Citocromo c-oxidasa | |
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Identificadores | |
Código KF | 7.1.1.9 |
número CAS | 9001-16-5 |
Bases de datos de enzimas | |
IntEnz | vista IntEnz |
BRENDA | entrada BRENDA |
ExPASy | Vista de NiceZyme |
metaciclo | camino metabólico |
kegg | entrada KEGG |
PRIAM | perfil |
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
Ontología de genes | AmiGO • EGO |
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NCBI | Proteínas NCBI |
CAS | 9001-16-5 |
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La citocromo c-oxidasa ( citocromo oxidasa ) o citocromo c-oxígeno:oxidorreductasa , también conocida como citocromo aa 3 y complejo IV , es una oxidasa terminal de la cadena de transporte de electrones de la respiración aeróbica que cataliza la transferencia de electrones del citocromo c al oxígeno para formar agua [1] . La citocromo oxidasa está presente en la membrana mitocondrial interna de todos los eucariotas , donde comúnmente se le conoce como complejo IV, y también enmembrana celular de muchas bacterias aeróbicas [2] .
El complejo IV oxida secuencialmente cuatro moléculas de citocromo c y, aceptando cuatro electrones, reduce el O 2 a H 2 O. Cuando se reduce el O 2 , se capturan cuatro H + de la matriz mitocondrial para formar dos moléculas de H 2 O y cuatro más de H + son bombeados activamente a través de la membrana . Por lo tanto, la citocromo oxidasa contribuye a la creación de un gradiente de protones para la síntesis de ATP y forma parte de la vía de fosforilación oxidativa [3] . Además, este complejo multiproteico juega un papel clave en la regulación de la actividad de toda la cadena respiratoria y la producción de energía por parte de la célula eucariota [4] .
La citocromo oxidasa fue descubierta por el médico y científico irlandés C. A. McMann , quien en 1885 describió cambios reversibles en el espectro de absorción a una longitud de onda de 605 nm que ocurren durante la oxidación en células animales, que es una firma espectral característica de la citocromo oxidasa. Sin embargo, su trabajo fue criticado por los influyentes fisiólogos Goppe-Seyler y Levy, quienes postularon que McMann simplemente estaba observando la absorción de los productos de descomposición de la hemoglobina . Como resultado, la investigación sobre esta enzima cesó durante más de 30 años, hasta que Hans Fischer confirmó los resultados de McMann en 1923 [5] [6] [7] .
El científico alemán Otto Warburg continuó con más investigaciones sobre esta enzima . En su trabajo, inhibió la respiración en una suspensión de levadura con CO y luego obtuvo espectros de absorción eliminando la inhibición al irradiar con un haz coherente de luz con diferentes longitudes de onda . De los datos obtenidos se deduce que la enzima inhibida es una hemoproteína en la que el hemo forma un complejo con el CO [8] [9] . Warburg conectó una proteína nueva y desconocida con la función de la respiración celular y le aplicó el término Atmungsferment , o "enzima respiratoria", que utilizó desde 1924. El trabajo se publicó en 1929, y en 1931 Warburg recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por él con el texto "por el descubrimiento de la naturaleza y el mecanismo de acción de la enzima respiratoria" [5] .
El científico británico David Keilin hizo una contribución significativa a la comprensión de la naturaleza del complejo IV . En 1939, en colaboración con E. F. Hartree, descubrió un citocromo previamente desconocido, llamado 3 , que tenía la capacidad de oxidar el citocromo c . El nuevo citocromo tenía el mismo espectro de absorción que la misteriosa enzima respiratoria de Warburg y también era inhibido por el CO y el KCN [10] . En su trabajo, Kaylin acuñó el nombre de citocromo c-oxidasa, propuesto por Malcolm Dixon en 1928 [11] . Warburg y Kaylin discutieron durante mucho tiempo sobre la naturaleza de la ciocromo oxidasa: Warburg creía que solo el hierro podía ser un cofactor de esta enzima , mientras que Kaylin creía que era una proteína que contenía cobre . Con el paso de los años, resultó que ambos grandes científicos tenían razón: la citocromo oxidasa contiene tanto hemo que contiene hierro como átomos de cobre [12] .
El mecanismo de unión del oxígeno por la citocromo oxidasa fue estudiado por el bioquímico estadounidense Britton Chance , quien a mediados de la década de 1970, utilizando técnicas avanzadas de RMN y espectroscopia a bajas temperaturas, descubrió un complejo enzima- sustrato de la citocromo oxidasa, un aducto de hemo a 3 con oxígeno molecular [11] .
En 1977, el científico finlandés Martin Wikström demostró que la citocromo oxidasa bombea protones a través de la membrana en el curso de su trabajo [13] , lo que durante mucho tiempo no pudo ser aceptado por el creador de la hipótesis quimiosmótica , Peter Mitchell . Sin embargo, la acumulación de datos experimentales testificó a favor de la corrección de Wikström, y más tarde Mitchell admitió su error [5] [14] .
Los primeros intentos de aislar la enzima se realizaron a partir de 1941: dado que aún no se habían desarrollado procedimientos para el aislamiento de proteínas de membrana grandes, se tuvo que hacer prueba y error. Los primeros procedimientos de aislamiento utilizaban sales biliares , lo que provocaba grandes pérdidas de actividad. La aparición de los detergentes no iónicos como Triton X-100 provocó un nuevo auge en este ámbito entre 1966 y 1974 y permitió obtener los primeros preparados puros [15] . La primera estructura tridimensional con resolución atómica del complejo apareció un poco más tarde, en 1995 [5] .
El complejo IV de las mitocondrias de mamíferos y aves [16] consta de 13 subunidades de proteínas , tres de las cuales tienen actividad catalítica, se unen a cofactores y están codificadas por genes mitocondriales (la excepción es la subunidad III en Chlamydomonas reinhardtii y Polytomella sp , que está codificado en el núcleo [17] ). Las diez subunidades restantes están codificadas en el ADN del núcleo [18] [19] . En 2012 se informó del descubrimiento de la subunidad 14 [20] , pero luego fue refutada [21] . En la membrana mitocondrial, el complejo existe como un homodímero , y cada monómero consta de 13 subunidades. El peso molecular de dicho dímero aislado de mitocondrias bovinas es de aproximadamente 350 kDa [22] . Los pocos monómeros que se encuentran en la membrana tienen el doble de actividad catalítica [16] .
En S. cerevisiae , el complejo IV consta de solo 11 subunidades, pero las subunidades que faltan en el complejo bovino son pequeñas proteínas periféricas, por lo que la citocromo oxidasa de levadura no es significativamente diferente de la de los mamíferos [23] [19] . Se sabe mucho menos sobre el complejo IV en las plantas , y hasta el día de hoy sigue siendo uno de los complejos de mitocondrias vegetales más inexplorados. Experimentos recientes para aislarlo de Arabidopsis y estudiarlo mediante electroforesis azul nativa mostraron que parece constar de ocho subunidades similares a las del complejo IV de otros eucariotas, y seis subunidades específicas de plantas adicionales. Una separación menos precisa del complejo IV de papas y frijoles dio un patrón de bandas similar al de Arabidopsis: se puede decir con seguridad que su complejo IV consta de al menos 9-10 subunidades [24] . Los complejos bacterianos existen en la membrana como monómeros y constan de 3 a 4 subunidades , tres de las cuales son homólogas a tres subunidades eucariotas codificadas en las mitocondrias [22] [19] [4] .
Tres grandes subunidades del complejo (I-III), homólogas a las bacterianas, portan todos los cofactores necesarios y realizan las principales reacciones de catálisis asociadas, entre otras cosas, a la transferencia de protones. Las pequeñas subunidades nucleares ubicadas en la periferia no participan en este proceso. Actualmente, solo se conocen funciones específicas para cuatro subunidades nucleares (IV, Va, VIa-L, VIa-H), pero es obvio que todas ellas juegan un papel en el ensamblaje, dimerización y regulación de la actividad del complejo. [23] . El núcleo del complejo IV tiene una actividad catalítica extremadamente alta, que es suprimida por subunidades nucleares auxiliares estrechamente asociadas con él, lo que es especialmente importante para la regulación de toda la respiración en su conjunto. En los vertebrados, muchas de estas subunidades están representadas por varias isoformas específicas de tejido , cada una codificada por un gen separado . La expresión de cada isoforma depende del tipo de tejido , la etapa de desarrollo del organismo y puede cambiar dependiendo de las condiciones externas, lo que le permite regular claramente el suministro de energía de varios órganos y tejidos [16] .
La aparición de una amplia variedad de subunidades nucleares después de la duplicación de todo el genoma en los vertebrados coincide aproximadamente con la pérdida de una oxidasa alternativa , que proporcionó una ruta alternativa para los electrones al oxígeno, sin pasar por el complejo IV. El papel de estas subunidades ha aumentado especialmente desde que las células de los mamíferos han perdido la capacidad de cambiar entre diferentes oxidasas terminales, como ocurre en las procariotas. Por ejemplo, E. coli tiene dos quinona oxidasas terminales; con un contenido normal de oxígeno, expresa predominantemente el citocromo bo 3 , y con un contenido bajo de oxígeno, cambia al citocromo bd , que tiene una mayor afinidad por el oxígeno, pero no bombea protones. Obviamente, en tales condiciones, las subunidades nucleares asumieron la función de controlar la actividad de toda la fosforilación oxidativa en función del nivel de oxígeno [25] .
La subunidad Va se une específicamente a la hormona tiroidea 3,5-diyodotironina , pero no interactúa con la tiroxina o la triyodotironina . Como resultado de esta interacción, el ATP deja de inhibir alostéricamente el complejo IV. Este mecanismo explica el efecto estimulante a corto plazo de las hormonas tiroideas sobre el metabolismo de los mamíferos [26] [16] .
En los mamíferos, la subunidad IV-2 se expresa principalmente en el cerebro y los pulmones , y en otros tejidos su síntesis se induce en condiciones de hipoxia . En los peces, esta isoforma se expresa más fuertemente en las branquias [25] . Aunque todos los vertebrados tienen una copia de ambas isoformas de la subunidad IV, la activación de la expresión IV-2 en respuesta a la falta de oxígeno ocurre solo en mamíferos y está ausente en peces y reptiles , y en aves el gen COX4-2 que codifica la isoforma IV-2 no es funcional [27] . Los ratones knockout para el gen IV-2 tenían dificultad para contraer las vías respiratorias , niveles reducidos de ATP en los pulmones y, con la edad, aparecieron patologías del sistema respiratorio, incluidos los cristales de Charcot-Leiden . Estos datos experimentales indican la importancia de la isoforma IV-2 para el funcionamiento normal de los pulmones de los mamíferos [16] .
Para las subunidades VIa-L y VIa-H fue posible determinar funciones específicas. Resultó que la capacidad de bombeo de protones (H + /e - estequiometría ) del complejo riñón - hígado disminuyó de 1 a 0,5 a bajas concentraciones de ácido palmítico libre , lo que no ocurrió con el complejo corazón - músculo IV que contenía el VIa-H isoforma. La importancia fisiológica hipotética de este proceso es mejorar la termogénesis y mantener la temperatura corporal en todos los tejidos excepto en el músculo en respuesta al palmitato libre. La subunidad VIa-H del corazón y los músculos estimula el trabajo del complejo uniendo ADP y viceversa, reduce la estequiometría H + /e - a una relación ATP/ADP alta. La importancia fisiológica de esta función es aumentar la termogénesis en los músculos durante el sueño o el descanso, cuando se reduce el consumo de ATP y la relación ATP/ADP permanece alta. La subunidad VIa-H está ausente en los peces [16] .
Subunidad [K 1] | isoforma | Proteína | Descripción [K 2] |
---|---|---|---|
yo | - | Cox1 | Se une al hemo a , al hemo a 3 , al centro Cu B , tiene canales de protones. |
Yo | - | Cox2 | Se une al centro Cu A , interactúa con el citocromo c . |
tercero | - | Cox3 | Estabiliza el transporte de protones . |
IV | IV-1 IV-2 |
cox41 | Proporciona inhibición alostérica de ATP. |
cox42 | Se expresa principalmente en los pulmones , la placenta y el cerebro , y es inducida por hipoxia . Posiblemente inhibición de ATP dependiente de O 2 . | ||
Virginia | - | Cox5a | Se une a la 3,5-diyodotironina , lo que da como resultado la eliminación de la inhibición de ATP. |
Vb | - | cox5b | Se une a Zn 2+ . |
A través de | VIa-L VIa-H |
Cox6a1 | isoforma hepática. Se expresa en todos los tejidos excepto en el músculo esquelético y el corazón . Reduce la estequiometría H + /e− de 1 a 0,5 en presencia de palmitato . |
Cox6a2 | isoforma cardíaca. Expresado en el corazón y el músculo esquelético . Reduce la estequiometría H + /e− de 1 a 0,5 a relaciones ATP / ADP altas . | ||
vib | VIb-1 VIb-2 |
Cox6b1 | En todos los tejidos. Proporciona dimerización del complejo. |
Cox6b2 | Específico para testículos . Puede aumentar la frecuencia respiratoria. | ||
VIc | - | cox6c | En todos los tejidos. |
VIIa | VIIa-L VIIa-H VIIa-R SIG81 |
Cox7a2 | Se expresa en todos los tejidos excepto en el músculo esquelético y el corazón . |
cox7a1 | Expresado en el corazón y el músculo esquelético . | ||
Cox7a3 | - | ||
Cox7A2L | - | ||
VIIb | VIIb-1 VIIb-2 |
Cox7b | En todos los tejidos. |
Cox7b2 | Específico para testículos . Puede aumentar la frecuencia respiratoria. | ||
VIIc | - | Cox7c | En todos los tejidos. |
viii | VIII-L VIII-H VIII-3 |
Cox8a | En todos los tejidos. |
cox8b | Expresado en músculo esquelético y grasa parda . En humanos, se ha convertido en un pseudogen . | ||
Cox8c | - |
Los cofactores del complejo IV están ubicados en dos grandes unidades, I y II, incrustadas en la membrana. La subunidad I forma doce hélices α transmembrana y contiene tres centros redox: hemo a ( potencial redox + 0,22 V [1] ) y el llamado centro binuclear a 3 -Cu B , que incluye hemo a 3 y un átomo de cobre CuB . El hemo a y a 3 son químicamente idénticos, pero el hierro del hemo a tiene seis coordenadas, ya que forma seis enlaces de coordinación con los cuatro átomos de nitrógeno de los anillos de pirrol y dos átomos de nitrógeno de los residuos de histidina cercanos , mientras que en el hemo a 3 forma solo cinco enlaces de coordinación, lo que hace que el sexto enlace esté disponible para unirse con el oxígeno molecular . Frente al hierro hemo a 3 hay un átomo de cobre Cu B ligado con tres residuos de histidina. Aunque no existen elementos de unión entre el hierro y el cobre del centro binuclear, se observa una fuerte conjugación antiferromagnética entre ellos [28] . El potencial redox del centro binuclear es de aproximadamente +0,24 V [1] .
Los estudios cristalográficos revelaron una modificación postraduccional inusual de la subunidad I: la histidina-240 [K 3] está unida covalentemente a través de su átomo de nitrógeno en la posición tau al meta - carbono del anillo de benceno de la tirosina - 244. Este residuo de tirosina suministra un electrón y un protón para reducir el oxígeno y formar un radical neutro . Además, el enlace covalente crea un anillo pentamérico de aminoácidos , cuyo residuo de glutamato es un componente importante del transporte de protones [23] .
La subunidad II tiene un centro de Cu A ( potencial redox = − 0,70 V [1] ), que consta de dos átomos de cobre conectados directamente por un enlace covalente. Está ligado con seis residuos de aminoácidos: dos residuos de cisteína , dos residuos de histidina, un residuo de metionina y un péptido carboxilo de ácido glutámico . Funciona como un portador de un electrón [28] .
El análisis de difracción de rayos X y la mutagénesis específica del sitio de la subunidad I revelaron las vías por las que los protones pueden penetrar en el complejo y atravesar la membrana. Estas vías se denominan canales D, K y H. Los canales revestidos con residuos de aminoácidos polares contienen un número diferente de moléculas de agua. El ion Mg 2+ que se encuentra en el complejo puede ser justo lo que se necesita para estabilizar estas moléculas. Se supone que el canal K conecta la fase acuosa de la matriz con el centro binuclear y sirve para entregar los protones "sustrato" necesarios para la formación de agua a partir de oxígeno. El canal D parece formar un camino pasante, y tanto los protones del "sustrato" como los protones bombeados a través de la membrana pueden atravesarlo. En eucariotas, se ha encontrado un canal H adicional, que probablemente también sea de extremo a extremo [23] [29] .
La reacción global catalizada por el complejo se describe mediante la siguiente ecuación:
4cit. c 2+ + O 2 + 8H + en → 4cyt. c 3+ + 2H 2 O + 4H + fueraSe conoce la trayectoria de un electrón en el complejo. El citocromo c se une a la subunidad II mediada por las subunidades I, III y VIb y restaura el centro Cu A ubicado cerca de la superficie de la membrana. Desde el centro Cu A , el electrón se dirige al hemo a y luego al centro binuclear a 3 -Cu B ubicado en el espesor de la membrana. Es en el centro binuclear donde el O 2 se une y se reduce a H 2 O [3] . Dado que el oxígeno tiene una alta afinidad electrónica, libera una gran cantidad de energía libre en el proceso de reducción a agua . Debido a esto, los organismos aeróbicos pueden recibir mucha más energía de la que pueden producir exclusivamente por medios anaeróbicos .
El mecanismo de reducción de oxígeno ha sido durante mucho tiempo objeto de un intenso estudio, pero no está del todo claro. El ciclo catalítico de la citocromo oxidasa consta de seis etapas, indicadas por A (aducto, English Adduct ) [30] , P (peroxi intermedio del inglés Peroxy intermedio ), F (ferriloxo intermedio del inglés Ferryl-oxo intermedio ) [30] , O H (estado de alta energía totalmente oxidado del estado de alta energía completamente oxidado en inglés ), E (estado reducido de un electrón del estado reducido en inglés de un electrón ) y R (estado reducido del estado reducido en inglés ) y así llamado después del estado del centro binuclear [31 ] . Cabe señalar que la nomenclatura de estados catalíticos está considerablemente desactualizada, no siempre refleja el estado químico real del centro binuclear y se conserva en gran parte por razones históricas. Por ejemplo, en la etapa P , el oxígeno en el centro binuclear no está para nada en forma de peróxido , como se creía hace 30 años, sino en estado de oxoferril, donde el enlace entre los átomos de oxígeno ya está roto [30] . De acuerdo con los conceptos modernos, la reducción de oxígeno en la citocromo c oxidasa se produce mediante una reducción rápida y completa con transferencia de electrones por pares, lo que excluye la formación de especies reactivas de oxígeno . Ocurre la siguiente secuencia de eventos [30] [32] [33] :
Se sabe que la citocromo oxidasa eucariótica transfiere un protón a través de la membrana por cada electrón recibido del citocromo c . A la vez, el complejo bombea un protón de "sustrato", utilizado para formar agua, a través del canal K y transfiere un protón adicional a través de la membrana a través del canal D. Durante un ciclo catalítico, el evento de translocación ocurre en cuatro etapas relativamente estables: P M , F , OH y EH . _ _
El mecanismo exacto del transporte de protones aún no está claro: en los últimos años, se han propuesto muchos modelos en los que se ha intentado describir este proceso en detalle [33] . Tampoco está claro cómo se lleva a cabo la conjugación de la energía del electrón con el movimiento de los protones. Sin embargo, en general se puede describir de la siguiente manera [31] :
La biogénesis del complejo IV es un proceso muy complejo y bien regulado, que ha sido objeto de intenso estudio durante mucho tiempo. En el ensamblaje del complejo intervienen más de una veintena de factores auxiliares codificados en el núcleo, así como proteínas que insertan en él los hemos a , a 3 y átomos de cobre. Esto también incluye al menos 15 proteínas activadoras de la traducción de las subunidades mitocondriales responsables de la transcripción y empalme correctos del ARNm y la activación de la traducción , translocasas especiales necesarias para el transporte de subunidades nucleares a las mitocondrias, así como enzimas para la biosíntesis de cofactores [34] . Además de los factores de ensamblaje especiales, la biogénesis del complejo IV requiere un número considerable de proteínas con alta especificidad, incluidas las peptidasas dependientes de ATP responsables del procesamiento de propéptidos [16] .
La regulación postraduccional de la actividad del complejo IV no es menos compleja y se logra de muchas maneras diferentes. Estos incluyen la fosforilación de subunidades , la unión reversible de algunas subunidades periféricas, la regulación mediante el uso de ciertas isoformas de subunidades nucleares, que depende de la etapa de desarrollo y el tipo de tejido, la regulación alostérica por ATP y ADP en diez sitios de unión (en la citocromo oxidasa de mamíferos) , complejo de mono y dimerización, así como su interacción con otros complejos respiratorios con la formación de respirasas [16] .
La fosforilación de las subunidades del complejo es de particular importancia, ya que vincula su actividad con la acción de las cascadas reguladoras de la célula y el trabajo del ciclo de Krebs . La fosforilación y la desfosforilación provocan efectos tales como la liberación de la inhibición a través del ATP durante momentos de estrés o el desencadenamiento de la apoptosis . En total, se encontraron 18 posiciones de fosforilación en el complejo, pero no se ha determinado la función exacta de fosforilación para cada una de estas posiciones [16] .
La citocromo oxidasa pertenece a la superfamilia de proteínas de las oxidorreductasas de hemo-cobre (en la clasificación de enzimas se transfirió a la clase 7 - translocasas), que incluye la mayoría de las oxidasas terminales conocidas actualmente , así como reductasas de óxido nítrico (II ) , que catalizan la reducción de dos electrones de NO a N 2 O para formar agua. Todos los representantes de esta superfamilia se caracterizan por la presencia de la subunidad I con una estructura terciaria conservativa , un hemo de espín bajo y un centro binuclear de un átomo de cobre y un hemo de espín alto. Los miembros de la superfamilia se subdividen en familias según el tipo de hemo, la presencia de cofactores adicionales, la secuencia de aminoácidos, la estructura terciaria y el número de subunidades, el tipo de sustrato que se oxida y la estructura de los canales de transferencia de protones o su ausencia. [35] . La presencia de subunidades adicionales que llevan más hemos o átomos metálicos (o la ausencia total de ellos) permite que estas enzimas reciban electrones de varios tipos de sustratos: varios transportadores de membrana como quinonas , citocromos solubles en agua o proteínas azules de unión a cobre . 36] .
La familia A es la familia más grande y más estudiada de todas las hemo-oxidorreductasas de cobre. Se caracteriza por la composición de hemos del tipo aa 3 o caa 3 . Los representantes de esta familia suelen constar de tres subunidades: I, II y III, que son homólogas a las subunidades del miembro típico de la familia, la citocromo c oxidasa mitocondrial. Poseen al menos dos canales de protones, D y K, y translocan protones con estequiometría H + / e- . La citocromo c oxidasa de mamíferos pertenece a la subfamilia A 1 , junto con las citocromo oxidasas de P. denitrificans y R. sphaeroides [37] .
Las oxidasas de la familia B constan de tres subunidades: I, II y IIa. La subunidad IIa es la única cadena transmembrana similar en estructura a la segunda cadena transmembrana de la subunidad II de la familia A. Tienen solo un canal de protones alternativo K, la estequiometría de transferencia de protones es 0.5-0.75 H + /e - [36] [38] [ 39] . Un conjunto de hemos del tipo ba 3 , b(o)a 3 y aa 3 [35] es típico .
La familia C incluye solo oxidasas terminales del tipo cbb 3 . Tienen una subunidad adicional que puede unirse a uno o dos hemos c [35] . Esta es la segunda familia más grande de reductasas de oxígeno (24 %) después de la familia A (71 %) [36] . Existe un canal K alternativo, que difiere en estructura del canal K de las reductasas de la familia B. La estequiometría de la transferencia de protones es 0,2-0,4 H + /e- , pero según otros datos 0,6-1 [35] . Esta familia se encuentra solo entre las bacterias, ya que la mayoría de las arqueas no pueden sintetizar el hemo c [36] .
Con base en análisis bioinformáticos, se propuso aislar pequeñas familias D, E, F, G y H, que están representadas solo en arqueas y son extremadamente diversas. En el sistema clásico, todas estas familias están incluidas en la familia B, pero la gran diversidad de su estructura primaria habla a favor de separarlas en familias separadas [36] .
Recientemente se han encontrado fuera de las mitocondrias tres subunidades centrales de citocromo c oxidasa codificadas en el genoma mitocondrial. Se encontraron en gránulos zimógenos de ácinos pancreáticos . Se han encontrado concentraciones relativamente altas de estas subunidades en los gránulos secretores junto con la hormona del crecimiento en la hipófisis anterior [40] . Las funciones de estas subunidades fuera de la mitocondria aún no se han determinado. Además de las subunidades de citocromo c oxidasa, se han encontrado muchas otras proteínas mitocondriales fuera de las mitocondrias [41] [42] . En relación con estos hallazgos, se planteó la hipótesis de la existencia de un mecanismo desconocido para el transporte de proteínas desde la mitocondria a otros compartimentos celulares [40] [42] [43] .
Los cianuros , sulfuros , azidas , monóxido de carbono y monóxido de nitrógeno [44] se unen al centro binuclear oxidado o reducido de la enzima y compiten con el oxígeno, inhibiendo la enzima, lo que conduce a la muerte celular por asfixia química . El metanol , que forma parte del alcohol industrial , se convierte en el cuerpo en ácido fórmico , que también puede inhibir la citocromo oxidasa [45] .
Las mutaciones que afectan la actividad enzimática o la estructura de la citocromo c oxidasa conducen a trastornos metabólicos graves y generalmente fatales. Estos trastornos suelen aparecer en la primera infancia y afectan predominantemente a los tejidos con alto consumo de energía ( cerebro , corazón, músculos). Entre las muchas enfermedades mitocondriales , las enfermedades asociadas con disfunción o ensamblaje anormal de la citocromo oxidasa se consideran las más graves [46] .
La gran mayoría de las disfunciones de la citocromo oxidasa están asociadas a mutaciones en los factores de ensamblaje de este complejo codificado en el núcleo. Aseguran el correcto ensamblaje y funcionamiento del complejo y están involucrados en varios procesos vitales, incluida la transcripción y traducción de las subunidades mitocondriales, el procesamiento de propéptidos y su incorporación a la membrana, así como la biosíntesis de cofactores y su fijación en el complejo [47]. ] .
Hasta la fecha, se han identificado mutaciones en siete factores de ensamblaje: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , COX20 , COA5 y LRPPRC . Las mutaciones en estas proteínas pueden provocar cambios en el funcionamiento del complejo, ensamblaje incorrecto de subcomplejos, interrupción del transporte de cobre o regulación de la traducción. Una mutación en cada uno de los genes está asociada con la etiología de una enfermedad particular, algunas de las cuales pueden conducir a múltiples trastornos. Dichos trastornos genéticos incluyen el síndrome de Leigh , la miocardiopatía , la encefalopatía , la leucodistrofia , la anemia y la pérdida auditiva neurosensorial [47] .
La tinción histoquímica del complejo IV se utiliza para mapear áreas metabólicamente activas del cerebro de los animales, ya que existe una relación directa entre la actividad de esta enzima y la actividad de toda la neurona [48] . Dicho mapeo se llevó a cabo en ratones mutantes con diversos trastornos del cerebelo , en particular en ratones de la línea carretera [49] y en un modelo transgénico de la enfermedad de Alzheimer [50] . Esta técnica también se ha utilizado para mapear áreas del cerebro animal que están activas durante el aprendizaje [51] .
La secuencia de la región del gen de la subunidad I de la citocromo c oxidasa (alrededor de 600 nucleótidos de largo) se usa ampliamente en proyectos relacionados con el código de barras del ADN , es decir, determinar si un organismo pertenece a un taxón particular en función de marcadores cortos en su ADN [52] [53] .