цитохром с-оксидаза

цитохром с́-оксидаза

ЦИТОХРОМ с-ОКСИДАЗА (цитохромоксидаза, Ц.)

фермент класса оксидоредуктаз; катализирует конечный этап переноса электронов на кислород в процессе окислительного фосфорилирования:

Окисление цитохрома с сопровождается появлением мембранного протонного потенциала , который используется клеткой для обеспечения всех видов работ, выполняемых биомембранами, и в первую очередь для синтеза АТФ. Фермент широко распространен как среди эукариот, так и среди прокариот. У эукариот фермент расположен во внутр. мембране митохондрий, у прокариот — в цитоплазматич. мембране. Ц. — сложный белок, состоящий из неск. полипептидных цепей, связанных с 4 окислительно-восстановит. центрами, 2 ионами Cu²⁺ и 2 гемами а (см. формулу).

Мол. масса фермента (напр., Ц. из сердца быка) составляет от 180 до 200 тыс. Ц. обычно существует в димерной форме и прочно ассоциирована с молекулами фосфолипидов мембран и ПАВ, использованных при ее выделении. Ц. имеет характерный спектр поглощения; нм (-10⁻³): восстановленная форма 443 (107), 603 (23,2); окисленная форма −421 (82), 598 (11).

Железо гемов может находиться в окисленном или восстановленном состоянии и образует координац. связи с одним либо двумя аминокислотными остатками белковой цепи. В зависимости от белкового окружения гемы различаются по свойствам: один (гем а₃ ), высокоспиновый, после восстановления реагирует с O₂ или CO, CN. Другой (гем а), низкоспиновый, в такие реакции не вступает. Ионы меди в Ц. также неравноценны. Один из них, Cu_А, дает сигнал в спектре ЭПР и взаимод. с гемом a, другой, Cu_в, не дает сигналов, взаимод. с гемом а₃. Число полипептидных цепей в ферменте зависит от эволюционной ступени, занимаемой организмом — источником Ц. Фермент прокариот включает 2–3 белковые цепи, эукариоты содержат Ц. из 5 (соя, батат) или 7–8 субъединиц (дрожжи). У млекопитающих число субъединиц фермента возрастает до 12–13. Все полипептиды в Ц. различны по структуре и имеют мол. м. от 5 до 57 тыс. Три наиб. крупные субъединицы (I-III; рис.). Ц. эукариот кодируются в митохондриальном геноме и синтезируются на митохондриальных рибосомах. Эти субъединицы играют главную роль в выполнении биол. функций Ц. Они связаны со всеми окислительно-восстановит. центрами и имеют участки узнавания цитохрома с. Остальные субъединицы Ц. кодируются в ядерном геноме и синтезируются в цитоплазме. Функции этих полипептидов, вероятно, связаны с регуляцией активности Ц. и могут отражать также тканевую специфичность фермента. Первичная структура полипептидов наиб. изученных ферментов (бык, крыса, Saccharomyces cerevisiae) полностью известна.

Модель структурной н функциональной организации полипептидов в цитохромоксидазе из печени крысы. Римскими цифрами и буквами обозначены отдельные субъединицы фермента.

Ц. — мембранный фермент. с-Домен фермента выступает из плоскости мембраны с цитоплазматич. стороны на 0,50–0,55 нм; с матричной стороны выступают на 0,15–0,25 нм два домена, которые состоят из спирализованных участков полипептидных цепей и включают 8–12 и 5–8 спиралей, соотв.

Цитохром с взаимод. с Ц., связываясь с субъединицей П. Цепочка, по которой электроны передаются к кислороду, м. б. представлена схемой: Цитохром сCu_АГем а Гем а₃-Cu_В + O₂. Перенос электрона сопровождается трансмембранным переносом двух протонов из матрикса в цитозольное пространство и появлением. Такой механизм позволяет отнести Ц. к мембранным протонным насосам.

Для выделения Ц. из митохондрий или субмитохондриальных частиц используют ПАВ, чаще всего холат или дезоксихолат натрия. Обычно чистоту Ц. выражают через отношение содержания гема а к количеству белка. Для препаратов фермента, выделенных разл. способами, этот показатель составляет 8–14 нмоль/мг. Определить точное значение этой величины пока невозможно из-за отсутствия надежных данных о числе субъединиц, действительно необходимых для функционирования фермента.

Важная характеристика Ц. — ферментативная активность, которая определяется спектрофотометрически (по уменьшению поглощения ферроцитохрома с) либо полярографически (по изменению концентрации O₂ в среде); она может достигать 400 моль цитохрома с на моль Ц. в секунду. Активность фермента сильно зависит от количества липидов в препарате. При тщательном удалении липидов ферментативная активность резко снижается, но после добавления липидов частично восстанавливается.

Ц. необходима для обеспечения жизнедеятельности всех эукариотич. и некоторых прокариотич. клеток. Нарушение биосинтеза Ц. в клетках человека приводит к их гибели. Структурные и функциональные изменения фермента являются причиной серьезных заболеваний.

^{Лит.: Филатов И. А. [и др.], "Биоорг. химия", 1988, т. 14, № 6, с. 725–45; Wikstrom М., Krаb К., Saraste M., Cytochrome oxidase. A synthesis, L., 1981.}

_{М. А. Кулиш}