymkomplex katalysiert in einer gekoppelten Reaktion die Oxidation von Cytochrom c mit der Reduktion von Sauerstoff zu Wasser und dem Transport von Protonen über eine biologische Membran.

Mutationen in den Genen, die für die einzelnen Untereinheiten codieren (MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3) können seltene Erbkrankheiten verursachen, die unter Cytochrom-c-Oxidasemangel (MT-C4D) zusammengefasst werden, nämlich Optikus-Neuropathie Typ Leber (LHON), rekurrente Myoglobinurie, sowie mitochondriale nichtsyndromale sensorineurale Schwerhörigkeit.[1][2][3]

Die Cytochrom-c-Oxidase gehört zur Superfamilie der Häm-Kupfer-Oxidasen, die bei allen aerob atmenden Organismen den terminalen Elektronenakzeptor der Atmungskette darstellen. Sie sind für nahezu sämtlichen Sauerstoffverbrauch der atmenden Organismen verantwortlich. Die Oxidasen sind bei Eukaryoten in der inneren Mitochondrienmembran, bei Prokaryoten in der inneren Zellmembran eingelagert. Varianten der Cytochrom-c-Oxidase kommen in der Zellmembran aerober Bakterien vor. Diese enthalten zum Teil modifizierte Kofaktoren (Häm-Varianten), oder verwenden andere Elektronendonoren als Cytochrom c (Chinol-Oxidasen z. B. in Escherichia coli). Sie besitzen sämtlich große strukturelle und funktionelle Homologie und enthalten im aktiven Zentrum eine Häm-Gruppe und ein Kupfer-Ion.

Katalysierter Transport[Bearbeiten]

Transmembran-Protonentransport durch die Cyctochrom-C-Oxidase der mitochondrialen Elektronentransportkette in schematischer Darstellung (unten: mitochondrialer Innenraum; oben: mitochondrialer Intermembranraum)

Die Transportgleichung lautet:[4]

4 Cytc(Fe2+) + O2 + 8 H+innen → 4 Cytc(Fe3+) + 2 H2O + 4 H+außen

Die Funktion der Cytochrom-c-Oxidase besteht aus der

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 Protonen (H+) für die Wasserbildung aus dem Innenraum des Mitochondriums (Matrix) 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.

Das komplexe Zusammenspiel der ablaufenden Sauerstoffchemie, der Elektronentransferreaktionen, sowie den Protonenaufnahme- und Pumpschritten und deren genauen zeitlichen Abfolgen konnten bisher noch nicht detailliert aufgeklärt werden. Ein einfaches Bild des Reaktionszyklus sieht wie folgt aus: Geht man vom vollständig oxidierten Zustand der Cytochrom-c-Oxidase aus, werden von nacheinander gebundenem Cytochrom c 2 Elektronen über das CuA und das Häm a in das katalytisch aktive Häm-a3/CuB-Zentrum transferiert. Im um 2 Elektronen reduzierten Zustand bindet das Häm a3 den Sauerstoff, dieser wird konzertiert mit 4 Elektronen reduziert. Die zwei gebildeten Sauerstoffionen binden als Oxo-Gruppe (=O2−) an das Häm a3 und das CuB. Durch die Aufnahme von 2 weiteren Elektronen und die Abspaltung von 2 Wassermolekülen relaxiert das Enzym wieder zum Ausgangszustand. Protonenaufnahme von der Innenseite der Membran und Protonenpumpschritte über die Membran hinweg findet mit jedem der 4 Elektronentransferreaktionen pro Zyklus vom reduzierten Cytochrom c zum Reaktionszentrum der Cytochrom-c-Oxidase statt. Die Ausbildung eines Protonengradienten über die Membran durch die Protonenpumpaktivität der Oxidase wird zusätzlich dadurch verstärkt, dass die vier für die Wasserbildung erforderlichen Protonen nur von der Innenseite der Membran aufgenommen werden.

Struktur[Bearbeiten]

Der mitochondriale Enzymkomplex IV in Säugetieren besteht aus 13 Untereinheiten,[5] von denen die Untereinheiten I–III mitochondrial und die weiteren Untereinheiten IV–XIII vom Nukleus kodiert sind. Die Untereinheit I besitzt die drei redoxaktiven Metallzentren Häm a, Häm a3 und CuB. Häm a3 und CuB bilden zusammen das katalytisch aktive Zentrum, an dem Sauerstoff gebunden und zu Wasser reduziert wird. Die Untereinheit II besitzt das redoxaktive Metallzentrum CuA, das Elektronen vom Cytochrom c aufnimmt, die dann zum Häm a und weiter zum Häm a3 transferiert werden.

Der Komplex IV beim Menschen im Detail:

Anzahl Gen-Name UniProt Größe
(aa)
OMIM Kommentar
1 MT-CO1 P00395 513 516030 Katalytische Untereinheit; Häm, Cu2+; Membrandomänen; pathologische Mutationen
2 MT-CO2 P00403 227 516040 Cu2+; Membrandomänen; pathologische Mutationen
1 MT-CO3 P00414 261 516050 Membrandomänen; pathologische Mutationen
1 COX4I1 P13073 169 123864
1 COX5A P20674 150 603773 Häm A
1 COX5B P10606 98 123866 Zn2+
1 COX6A1 P12074 85 602072
1 COX6B1 P14854 85 124089 Pathologische Mutationen
1 COX6C1 P09669 74 124090 Membrandomäne
1 COX7A2L O14548 59 605771
1 COX7B P24311 56 603792 Membrandomäne
1 COX7C P15954 47 603774 Membrandomäne
1 COX8A P10176 44 123870 Membrandomäne

Inhibitoren[Bearbeiten]

Cyanide, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoffe und Azide sind Inhibitoren der Cytochrom-c-Oxidase. Sie blockieren die Bindungsstelle für Sauerstoff im aktiven Zentrum.

Nachweis[Bearbeiten]

Zum Nachweis des Enzyms Cytochrom-c-Oxidase in Zellen wird der Oxidase-Test verwendet.

Alternative Bezeichnungen[Bearbeiten]

Weitere Enzymkomplexe der Atmungskette:

Literatur[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Optikus-Neuropathie Typ Leber. In: orpha.net. Orphanet, 2003, abgerufen am 4. Oktober 2010.
  2. Genetic recurrent myoglobinuria. In: orpha.net. Orphanet, 2010, abgerufen am 4. Oktober 2010.
  3. Mitochondrially inherited nonsyndromic sensorineural deafness bei Online Mendelian Inheritance in Man
  4. 3.D.4 The Proton-translocating Cytochrome Oxidase (COX) Superfamily. In: TCDB. Saier Lab Bioinformatics, abgerufen am 4. Oktober 2010 (englisch).
  5. B. Kadenbach, J. Jarausch, R. Hartmann und P. Merle: Separation of mammalian cytochrome c oxidase into 13 poly-peptides by a sodium dodecyl sulfate-gel electrophoretic procedure, Anal. Biochem. 129, 517-521 (1983).

Weblinks[Bearbeiten]