příchodem aerobní biologie byl vyhlášen asi před dvěma miliardami let, kdy primitivní sinic vyvinuly schopnost photooxidize vody. Kyslík byl uvolňován jako odpadní produkt a atmosférické hladiny O2 rychle vzrostly. Tato rychlá změna na kyslíkovou atmosféru zavedla ničivou znečišťující látku, ale nakonec se vyvinuly organismy, které využily silné hnací síly pro redukci O2. Enzym aktivní weby, které jsou schopné vázat a aktivovat kyslík vyvinul, a nové třídy biochemie že používat O2 jako termodynamické dřez řídit, v opačném případě nepříznivé reakce, stalo se možné. Účinnost metabolismu potravin se dramaticky změnila. Množství ATP, které by mohlo být produkováno například metabolizací glukózy aerobně, se zvýšilo téměř 20krát. Eukaryoty se objevily krátce po kyslíkové atmosféře a nakonec byly následovány různorodou řadou mnohobuněčných organismů, které dnes existují. V naší aerobní biochemii se O2 používá v množství syntetických reakcí, které jsou zásadní pro téměř všechny aspekty růstu, vývoje a reprodukce buněk.
navzdory své biochemické všestrannosti se však > 95% kyslíku, který konzumujeme, používá při dýchání. Vysokoenergetické elektrony získané z potravy procházejí mitochondriálním elektronovým transportním řetězcem v řadě exergonických redoxních reakcí. Tyto energeticky sjezdové elektronové přenosy se používají k vývoji chemisosmotického protonového gradientu, který nakonec produkuje ATP. Kyslík je konečný elektronový akceptor v tomto dýchacích kaskády, a jeho snížení na vodu se používá jako prostředek k jasné mitochondriální řetězec low-energie, strávil elektrony. Enzym, který katalyzuje tento proces, cytochrom oxidáza, pokrývá mitochondriální membránu. To se váže, aktivuje, a snižuje až 250 molekul O2 za sekundu a páry energie uvolněná při tomto procesu translokace protonů, které přispívají k chemiosmotická gradientu. Mechanismus, kterým cytochrom oxidáza katalyzuje tuto pozoruhodnou chemii, byl intenzivně studován. Výsledky zjištěné v této otázce Fabian, Wong, Gennis, a Palmer poskytnout nový vhled do tohoto procesu a podporovat rostoucí představa, že sjednocující koncepty existují za to, jakým způsobem kyslíku-využitím enzymy aktivovat O2 pro O⩵Ó, pouto štěpení a redukce (1).
ke snížení O2 v cytochromoxidáze dochází za závažných omezení. Proces probíhá s malým nadpotenciálem, uvolňování částečně redukovaných toxických meziproduktů kyslíku z aktivního místa je minimalizováno a volná energie dostupná v redukci O2 je spojena s vysokou účinností na translokaci protonů (2, 3). Enzym působí v rámci těchto omezení pomocí hemové Fe, tzv. hem a3 a měděných iontů, nazývá Mládě, v binuclear centrum, v němž O2 se váže a je snížena (viz Obr. Obr.1).1). Vstup elektronů do tohoto místa probíhá z cytochromu c prostřednictvím druhého hemu železa, hemu a a druhého měděného centra CuA. V poslední době, Yoshikawa skupiny (4) a Michel skupiny (5) nezávisle na sobě a současně za předpokladu, krystalové struktury enzymu, které poskytly hluboký vhled do mnoha aspektů katalytického cyklu, a to zejména, jak protonů a kyslíku, je pravděpodobné, že k pohybu přes protein. Mechanismus redukce O2 oxidázou byl sledován řadou skupin s různými spektroskopickými technikami (recenze viz refs. 6 a 7). Z této práce lze takto zapsat zjednodušenou reakční sekvenci, která zahrnuje přechodné, ale detekovatelné meziprodukty v binukleárním centru (viz také obr. Obr.2):2):
P a F druhů, zejména, přitahují pozornost, protože mají podílí na čerpací mechanismus, který řídí protonové translokace (8). Nedávné práce z Michel (9) a z Wikström a spolupracovníci (10) zdůraznil pokrok a nejistoty v našem chápání mechanismu, že páry, exergonické elektron přenáší na kyslík s endergonické proton pohybu přes membránu.
binukleární centrum v cytochrom oxidase. Hem a3 a CuB jsou zobrazeny spolu s proximální ligandu na hemové železo, H376, a Mládě ligand, H240, což je cross-spojeny Y244 (24, 25). Vazba a redukce O2 probíhá v oblasti mezi železem a3 a mládětem.
zjednodušené schéma reakce mezi cytochrom oxidázou a O2. Je znázorněno dvojjaderné místo, které obsahuje hem a3, mládě a síťovanou strukturu H240-Y244 (H – Y). Redukce a protonace oxidované formy centra vytváří snížené místo. To váže O2 za vzniku původně oxy druhů, které dále reagují za vzniku meziproduktů P A F, před regenerací oxidované formy enzymu. Snížení P A F je omezeno reakcemi přenosu protonů, jak je uvedeno. Kroky mezi P a redukovanou formou místa byly zapojeny do procesů čerpání protonů, které jsou označeny červenými šipkami. Stechiometrie těchto kroků je otázkou současného vyšetřování, i když během celého cyklu lze čerpat až čtyři protony.
pokračující problém v odhalování kyslíku chemie na binuclear centrum v cytochrom oxidázy a jeho vazba na protonovou pumpu je stanovení molekulární struktury meziproduktů ve schématu výše. Existuje shoda, že meziprodukt F zahrnuje ferryl-oxo meziprodukt na hemu a3, a34+⩵O (3, 6, 11, 12), struktura P však byla předmětem značné kontroverze. Počáteční úkoly tohoto druhu předpokládá, že je obsažena vazba intaktní, a33+—O2⩵ druhů, proto jeho označení jako P pro „peroxy“ (např. refs. 3, 8 a 13). Weng a Baker, nicméně, interpretovat jejich optické údaje naznačují, že O⩵Ó, pouto štěpení již došlo na P a že tento druh, stejně, měl a34+⩵O strukturu na binuclear center (14). Tento závěr byl následně podpořen několika spektroskopickými výzkumy (15-17). Kitagawa, Proshlyakov, a jejich spolupracovníkům podařilo pomocí Ramanovy spektroskopie pro detekci a34+⩵O protahování pohybu (18, 19) ve formě P generované přidáním vodíku do oxidovaného enzymu. Pozdější práce ukázaly, že stejné vibrace by mohly být pozorovány, když kyslík je přidán do dvou elektronů redukovaná forma enzymu, což potvrzuje, že kyslík chemie a vodíku chemie v monoaminooxidázy pokračovat přes společné meziprodukty (20). Časový průběh výskytu P v této práci navíc ukázal, že tento druh je kineticky Kompetentní(viz také refs. 21 a 22). Ze spektroskopické práce a z nedávné výpočetní práce (23) tedy vyplývá, že P je skutečně druh štěpený vazbou.
práce hlášená Fabianem a kol. (1) poskytuje nový, nezávislý a přesvědčivý důkaz, že vazba o⩵O je štěpena v cytochrom oxidáze na úrovni P. Ve svých experimentech usoudili, že ani atom kyslíku v vazbě neporušené peroxidové struktuře se pravděpodobně nevymění s rozpouštědlovou vodou. Pokud P dojde jako a34+⩵O druhy, nicméně, pak se očekává, že druhý atom kyslíku je asi na úrovni hydroxidu sodného nebo vody, a že tento kyslík může dobře exchange s vodou ve vodném pufru. Pomocí 18O2 jako substrátu ve vodném pufru, který obsahoval H216O, pasti jsou P intermediate a testovány pro vzhled H218O. Jejich hmotnostní spektrometrie výsledky jasně ukazují, že jeden atom kyslíku z 18O2 substrát je vyměnitelná s rozpouštědlem voda, ve vynikající shodě s jejich analýza výše a přiřazení P jako bond-štípané, ferryl-oxo druhů.
zjištění, že P má strukturu a34+⩵O, má řadu důležitých důsledků. Transformace vázaného O2 v Oxy druhu na hydroxid (nebo vodu) a ferryl-oxo v P vyžaduje celkem čtyři elektrony. Pouze tři, nicméně, jsou snadno dostupné v binuclear center—dvě z hemu a3, jak to jde z +2 na +4 valenční stav a jeden z Mládě, jak to se oxiduje z extrahovaná na měďnatými. Zdroj čtvrtého elektronu je nejasný. Oxidace hemu makrocyklu, jak se vyskytuje ve sloučeninách I v některých peroxidázách, může být eliminována na základě Ramanových a optických dat (6, 7) a Cu3+ nebyl detekován v biologickém prostředí. Nejvíce pravděpodobný kandidát, pak je redox-aktivních proteinů vedlejší řetězce, jako je tomu v cytochrom c peroxidáza, ve kterém tryptofan je redox aktivní, nebo v prostaglandinu syntázy, která obsahuje oxidovatelných tyrosin reziduí (24). Yoshikawa a spolupracovníci (25) poskytli nápadné krystalografické důkazy, které silně podporují výskyt redoxně aktivního postranního řetězce. Ukázali, že Y244 v binukleárním centru je zesítěn s jedním z ligandů mláděte, H240, a že skupina fenolové hlavy je orientována tak,že skupina-OH směřuje přímo do dutiny vázající O2 (obr. (Obr.1).1). Michel oznámil, podobné krystalografické údaje (26), a Buse a spolupracovníci nedávno oznámil, biochemických údajů, které podporují výskyt H240-Y244 crosslink (27). Byly také hlášeny nedávné údaje EPR, které naznačují přítomnost tyrosylových radikálů, když je peroxid přidáván do klidového enzymu, ačkoli specifický vedlejší řetězec(y) nebyl identifikován (28, 29). Celkově tyto výsledky silně naznačují, že zesítěný tyrosin je zdrojem čtvrtého elektronu při aktivaci a redukci O2 cytochromoxidázou. Tato domněnka vede ke zjednodušenému reakčnímu cyklu na obr. Obr.2,2, ve kterém cross-spojené H-Y struktura je zobrazena explicitně, a navrhla, aby být oxidovány na neutrální tyrosyl radikální v P intermediate.
schéma na obr. Obr.22 zdůrazňuje analogie mezi cytochrom oxidáza a peroxidases a catalases z hlediska kyslík–kyslík dluhopisů štěpení chemie a z hlediska výrobků, které jsou výsledkem reakce. V oxidáza, enzym extrahuje tři elektronů z kovů v aktivním místě a čtvrtý elektron z organických složkou pro snížení O2 v jednom kroku, aby se O⩵ a OH—. Oba tyto produkty jsou na úrovni vody, i když k další protonaci a uvolňování dochází pouze v pozdějších krocích reakce. V peroxidases a catalases, enzym extrahuje jeden elektron z kovu v aktivním místě a druhý elektron z organických složkou pro snížení H2O2 v jednom kroku, aby se O⩵ a OH—. V peroxidázách a katalázách je bezprostředním produktem této chemie sloučenina I, která obsahuje ferryl-oxo druh a organický radikál. Tyto struktury jsou přesně analogické struktuře A34+⩵O/radikálu, která se vyskytuje v p v cytochrom oxidase. Organický radikál ve sloučenině I se redukuje v následujícím kroku v enzymech peroxidázy a katalázy za vzniku sloučeniny II, která udržuje ferryl-oxo strukturu. V oxidáze dochází ke stejné chemii k produkci meziproduktu F. Podobnost v chemii kyslíku metabolizovat hemové proteiny se objevily pouze s realizací a34+⩵O strukturu P, a navrhuje, aby další kyslík-metabolizujících enzymů, mohou sledovat stejný druh chemie v aktivaci a snížení kyslíku a peroxidy.
zajímavá strategie vyplývá z obr. Obr.22 z hlediska toho, jak oxidáza spojuje chemii kyslíku s protonovou pumpou. Čerpání kroky dojít pouze po P byl vytvořen (8-10), což znamená, že enzym aktivuje a redukuje O2 na plně snížena, ale neúplně protonované produktu molekuly vody; enzym dokončí čtyři-elektronů přenos elektronů na kyslík, a ukládá volné energie, která vzniká jako vysoce oxidační a34+⩵O a radikální druhů, než se zapojí čerpadlo. Nedávné výpočty na bond-štěpení chemie podporovat tuto myšlenku, protože výsledky naznačují, že snížení O2 se oxo a hydroxo s tvorbou radikální a ferryl-oxo je blízko k termoneutrální (23). To představuje pozoruhodně účinnou strategii, jak se vyhnout toxickým, částečně redukovaným druhům kyslíku, protože v reakčním cyklu se žádný nevyskytuje. Navíc, přenos volné energie, které budou použity k pohonu čerpadla od substate kyslíku produktů bílkovin, zdá se, jako by monoaminooxidázy má maximální kontrolu a účinnost, s níž je možné provozovat proton-translocating přístroje.