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シトクロムc オキシダーゼ (cytochrome c oxidase, COX) または複 ふく 合体 がったい IV (Complex IV)またはcytochrome a3 は、バクテリア およびミトコンドリア で見 み られる膜 まく 貫通 かんつう タンパク質 たんぱくしつ 複 ふく 合体 がったい の一 ひと つである。
ミトコンドリア膜 まく (またはバクテリア膜 まく )における電子 でんし 伝達 でんたつ 系 けい の最後 さいご の酵素 こうそ であり、4分子 ぶんし のシトクロムc からそれぞれ電子 でんし を受 う け取 と り、酸素 さんそ 1分子 ぶんし に転移 てんい させ2分子 ぶんし の水 みず に変換 へんかん する機能 きのう を持 も つ。この過程 かてい では、マトリックス 由来 ゆらい の4個 こ のプロトンから水 みず が生成 せいせい されるのと同時 どうじ に4個 こ のプロトンがマトリックスから膜 まく 間 あいだ スペース に透過 とうか する。これにより発生 はっせい した膜 まく 間 あいだ の電気 でんき 化学 かがく ポテンシャル の差 さ がATP合成 ごうせい 酵素 こうそ によるATP合成 ごうせい に用 もち いられる。
複 ふく 合体 がったい IVは、哺乳類 ほにゅうるい では、いくつかの金属 きんぞく 補欠 ほけつ 分子 ぶんし 族 ぞく 部位 ぶい と13のタンパク質 たんぱくしつ サブユニット から構成 こうせい される巨大 きょだい な内在 ないざい 性 せい 膜 まく タンパク質 たんぱくしつ である。哺乳類 ほにゅうるい では、10個 こ のサブユニットは核 かく 由来 ゆらい で、残 のこ りの3個 こ はミトコンドリアで合成 ごうせい される。複 ふく 合体 がったい IVには2種 しゅ のヘム (ヘムa 、ヘムa 3 )、2種 しゅ の銅 どう 中心 ちゅうしん (CuA とCuB )が含 ふく まれている[ 1] 。2種類 しゅるい のヘム(ヘムa 、ヘムa 3 )とCuB はサブユニットIに位置 いち し、2個 こ のCuA はサブユニットIIに配 はい 位 い している。サブユニットIのヘムa 3 とCuB はそれぞれで二 に 核 かく 中心 ちゅうしん を形成 けいせい し、酸素 さんそ の還元 かんげん 部位 ぶい となっている。
シトクロムc は、複 ふく 合体 がったい III のシトクロムc 1 によって還元 かんげん された後 のち 、複 ふく 合体 がったい IVのCuA 二 に 核 かく 中心 ちゅうしん と結合 けつごう し、シトクロムc の鉄 てつ 中心 ちゅうしん はFe2+ からFe3+ に酸化 さんか される。還元 かんげん されたCuA 二 に 核 かく 中心 ちゅうしん はその電子 でんし をヘムa に送 おく り、さらにそこからヘムa 3 -CuB 二 に 核 かく 中心 ちゅうしん に送 おく られる。この二 に 核 かく 中心 ちゅうしん の2個 こ の金属 きんぞく イオンは4.5 Å離 はな れており、十分 じゅうぶん な酸化 さんか 状態 じょうたい の水酸化物 すいさんかぶつ イオンに配 はい 位 い している。
シトクロムc の結晶 けっしょう 学 がく 的 てき 研究 けんきゅう では、Tyr(244)のC6とHis(240)のε いぷしろん -Nが結合 けつごう するという独特 どくとく な翻訳 ほんやく 後 ご 修飾 しゅうしょく が見 み られた(ウシ亜 あ 科 か のクロムc オキシダーゼでの酵素 こうそ ナンバーリング)。これにより、ヘムa 3 -CuB 二 に 核 かく 中心 ちゅうしん が4電子 でんし を受 う け取 と って酸素 さんそ 分子 ぶんし を水 みず に還元 かんげん するという極 きわ めて重要 じゅうよう な役割 やくわり が可能 かのう になっている。以前 いぜん は、還元 かんげん 機構 きこう は過 か 酸化 さんか 物 ぶつ 中 ちゅう 間 あいだ 体 たい が関与 かんよ していると考 かんが えられ、それが超 ちょう 酸化 さんか 物 ぶつ の生成 せいせい に繋 つな がっていると考 かんが えられていた。しかし、現代 げんだい では、4電子 でんし 還元 かんげん によって酸素 さんそ -酸素 さんそ 結合 けつごう が開 ひらけ 裂 きれ する反応 はんのう 機構 きこう が支持 しじ されており、超 ちょう 酸化 さんか 物 ぶつ が形成 けいせい しそうな中 なか 間 あいだ 体 たい は避 さ けられている[ 2] 。
反応 はんのう の概要 がいよう :
4
{\displaystyle {\ce {4}}}
フェロシトクロム
c
+
8
H
+
in
+
O
2
⟶
4
{\displaystyle {\ce {c\ + 8H^+{}_{in}\ + O2 -> 4}}}
フェリシトクロム
c
+
2
H
2
O
+
4
H
+
out
{\displaystyle {\ce {c\ + 2H2O\ + 4H^+{}_{out}}}}
ここで、
フェロシトクロム
c
{\displaystyle {\ce {c}}}
=
Fe
2
+
−
{\displaystyle {\ce {Fe^{2+}{-}}}}
シトクロム
c
{\displaystyle {\ce {c}}}
フェリシトクロム
c
{\displaystyle {\ce {c}}}
=
Fe
3
+
−
{\displaystyle {\ce {Fe^{3+}{-}}}}
シトクロム
c
{\displaystyle {\ce {c}}}
まず、2個 こ の電子 でんし がシトクロムc から、CuA 二 に 核 かく 中心 ちゅうしん とヘムa を通過 つうか して、ヘムa 3 -CuB 二 に 核 かく 中心 ちゅうしん に至 いた り、このFe3+ はFe2+ に、Cu2+ はCu+ に還元 かんげん される。このときそれぞれの金属 きんぞく イオンに配 はい 位 い していたヒドロキシル配 はい 位 い 子 こ はプロトン化 か されて水 みず として失 うしな われ、金属 きんぞく 間 あいだ に酸素 さんそ 分子 ぶんし が入 はい る空間 くうかん が作 つく られる。酸素 さんそ はFe2+ -シトクロム c 由来 ゆらい の2電子 でんし により迅速 じんそく に還元 かんげん され、フェリオキソ型 がた (Fe+4 =O)に変換 へんかん される。CuB 側 がわ の酸素 さんそ 原子 げんし はCu+ からの1電子 でんし と、Tyr(244)の由来 ゆらい の1電子 でんし と1プロトンを受 う け取 と りヒドロキシ配 はい 位 い 子 こ に変換 へんかん される。このときTyr(244)はチロシルラジカルとなる。別 べつ のシトクロムc から発生 はっせい する3番目 ばんめ の電子 でんし は始 はじ めの2種 しゅ の電子 でんし キャリアーからヘムa 3 -CuB に至 いた り、この電子 でんし と2プロトンによりチロシルラジカルがチロシンに戻 もど り、そしてヒドロキシドはCuB 2+ に結合 けつごう し後 ご に水分 すいぶん 子 こ となる。同様 どうよう に4番目 ばんめ の電子 でんし も始 はじ めの2種 しゅ の電子 でんし キャリアーからヘムa 3 -CuB に至 いた ることによりFe+4 =OがFe+3 に還元 かんげん され、同時 どうじ に酸素 さんそ 原子 げんし がプロトンを受 う け取 と り、ヘムa 3 -CuB がこのサイクルの始 はじ めの状態 じょうたい に戻 もど る。まとめると、4分子 ぶんし の還元 かんげん 型 がた シトクロムc と4個 こ のプロトンが用 もち いられ酸素 さんそ 分子 ぶんし を2分子 ぶんし の水 みず に還元 かんげん していることになる。
シアニド 、スルフィド 、アジド および一酸化 いっさんか 炭素 たんそ [ 3] の全 すべ てがシトクロムc オキシダーゼに結合 けつごう し、拮抗 きっこう 的 てき 阻害 そがい を及 およ ぼし細胞 さいぼう を化学 かがく 的 てき な窒息 ちっそく 状態 じょうたい にさせる。また、メタノール (メチル化 か 剤 ざい )はホルムアルデヒド に変換 へんかん され、こちらも同 おな じように系 けい を阻害 そがい する。
^ 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
^ Voet D., Voet JG (2004) Biochemistry, 3rd Edition. John Wiley & Sons, pps. 818-820
^ Alonso J, Cardellach F, López S, Casademont J, Miró O (2003). “Carbon monoxide specifically inhibits cytochrome c oxidase of human mitochondrial respiratory chain”. Pharmacol Toxicol 93 (3): 142–6. doi :10.1034/j.1600-0773.2003.930306.x . PMID 12969439 .
複 ふく 合体 がったい I複 ふく 合体 がったい II複 ふく 合体 がったい III複 ふく 合体 がったい IV関連 かんれん 項目 こうもく