Citocromo c oxidasa

La enzima citocromo c oxidasa o Complejo IV (anteriormente EC 1.9.3.1 , ahora reclasificada como una translocasa EC 7.1.1.9 ) es un gran complejo proteico transmembrana que se encuentra en bacterias , arqueas y las mitocondrias de eucariotas , incluidos los humanos. ^{[ 1 ]}

Es la última enzima de la cadena de transporte de electrones respiratoria de las células , ubicada en la membrana . Recibe un electrón de cada una de las cuatro proteínas citocromo c y los transfiere a una molécula de oxígeno y cuatro protones , produciendo dos moléculas de agua. Además de unirse a los cuatro protones de la fase acuosa interna, transporta otros cuatro protones a través de la membrana, aumentando la diferencia transmembrana del potencial electroquímico de protones , que la ATP sintasa utiliza posteriormente para sintetizar ATP .

El ensamblaje de la COX en levaduras es un proceso complejo que no se comprende del todo debido a la agregación rápida e irreversible de subunidades hidrofóbicas que forman el complejo holoenzimático, así como a la agregación de subunidades mutantes con parches hidrofóbicos expuestos. ^{[ 11 ]} Las subunidades de la COX están codificadas tanto en el genoma nuclear como en el mitocondrial. Las tres subunidades que forman el núcleo catalítico de la COX están codificadas en el genoma mitocondrial. Se requieren más de 30 proteínas chaperonas diferentes codificadas en el núcleo para el ensamblaje de la COX. ^{[ 12 ]}

Los cofactores, incluidos los grupos hemo, se insertan en las subunidades I y II. Las dos moléculas de hemo residen en la subunidad I, ayudando con el transporte a la subunidad  II donde dos moléculas de cobre ayudan con la transferencia continua de electrones. ^{[ 13 ]} Las subunidades I y IV inician el ensamblaje. Diferentes subunidades pueden asociarse para formar intermedios de subcomplejo que luego se unen a otras subunidades para formar el complejo COX. ^{[ 11 ]} En modificaciones posteriores al ensamblaje, la COX formará un homodímero. Esto es necesario para la actividad. Los dímeros están conectados por una molécula de cardiolipina , ^{[ 11 ] [ 14 ] [ 15 ]} que se ha descubierto que juega un papel clave en la estabilización del complejo holoenzimático. La disociación de las subunidades VIIa y III junto con la eliminación de la cardiolipina da como resultado la pérdida total de la actividad enzimática. ^{[ 15 ]} Se sabe que las subunidades codificadas en el genoma nuclear juegan un papel en la dimerización y estabilidad de la enzima. Las mutaciones en estas subunidades eliminan la función de la COX. ^{[ 11 ]}

Se sabe que el ensamblaje ocurre en al menos tres etapas distintas que determinan la velocidad de reacción. Se han encontrado los productos de estas etapas, aunque no se han determinado las composiciones específicas de las subunidades. ^{[ 11 ]}

La síntesis y el ensamblaje de las subunidades I, II y III de la COX se ven facilitados por activadores de la traducción, que interactúan con las regiones 5' no traducidas de los transcritos de ARNm mitocondriales. Los activadores de la traducción están codificados en el núcleo. Pueden operar mediante interacción directa o indirecta con otros componentes de la maquinaria de traducción, pero los mecanismos moleculares exactos no están claros debido a las dificultades asociadas con la síntesis de la maquinaria de traducción in vitro. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Aunque las interacciones entre las subunidades I, II y III codificadas dentro del genoma mitocondrial contribuyen en menor medida a la estabilidad de la enzima que las interacciones entre las subunidades bigenómicas, estas subunidades están más conservadas, lo que indica posibles funciones inexploradas para la actividad enzimática. ^{[ 18 ]}

La reacción general es

4 Fe ²⁺ – citocromo c + 4 H ⁺ + O ₂ → 4 Fe ³⁺ – citocromo c + 2 H ₂ O Δ G ^o ' = - 218 kJ/mol, E ^o ' = +565 mV

Dos electrones se transfieren desde dos citocromos c, a través de los sitios Cu _A y citocromo a hasta el centro binuclear citocromo a ₃ –Cu _{B , reduciendo los metales a la forma Fe} ²⁺ y Cu ⁺ . El ligando hidróxido se protona y se pierde como agua, creando un hueco entre los metales que es llenado por O ₂ . El oxígeno se reduce rápidamente, con dos electrones provenientes del Fe ²⁺ -citocromo a ₃ , que se convierte en la forma ferril oxo (Fe ⁴⁺ =O). El átomo de oxígeno cercano a Cu _B toma un electrón de Cu ⁺ , y un segundo electrón y un protón del hidroxilo de Tyr(244), que se convierte en un radical tirosilo. El segundo oxígeno se convierte en un ion hidróxido al tomar dos electrones y un protón. Un tercer electrón de otro citocromo  c pasa a través de los dos primeros transportadores de electrones al centro binuclear citocromo a₃ ^– CuB, y este electrón y dos protones convierten el radical tirosilo de nuevo en Tyr, y el hidróxido unido a CuB²⁺ _en una _{molécula de} agua. El cuarto electrón de otro citocromo c fluye a través de CuA _y el citocromo a hasta el centro binuclear citocromo _a₃ – _CuB , reduciendo el Fe⁴⁺ ⁼ O a Fe³⁺ ^, con el átomo de oxígeno captando un protón simultáneamente, regenerando este oxígeno como un ion hidróxido coordinado en el centro del centro citocromo a₃ _– CuB _como estaba al inicio de este ciclo. En total, cuatro citocromos c reducidos se oxidan mientras que el O₂ _y cuatro protones se reducen a dos moléculas de agua. ^{[ 4 ] : 841–5} 

La COX existe en tres estados conformacionales: totalmente oxidada (pulsada), parcialmente reducida y totalmente reducida. Cada inhibidor tiene una alta afinidad por un estado diferente. En el estado pulsado, tanto el hemo a ₃ como los centros nucleares Cu _B están oxidados; esta es la conformación de la enzima que presenta la mayor actividad. Una reducción de dos electrones inicia un cambio conformacional que permite que el oxígeno se una al sitio activo de la enzima parcialmente reducida. Cuatro electrones se unen a la COX para reducir completamente la enzima. Su estado totalmente reducido, que consiste en un Fe ²⁺ reducido en el grupo hemo del citocromo a ₃ y un centro binuclear Cu _B ⁺ reducido , se considera el estado inactivo o de reposo de la enzima. ^{[ 19 ]}

El cianuro , la azida y el monóxido de carbono ^{[ 20 ]} se unen a la citocromo  c oxidasa, inhibiendo el funcionamiento de la proteína y provocando la asfixia química de las células. Se necesitan concentraciones más altas de oxígeno molecular para compensar el aumento de las concentraciones del inhibidor, lo que conlleva una disminución general de la actividad metabólica en la célula en presencia de un inhibidor. Otros ligandos, como el óxido nítrico y el sulfuro de hidrógeno, también pueden inhibir la COX al unirse a sitios reguladores de la enzima, reduciendo la tasa de respiración celular. ^{[ 21 ]}

El cianuro es un inhibidor no competitivo de la COX, ^{[ 22 ] [ 23 ]} uniéndose con alta afinidad al estado parcialmente reducido de la enzima e impidiendo su posterior reducción. En el estado pulsado, el cianuro se une lentamente, pero con alta afinidad. Se postula que el ligando estabiliza electrostáticamente ambos metales a la vez al posicionarse entre ellos. Una alta concentración de óxido nítrico, como la añadida exógenamente a la enzima, revierte la inhibición de la COX por el cianuro. ^{[ 24 ]}

El óxido nítrico puede unirse reversiblemente ^{[ 25 ]} a cualquiera de los iones metálicos en el centro binuclear para oxidarse a nitrito. El NO y el CN− ^competirán con el oxígeno para unirse al sitio, reduciendo la tasa de respiración celular. Sin embargo, el NO endógeno, que se produce en niveles más bajos, aumenta la inhibición del CN− ^. Niveles más altos de NO, que se correlacionan con la existencia de más enzima en estado reducido, conducen a una mayor inhibición del cianuro. ^{[ 19 ]} A estas concentraciones basales, se sabe que la inhibición del Complejo IV por el NO tiene efectos beneficiosos, como el aumento de los niveles de oxígeno en los tejidos de los vasos sanguíneos. La incapacidad de la enzima para reducir el oxígeno a agua resulta en una acumulación de oxígeno, que puede difundirse más profundamente en los tejidos circundantes. ^{[ 25 ]} La inhibición del Complejo IV por el NO tiene un mayor efecto a concentraciones más bajas de oxígeno, aumentando su utilidad como vasodilatador en los tejidos que lo necesitan. ^{[ 25 ]}

El sulfuro de hidrógeno se une a la COX de forma no competitiva en un sitio regulador de la enzima, de manera similar al monóxido de carbono. El sulfuro tiene la mayor afinidad por los estados pulsado o parcialmente reducido de la enzima, y ​​es capaz de reducirla parcialmente en el centro hemo a _3. No está claro si los niveles endógenos de H₂S _son suficientes para inhibir la enzima. No existe interacción entre el sulfuro de hidrógeno y la conformación totalmente reducida de la COX. ^{[ 21 ]}

El metanol en el alcohol metilado se convierte en ácido fórmico , que también inhibe el mismo sistema oxidasa. Los altos niveles de ATP pueden inhibir alostéricamente  la citocromo c oxidasa, uniéndose desde dentro de la matriz mitocondrial. ^{[ 26 ]}

La citocromo c oxidasa tiene tres subunidades codificadas por el ADN mitocondrial ( subunidad I , subunidad II y subunidad III ). De estas tres subunidades, dos se han identificado en localizaciones extramitocondriales. En el tejido acinar pancreático , estas subunidades se encontraron en gránulos de zimógeno . Además, en la hipófisis anterior , se encontraron cantidades relativamente altas de estas subunidades en los gránulos secretores de la hormona del crecimiento . ^{[ 27 ]} La función extramitocondrial de estas subunidades de la citocromo c oxidasa aún no se ha caracterizado. Además de las subunidades de la citocromo c oxidasa, también se ha observado la localización extramitocondrial de un gran número de otras proteínas mitocondriales. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Esto plantea la posibilidad de que existan mecanismos específicos aún no identificados para la translocación de proteínas desde las mitocondrias a otros destinos celulares. ^{[ 27 ] [ 29 ] [ 30 ]}   

Los defectos que implican mutaciones genéticas que alteran la funcionalidad o la estructura de la citocromo c oxidasa (COX) pueden provocar trastornos metabólicos graves, a menudo mortales . Estos trastornos suelen manifestarse en la primera infancia y afectan predominantemente a tejidos con altas demandas energéticas (cerebro, corazón, músculo). Entre las numerosas enfermedades mitocondriales clasificadas , se cree que las que implican un ensamblaje disfuncional de la COX son las más graves. ^{[ 31 ]} 

La gran mayoría de los trastornos de la COX están relacionados con mutaciones en proteínas codificadas en el núcleo, denominadas factores de ensamblaje o proteínas de ensamblaje. Estos factores de ensamblaje contribuyen a la estructura y funcionalidad de la COX y participan en varios procesos esenciales, como la transcripción y traducción de subunidades codificadas en la mitocondria, el procesamiento de preproteínas y su inserción en la membrana, así como la biosíntesis e incorporación de cofactores. ^{[ 32 ]}

Actualmente, se han identificado mutaciones en siete factores de ensamblaje de COX: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 y LRPPRC . Las mutaciones en estas proteínas pueden provocar alteraciones en la funcionalidad del ensamblaje de subcomplejos, el transporte de cobre o la regulación traslacional. Cada mutación genética se asocia con la etiología de una enfermedad específica, y algunas tienen implicaciones en múltiples trastornos. Entre los trastornos que implican un ensamblaje disfuncional de COX debido a mutaciones genéticas se incluyen el síndrome de Leigh , la miocardiopatía , la leucodistrofia , la anemia y la sordera neurosensorial .

La mayor dependencia de las neuronas de la fosforilación oxidativa para obtener energía ^{[ 33 ]} facilita el uso de la histoquímica de COX para mapear el metabolismo cerebral regional en animales, ya que establece una correlación directa y positiva entre la actividad enzimática y la actividad neuronal. ^{[ 34 ]} Esto se puede observar en la correlación entre la cantidad y la actividad de la enzima COX, lo que indica la regulación de COX a nivel de la expresión génica. La distribución de COX es inconsistente en diferentes regiones del cerebro animal, pero su patrón de distribución es consistente en todos los animales. Este patrón se ha observado en el cerebro de monos, ratones y terneros. Se ha detectado consistentemente una isoenzima de COX en el análisis histoquímico del cerebro. ^{[ 35 ]} Este mapeo cerebral se ha realizado en ratones mutantes espontáneos con enfermedad cerebelosa como reeler ^{[ 36 ]} y en un modelo transgénico de la enfermedad de Alzheimer . ^{[ 37 ]} Esta técnica también se ha utilizado para mapear la actividad de aprendizaje en el cerebro animal. ^{[ 38 ]}

• 
  ETC
• 
  Complejo IV

• Subunidad I de la citocromo c oxidasa
• Subunidad II de la citocromo c oxidasa
• Subunidad III de la citocromo c oxidasa
• Hemo a

• Página principal de la citocromo oxidasa en la Universidad Rice.
• Modelo molecular interactivo de la citocromo c oxidasa (Requiere MDL Chime )
• Orientación de las proteínas en las membranas (familias/superfamilia 4) de la Universidad de Michigan
• Citocromo-c+oxidasa en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.