细胞色素c氧化酶
細胞色素c氧化酶（cytochrome c oxidase）是一種氧化還原酶，通用名為「細胞色素-c氧化酶」，系統名稱為「亞鐵細胞色素-c:氧氣氧化還原酶」（EC 1.9.3.1）。它是一種存在於細菌或粒線體上的大型跨膜蛋白複合物。由於細胞色素氧化酶是呼吸作用電子傳遞鏈的第四個中心酶複合物，因此又被稱為複合物IV（Complex IV）。
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細胞色素c氧化酶可以接受來自四個細胞色素c的四個電子，並傳遞到一個氧氣分子上，將氧氣轉化為兩個水分子。在這一進程中，它結合來自基質內的四個質子來製造水分子，同時跨膜轉運四個質子，從而有助於形成跨膜的質子電化學勢能差，而這一勢能差可以被三磷酸腺苷合酶用於製造生物體中最基本的能量分子ATP。
結構
細胞色素氧化酶複合物是一個大型蛋白質，位於粒線體內膜（inner-membrane）上，含有多個金屬輔因子和13個亞基（在哺乳動物細胞中）。其中，10個亞基是來自細胞核，而另外三個亞基則是在粒線體中合成。複合物還含有兩個血紅素、一個細胞色素a和細胞色素a3以及兩個銅中心（CuA和CuB）。[1]實際上，細胞色素a3和CuB形成了一個雙核心中心，作為氧氣的還原位點。細胞色素c被呼吸鏈複合物IV還原後，會結合到CuA雙核中心，並把一個電子傳遞給雙合中心，細胞色素c本身則恢復氧化狀態（細胞色素c上的鐵從+2價氧化到+3價）。被還原的CuA雙核中心再將一個電子通過細胞色素a傳遞給細胞色素a3-CuB雙核中心。在這一雙核中心上的兩個金屬離子相距4.5Å，並通過一個處於完全氧化狀態的氫氧根離子相連接。
對牛細胞色素氧化酶的結構研究顯示，它發生了特殊的翻譯後修飾，即其244位上的酪氨酸（Tyr244）的C6原子和240位上的組氨酸Nε原子被共價連接。這一修飾作用在細胞色素a3-CuB雙核中心接受4個電子來將氧氣還原為水分子的過程中發揮了重要作用。過去認為還原機制包括有一個可以導致超氧化物形成的過氧化物中間體。但現在普遍接受的機制是一個快速的四電子還原過程，包括迅速的氧-氧鍵剪切，以避免任何中間產物形成超氧化物的可能性。[2]
組裝
細胞色素氧化酶是由多個亞基和輔因子組成的，必須要通過組裝才能形成完成的活性分子。它的組裝位點被認為接近TOM／TIM複合體；在這一位置，複合物中間體可以與來自原生質中的亞基結合。血紅素和輔因子被插入到亞基I和II中。亞基I和IV可以啟動組裝。其他亞基可以先形成亞複合物中間體，然後再與亞基I和IV結合形成完整的細胞色素氧化酶。在組裝後修飾中，酶分子發生二聚化以獲得有效的酶活性。二聚體是通過一個心磷脂（cardiolipin）分子來連接。整個組裝機制的信息已經得到大量的揭示，[3] 但具體過程還有待進一步的研究。
生物化學性質
細胞色素氧化酶催化的整體反應是：
4 Fe2+-細胞色素c + 8 H+進 + O2 → 4 Fe3+-細胞色素c + 2 H2O + 4 H+出
整個催化過程[4] 如下：首先兩個電子從兩個細胞色素c分子通過CuA和細胞色素a傳遞到細胞色素a3-CuB雙核中心，將中心的金屬還原為Fe+2和Cu+1。連接兩個金屬離子的氫氧根在被質子化後生成水分子而被釋放，從而兩個金屬離子之間產生了一個空腔，這一空腔被一個氧氣分子所填充。氧氣分子與細胞色素a3中的鐵原子結合形成鐵氧結合形式（Fe+2-O2）。結合的氧很快被還原，其中一個氧原子與鐵形成Fe+4=O形式；而另一個接近CuB的氧原子接受來自Cu+1的一個電子和來自Tyr244上羥基的一個電子和一個質子，被轉化為一個氫氧根，同時Tyr244轉變為酪氨醯自由基。來自另一個細胞色素c分子的第三個電子通過相同的途徑被傳遞到細胞色素a3-CuB雙核中心，隨後這個電子和兩個質子將酪氨醯自由基重新還原為酪氨酸，並將結合在CuB+2上的氫氧根轉化為水分子。同樣來自細胞色素c分子的第四個電子在進入細胞色素a3-CuB雙核中心後，將Fe+4=O還原為Fe+3，同時氧原子接受一個質子轉變為一個氫氧根連接於細胞色素a3-CuB中心，從而整個循環回到起始狀態。整個反應過程淨利用了4個還原的細胞色素c分子（提供4個電子）、4個質子（消耗8個，產生4個），將一個氧氣分子還原為兩個水分子。
抑制劑
氰化物、硫化氫、疊氮化合物和一氧化碳[5] 都能夠與細胞色素氧化酶結合，並抑制其活性，從而造成細胞的「化學窒息」。
甲酸亦能夠抑制細胞色素氧化酶。
相關遺傳紊亂疾病
細胞色素氧化酶基因上的缺陷，包括突變，能夠導致嚴重的常常甚至是致命的代謝紊亂。這種紊亂通常出現在幼兒時代的早期，並且主要影響需要高能量的組織器官（腦、心臟、肌肉）。在許多分級的粒線體疾病中，與細胞色素氧化酶組裝缺陷的疾病被認為是最嚴重的。[6]
細胞色素氧化酶所造成的紊亂主要是與細胞核編碼的作為組裝因子的亞基蛋白上的突變相關。這些組裝因子對於酶複合物的結構和功能都是非常重要的，它們參與了多個關鍵的進程，包括粒線體編碼的亞基的轉錄和翻譯、對前體蛋白的剪切以及膜的插入、輔因子的生物合成以及插入。[7]
在病人體內發現的帶有突變的組裝因子有SURF1、SCO1、SCO2、COX10、COX15和LRPPRC。這些突變能夠導致亞複合物的組裝、銅的運輸或轉錄調控的功能發生改變。每一個基因突變都與一種特定疾病相關，其中一些還與多種紊亂疾病相關。由於基因突變引起的細胞色素氧化酶組裝缺陷相關的紊亂症包括Leigh症候群、心肌病（cardiomyopathy）、腦白質病（leukodystrophy）、貧血和感覺神經性耳聾。
參考資料
- ^ （英文）Tsukihara T., Aoyama H., Yamashita E., Tomizaki T., Yamaguchi H., Shinzawa-Itoh K., Nakashima R., Yaono R., Yoshikawa S.（1995）Structures of metal sites of oxidized bovine heart cytochrome c oxidase at 2.8 Å. Science 269, 1069-1074
- ^ （英文）Voet D., Voet JG (2004) Biochemistry, 3rd Edition. John Wiley & Sons, pps. 818-820
- ^ （英文）Carr HS, Winge DR. Assembly of cytochrome c oxidase within the mitochondrion. Acc Chem Res: 309–16. PMID 12755640.
- ^ （英文）Wikström, M. Proton Translocation by Cytochrome c Oxidase: A Rejoinder to Recent Criticism (PDF). Biochemistry: 3515–3519. [2009-01-10]. （原始內容存檔 (PDF)於2008-10-11）.
- ^ （英文）Alonso J, Cardellach F, López S, Casademont J, Miró O. Carbon monoxide specifically inhibits cytochrome c oxidase of human mitochondrial respiratory chain. Pharmacol Toxicol. 2003, 93 (3): 142–6. PMID 12969439. doi:10.1034/j.1600-0773.2003.930306.x.
- ^ （英文）Pecina, P., Houstkova, H., Hansikova, H., Zeman, J., Houstek, J. (2004). Genetic Defects of Cytocrhome c Oxidase Assembly. Physiol. Res. 53(Suppl. 1): S213-S223.
- ^ （英文）Zee, J.M., and Glerum, D.M. (2006). Defects in cytochrome oxidase assembly in humans: lessons from yeast. Biochem. Cell Biol. 84: 859-869.