fremkomsten af aerob biologi blev indvarslet for omkring to milliarder år siden, da primitive cyanobakterier udviklede evnen til at fotooksidisere vand. Ilt blev frigivet som et affaldsprodukt, og atmosfæriske O2-niveauer steg hurtigt. Denne hurtige ændring til en iltet atmosfære introducerede et ødelæggende forurenende stof, men til sidst udviklede organismer sig, der udnyttede den stærke drivkraft for O2-reduktion. Aktive steder, der var i stand til at binde og aktivere ilt, udviklede sig, og nye klasser af biokemi, der bruger O2 som en termodynamisk vask til at drive ellers ugunstige reaktioner, blev mulige. Effektiviteten af fødevaremetabolismen ændrede sig dramatisk. Mængden af ATP, der kunne produceres ved metabolisering af glukose aerobt, steg for eksempel næsten 20 gange. Eukaryoter dukkede op kort efter den iltede atmosfære og blev til sidst efterfulgt af det mangfoldige udvalg af multicellulære organismer, der findes i dag. I vores aerobe biokemi, O2 bruges i en overflod af syntetiske reaktioner, der er grundlæggende for næsten alle aspekter af cellevækst, udvikling, og reproduktion.
på trods af dets biokemiske alsidighed er > 95% af det ilt, vi forbruger, brugt i respiration. Højenergielektroner afledt af mad krydser mitokondriel elektrontransportkæden i en række eksergoniske reaktioner. Disse energisk ned ad bakke elektronoverførsler bruges til at udvikle den kemisosmotiske protongradient, der i sidste ende producerer ATP. Ilt er den endelige elektronacceptor i denne respiratoriske kaskade, og dens reduktion til vand bruges som et middel til at rydde mitokondriekæden af lavenergi, brugte elektroner. Denne proces, cytokrom oksidase, spænder over mitokondriemembranen. Det binder, aktiverer og reducerer op til 250 molekyler O2 per sekund og parrer den energi, der frigives i denne proces, til translokationen af protoner, der bidrager til den kemiosmotiske gradient. Mekanismen, hvormed cytokromoksidase katalyserer denne bemærkelsesværdige kemi, er blevet undersøgt intenst. De resultater, der er rapporteret i dette nummer af Fabian, Vong, Gennis og Palmer, giver ny indsigt i denne proces og understøtter den voksende forestilling om, at der findes Forenende begreber for den måde, hvorpå iltudnyttende stoffer aktiverer O2 til O-binding spaltning og reduktion (1).
reduktionen af O2 i cytokromoksidase forekommer under alvorlige begrænsninger. Processen finder sted med lidt overpotentiale, frigivelsen af delvist reducerede, giftige iltmellemprodukter fra det aktive sted minimeres, og den frie energi, der er tilgængelig i O2-reduktion, kobles med høj effektivitet til protontranslokation (2, 3). Det fungerer under disse begrænsninger ved hjælp af en heme Fe, kaldet heme a3, og en kobberion, betegnet CuB, i et binukleært center, hvor O2 binder og reduceres (se Fig. Fig.1).1). Elektronindgang til dette sted forekommer fra cytochrom c ved hjælp af et andet hemejern, heme a og et andet kobbercenter, CuA. For nylig leverede Yoshikavas gruppe (4) og Michel ‘ s gruppe (5) uafhængigt og samtidigt krystalstrukturer, der har givet dyb indsigt i mange aspekter af den katalytiske cyklus, især hvordan protoner og ilt sandsynligvis vil bevæge sig gennem proteinet. Mekanismen for O2-reduktion med oksidase er blevet forfulgt af en række grupper med en række spektroskopiske teknikker (for anmeldelser, se refs. 6 og 7). Fra dette arbejde kan en forenklet reaktionssekvens, der involverer forbigående, men detekterbare mellemprodukter ved det binukleære center, skrives som følger (Se også Fig. Fig.2): 2):
især p-og F-arterne har tiltrukket sig opmærksomhed, da de er blevet impliceret i pumpemekanismen, der driver protontranslokation (8). Det seneste arbejde fra Michel (9) og fra Tristm og kolleger (10) har fremhævet både fremskridt og usikkerheder i vores forståelse af den mekanisme, som par eksergonisk elektron overfører til ilt med endergonisk protonbevægelse over membranen.
det binukleære center i cytokromoksidase. Hæm A3 og CuB er vist sammen med den proksimale ligand for hæm jern, H376, og CuB ligand, H240, som er tværbundet til Y244 (24, 25). O2 binding og reduktion forekommer i området mellem A3 jern og CuB.
et forenklet skema for reaktionen mellem cytokromoksidase og O2. Det binukleære sted, der indeholder heme a3, CuB og den tværbundne H240-Y244 (H – Y) struktur, vises. Reduktion og protonation af den iltede form af centret producerer det reducerede sted. Dette binder O2 til oprindeligt at danne oksyarten, som reagerer yderligere for at producere P-og F-mellemprodukter, inden den regenereres. Reduktionen af P og F er begrænset af protonoverførselsreaktioner som angivet. Trinene mellem P og den reducerede form af stedet er blevet impliceret i protonpumpeprocesser, som er angivet med røde pile. Støkiometrien af disse trin er et spørgsmål om den aktuelle undersøgelse, skønt op til fire protoner kan pumpes i løbet af den komplette cyklus.
et fortsat problem med at afsløre iltkemien ved det binukleære center i cytokromoksidase og dets binding til protonpumpen er at etablere de molekylære strukturer af mellemprodukterne i skemaet ovenfor. Der er enighed om, at f-mellemproduktet involverer et ferryl-okso-mellemprodukt ved hæm a3, A34 + (3, 6, 11, 12), men strukturen af P har været et spørgsmål om betydelig kontrovers. De oprindelige tildelinger af denne art postulerede, at den indeholdt en binding intakt, A33+—O2-arter, deraf dens betegnelse som P for “peroksi” (f.eks. 3, 8 og 13). Veng og Baker fortolkede imidlertid deres optiske data for at indikere, at O-kar-o-bindingsspaltning allerede havde fundet sted ved P, og at denne art også havde en A34+kar-o-struktur ved binuklear center (14). Denne konklusion blev efterfølgende understøttet af flere spektroskopiske undersøgelser (15-17). Det lykkedes dem at bruge Raman-spektroskopi til at detektere A34+ – strækbevægelsen (18, 19) i en form for P, der blev genereret ved at tilføje overilte til det iltede. Efterfølgende arbejde viste, at den samme vibration kunne observeres, når ilt tilsættes til en toelektronreduceret form, hvilket bekræfter, at iltkemi og overiltekemi i oksidase fortsætter gennem almindelige mellemprodukter (20). Desuden viste tidsforløbet for udseendet af P i dette arbejde, at denne art er kinetisk Kompetent (se også refs. 21 og 22). Fra det spektroskopiske arbejde og også fra det nylige beregningsarbejde (23) er den nye opfattelse således, at P faktisk er en O-L-O-bindingsspaltet Art.
arbejdet rapporteret af Fabian et al. (1) giver nye, uafhængige og overbevisende beviser for, at O-kur-O-bindingen spaltes i cytokromoksidase på P-niveau. I deres eksperimenter begrundede de, at hverken iltatom i en bindings-intakt peroksistruktur sandsynligvis vil udveksle med opløsningsmiddelvand. Hvis P forekommer som A34 + liter o-arten, forventer man imidlertid, at det andet iltatom sandsynligvis er på niveauet af hydroksid eller vand, og at dette ilt meget vel kan udveksles med vand i den vandige buffer. Ved hjælp af 18O2 som substrat i en vandig buffer, der indeholdt H216O, fangede de p-mellemproduktet og analyserede for udseendet af H218O. Deres massespektrometriske resultater viser tydeligt, at et enkelt iltatom fra 18o2-substratet kan udskiftes med opløsningsmiddelvand, i fremragende overensstemmelse med deres analyse ovenfor og tildelingen af P som en bindingsspaltet ferrylokso-Art.
erkendelsen af, at P har en A34+liter o-struktur, har en række vigtige implikationer. Transformationen af bundet O2 i oksyarten til hydroksid (eller vand) og en ferrylokso i P kræver i alt fire elektroner. Kun tre er imidlertid let tilgængelige i binuclear center—to fra heme a3, da det går fra +2 til +4 Valens tilstand og en fra CuB, da den er iltet fra cuprous til cupric. Kilden til den fjerde elektron er uklar. Hæmemakrocyklen, som forekommer i forbindelser I i nogle peroksidaser, kan elimineres på basis af Raman og optiske data (6, 7), og Cu3+ er ikke blevet påvist i biologisk miljø. Den mest sandsynlige kandidat er derfor en redoksaktiv proteinsidekæde, som forekommer i cytokrom C-peroksidase, hvor tryptophan er redoksaktiv, eller i prostaglandinsyntase, som indeholder en iltelig tyrosinrest (24). Yoshikava og kolleger (25) leverede slående krystallografiske beviser, der stærkt understøtter forekomsten af en redoks-aktiv sidekæde. De viste, at Y244 i det binukleære center er tværbundet med en af Cubliganderne, H240, og at phenolhovedgruppen er orienteret, så −OH-gruppen peger direkte ind i det O2-bindende hulrum (Fig. (Fig.1).1). Michel har rapporteret lignende krystallografiske data (26), og Buse og kolleger har for nylig rapporteret biokemiske data, der understøtter forekomsten af H240-Y244 crosslink (27). Der er også rapporteret om nylige EPR-data, der indikerer tilstedeværelsen af tyrosyl-radikaler, når der tilsættes overilte til hvilende, selvom den eller de specifikke sidekæder, der er involveret, ikke er identificeret(28, 29). Samlet set tyder disse resultater stærkt på, at det tværbundne tyrosin er kilden til den fjerde elektron i aktivering og reduktion af O2 ved cytokromoksidase. Denne formodning fører til den forenklede reaktionscyklus i Fig. Fig.2,2, hvor den tværbundne H – Y-struktur er vist eksplicit og foreslået at blive iltet til det neutrale tyrosyladikal i p-mellemproduktet.
skemaet i Fig. Fig.22 fremhæver analogierne mellem cytokromoksidase og peroksidaser og katalaser med hensyn til ilt–iltbindingsspaltningskemi og med hensyn til de produkter, der er resultatet af reaktionen. Tre elektroner ekstraheres fra metaller på det aktive sted og en fjerde elektron fra en organisk del for at reducere O2 i et trin til O—og oh -. Begge disse produkter er på niveau med vand, skønt yderligere protonation og frigivelse kun forekommer i senere trin af reaktionen. En elektron fra et metal på det aktive sted og en anden elektron fra en organisk del for at reducere H2O2 i et trin til O—og oh -. I peroksidaser og katalaser er det umiddelbare produkt af denne kemi forbindelse I, som indeholder en ferryloksoart og en organisk radikal. Disse strukturer er nøjagtigt analoge med A34 + – den O / radikale struktur, der forekommer i P i cytokromoksidase. Det organiske radikal i forbindelse i reduceres i et efterfølgende trin i peroksidasen og katalasen til fremstilling af forbindelse II, som opretholder ferryl-okso-strukturen. I oksidase forekommer den samme kemi for at producere f-mellemproduktet. Ligheden i kemi af de iltmetaboliserende hemeproteiner er kun opstået med realiseringen af A34 + -strukturen for p og antyder, at andre iltmetaboliserende stoffer kan følge den samme slags kemi ved aktivering og reduktion af ilt og peroksider.
en interessant strategi fremgår af Fig. Fig.22 med hensyn til hvordan iltase kobler iltkemi til protonpumpen. Pumpetrinnene forekommer først, når P er dannet (8-10), hvilket betyder, at O2 først aktiveres og reduceres til fuldt reducerede, men ufuldstændigt protonerede produktvandsmolekyler; fire-elektron overførsel af elektroner til ilt, og lagrer den frie energi, der resulterer som stærkt iltning A34 + liter o og radikale arter, før de går i indgreb med pumpen. Nylige beregninger på bindings-spaltningskemien understøtter denne ide, da resultaterne indikerer, at reduktion af O2 til okso og hydrokso med dannelse af en radikal og en ferrylokso er tæt på termoneutral (23). Dette repræsenterer en bemærkelsesværdig effektiv strategi til at undgå giftige, delvist reducerede iltarter, da ingen forekommer i reaktionscyklussen. Ved at overføre den frie energi, der vil blive brugt til at drive pumpen fra substate iltprodukter til proteinet, ser det ud som om oksidase har maksimeret den kontrol og effektivitet, hvormed den kan betjene proton-translokationsapparatet.