sitokrom c oksidase adalah kompleks protein enzimatik yang dapat menembus lapisan ganda lipid dari membran sel. Ini adalah hemolarut dan terutama terkait dengan membran bagian dalam mitokondria, ditemukan baik pada organisme prokariotik (bakteri) dan pada eukariota (uniseluler dan multiseluler).
Juga disebut kompleks IV, enzim ini sangat penting dalam fungsi metabolisme aerobik organisme, karena sangat penting dalam rantai transpor elektron di mana sel membakar gula dan menangkap bagian dari energi yang dilepaskan untuk menyimpan adenosin trifosfat atau ATP.
Model bola-dan-tongkat heme, dari sebuah molekul yang ditemukan dalam struktur kristal sitokrom c oksidase di jantung sapi. Diambil dan diedit dari: Benjah-bmm27 [Domain publik].
Nama sitokrom berarti “pigmen seluler”. Ini adalah protein darah yang membawa elektron. Sitokrom ditemukan oleh dokter Irlandia Charles Alexander MacMunn pada tahun 1884. MacMunn memelopori penemuan pigmen pernapasan dalam darah, yang sekarang disebut sitokrom 1.
Pada 1920-an, ahli entomologi dan parasitologi Rusia David Keilin menemukan kembali dan mengkarakterisasi pigmen pernapasan dan menamakannya sitokrom. Meskipun MacMunn telah menemukannya pada tahun 1884, komunitas ilmiah telah melupakannya dan beberapa bahkan salah mengartikan karyanya.
Indeks artikel
Karakteristik umum
Secara umum, pigmen pernapasan memiliki spektrum cahaya tampak yang khas. Diketahui bahwa setidaknya ada empat kompleks protein membran integral di mana ada 5 jenis sitokrom yang berbeda: a, a3, b, c1 dan c, diklasifikasikan menurut panjang gelombang serapan spektral maksimum.
Mereka umumnya ditemukan di membran dalam mitokondria. Namun, mereka juga telah diamati dalam retikulum endoplasma dan kloroplas, pada organisme eukariotik dan prokariotik.
Mereka menyajikan gugus prostetik heme yang mengandung besi (Fe). Setiap sitokrom yang diketahui bertindak dalam kompleks multienzim dalam pengangkutan elektron dalam proses atau rantai pernapasan.
Sitokrom memiliki fungsi berpartisipasi dalam reaksi oksidasi-reduksi. Reaksi reduksi, di mana mereka menerima elektron, terjadi secara berbeda untuk setiap jenis sitokrom, dan nilainya ditentukan oleh aliran elektron dalam rantai pernapasan.
-Sitokrom c
Empat kelas sitokrom c diketahui, yaitu sebagai berikut.
Kelas I
Di dalam kelas ini terdapat sitokrom c (putaran rendah) yang dapat larut, terdapat pada bakteri dan mitokondria. Mereka oktahedral. Situs pengikatan heme berada di ujung-N histidin dan ligan keenam disuplai oleh residu metionin di ujung-C.
Dari kelas ini, beberapa subkelas bahkan dapat dikenali, yang struktur tiga dimensinya telah ditentukan.
Kelas II
Sitokrom c spin tinggi dan beberapa sitokrom spin rendah ditemukan di kelas ini. Yang high-turn memiliki situs pengikatan dekat dengan C-terminus, dan di low-turn ligan keenam tampaknya menjadi residu metionin dekat N-terminus. Mereka terkoordinasi dengan histidin dari ligan kelima.
Kelas III
Kelas ini dicirikan dengan menghadirkan sitokrom c dengan banyak heme (c3 dan c7) dan potensi pereduksi oksidasi yang rendah, dengan hanya 30 residu asam amino per kelompok heme. Pada perwakilan kelas ini, gugus heme c memiliki struktur dan fungsi yang tidak setara, selain menghadirkan potensi redoks yang berbeda. Mereka oktahedral.
Kelas IV
Menurut beberapa penulis, kelas ini dibuat semata-mata untuk memasukkan protein kompleks yang dimiliki oleh kelompok prostetik lain, serta heme c, atau flavocytochrome c, antara lain.
Sitokrom c oksidase atau Kompleks IV
Sitokrom c oksidase adalah enzim mitokondria yang melakukan fase akhir transpor elektron dalam respirasi sel . Enzim ini mengkatalisis transpor elektron dari sitokrom c tereduksi ke oksigen.
Beberapa senyawa kimia seperti sianida, karbon dioksida dan azida, dapat menghambat fungsi enzim ini, menyebabkan apa yang disebut asfiksia kimia seluler. Bentuk lain dari penghambatan kompleks IV adalah mutasi genetik.
Dari sudut pandang evolusi, sitokrom c oksidase hanya ditemukan pada organisme aerobik, dan beberapa kelompok ilmuwan menyarankan bahwa keberadaan protein ini menunjukkan hubungan evolusioner di mana tanaman , jamur, dan juga hewan memiliki nenek moyang yang sama.
Struktur
Sitokrom c oksidase membentuk kompleks homodimer, yaitu, terdiri dari dua monomer serupa di membran dalam mitokondria. Kompleks enzim terdiri dari 3 hingga 4 subunit pada organisme prokariotik dan hingga maksimum 13 (beberapa menyarankan 14) polipeptida pada organisme seperti mamalia.
Dalam organisme ini 3 polipeptida berasal dari mitokondria dan sisanya berasal dari nukleus. Setiap monomer memiliki 28 heliks transmembran yang memisahkan domain hidrofilik terhadap matriks membran dan ruang antarmembran.
Ini memiliki unit katalitik tunggal, yang ditemukan di semua enzim yang mengkatalisis reaksi oksidasi / reduksi, menggunakan oksigen molekuler (oksidase, terutama heme-tembaga). Kompleks ini mengandung sitokrom a dan a3 yang dihubungkan oleh subunit I dan dua pusat tembaga.
Ia memiliki satu atau lebih gugus heme C yang terkait dengan struktur protein di sekitarnya oleh satu atau lebih (umumnya dua) ikatan tioeter. Penulis lain menyarankan bahwa ada satu kelompok heme C yang secara kovalen terkait dengan protein antara cincin porfirin dan dua residu sistein.
Satu-satunya gugus heme c yang disebutkan di atas dikelilingi oleh residu hidrofobik dan terkoordinasi secara heksa, dengan histidin pada posisi 18 dari rantai polipeptida dan metionin pada posisi 80.
Subunit sitokrom c oksidase F. Diambil dan diedit dari: Jawahar Swaminathan dan staf MSD di European Institute of Bioinformatics [Domain publik]
Fitur
Sitokrom c oksidase adalah protagonis dalam tiga mekanisme fisiologis utama, yang akan kita lihat di bawah.
Apoptosis atau kematian sel terprogram
Apoptosis adalah penghancuran atau kematian sel terprogram, yang disebabkan oleh organisme itu sendiri dan bertujuan untuk mengontrol pertumbuhan, perkembangan, penghapusan jaringan yang rusak dan pengaturan sistem kekebalan. Dalam proses fisiologis ini, sitokrom c oksidase berpartisipasi sebagai perantara.
Protein ini, yang dilepaskan oleh mitokondria, menyebabkan interaksi dengan retikulum endoplasma, yang menyebabkan sekresi atau pelepasan kalsium. Peningkatan progresif kalsium memicu pelepasan besar-besaran sitokrom c oksidase, sampai kadar kalsium sitotoksik tercapai.
Kadar kalsium sitotoksik dan pelepasan sitokrom c menyebabkan aktivasi kaskade beberapa enzim caspase, yang bertanggung jawab atas penghancuran sel.
Regenerasi sel atau jaringan
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa ketika sitokrom c oksidase terkena panjang gelombang 670 nanometer, ia berpartisipasi dalam kompleks fungsional yang menembus jaringan yang rusak atau terluka dan meningkatkan laju regenerasi sel.
Metabolisme energi
Ini mungkin merupakan fungsi sitokrom c oksidase yang paling dikenal dan paling relevan. Justru kompleks oksidase (dari rantai pernapasan) yang bertanggung jawab untuk mengumpulkan elektron dari sitokrom c dan mentransfernya ke molekul oksigen, mereduksinya menjadi dua molekul air.
Terhubung dengan proses ini, translokasi proton terjadi melalui membran, menghasilkan generasi gradien elektrokimia yang digunakan kompleks ATP sintetase untuk memproduksi atau mensintesis ATP (adenosin trifosfat).
Inhibitor
Sitokrom c oksidase dihambat oleh berbagai senyawa dan proses kimia. Cara terjadinya mungkin timbul sebagai cara alami untuk mengatur produksi atau kerja enzim, atau mungkin terjadi secara tidak sengaja karena keracunan.
Dengan adanya azida, sianida atau karbon monoksida, sitokrom c oksidase mengikat ini dan fungsi kompleks protein terhambat. Hal ini menyebabkan gangguan dalam proses pernapasan seluler dan dengan demikian menyebabkan mati lemas kimiawi sel.
Senyawa lain, seperti oksida nitrat, hidrogen sulfida, metanol, dan beberapa alkohol termetilasi, juga menyebabkan penghambatan sitokrom c oksidase.
Kekurangan
Sitokrom c oksidase adalah enzim yang dikendalikan oleh gen di nukleus dan mitokondria. Ada perubahan atau mutasi genetik yang dapat menyebabkan defisiensi sitokrom c oksidase.
Mutasi ini mengganggu fungsi enzim, karena mereka mengubah struktur enzimatiknya, membawa serta gangguan metabolisme selama perkembangan embrio (menurut penelitian pada manusia), yang nantinya akan mempengaruhi organisme pada tahun-tahun pertama kehidupannya.
Defisiensi sitokrom c oksidase mempengaruhi jaringan dengan kebutuhan energi tinggi, seperti jantung, hati, otak, dan otot. Gejala mutasi ini tercermin sebelum dua tahun kehidupan dan dapat bermanifestasi sebagai kondisi yang kuat atau ringan.
Gejala ringan dapat terlihat bahkan segera setelah usia tahun pertama, dan individu dengan gejala tersebut biasanya hanya mengalami penurunan ketegangan otot (hipotonia) dan atrofi otot (miopati).
Di sisi lain, individu dengan gejala yang lebih kuat mungkin memiliki atrofi otot dan ensefalomiopati. Kondisi lain yang disebabkan oleh tidak adanya sitokrom c oksidase adalah kardiomiopati hipertrofik, pembesaran hati yang patologis, sindrom Leigh, dan asidosis laktat.
Kegunaan dalam filogeni
Filogeni adalah ilmu yang bertanggung jawab untuk mempelajari asal usul, pembentukan, dan perkembangan evolusioner dari sudut pandang leluhur-keturunan organisme. Dalam beberapa dekade terakhir, studi filogeni dengan analisis molekuler semakin sering dilakukan, menghasilkan banyak informasi dan memecahkan masalah taksonomi.
Dalam pengertian ini, beberapa studi filogenetik menunjukkan bahwa penggunaan sitokrom c oksidase dapat membantu membangun hubungan evolusioner. Ini karena kompleks protein ini sangat terkonservasi dan terdapat dalam berbagai organisme, mulai dari protista bersel tunggal hingga vertebrata besar .
Contohnya adalah tes yang dilakukan dengan manusia, simpanse ( Pan paniscus ) dan kera Rhesus ( Macaca mulatta ). Tes tersebut mengungkapkan bahwa molekul sitokrom c oksidase manusia dan simpanse adalah identik.
Ini juga menunjukkan bahwa molekul sitokrom c oksidase kera Rhesus berbeda satu asam amino dari dua asam amino pertama, sehingga menegaskan kembali hubungan leluhur-keturunan antara simpanse dan manusia.
Referensi
- RP Ambler (1991). Variabilitas urutan sitokrom bakteri c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergi.
- Sitokrom c. Dipulihkan dari newworldencyclopedia.org.
- V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tortora (2015). Peran biologis sitokrom c: transpor elektron mitokondria, kematian sel terprogram, dan peningkatan aktivitas peroksida. Sejarah Fakultas Kedokteran.
- Subunit sitokrom c oksidase I. Diperoleh dari ebi.ac.uk.
- L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Sitokrom c Oksidase Subunit IV Penting untuk Perakitan dan Fungsi Pernapasan Kompleks Enzim. Jurnal Bioenergi dan Biomembran.
- Kelompok gen: Kompleks mitokondria IV: subunit sitokrom c oksidase (COX, MT-CO). Dipulihkan dari genenames.org.
- EF Hartree (1973). Penemuan sitokrom. Pendidikan Biokimia.
- Sitokrom c oksidase, defisiensi…. Dipulihkan dari ivami.com.
- CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biokimia. edisi ke-3. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.
