Az advent az aerob biológia beharangozott mintegy kétmilliárd évvel ezelőtt, amikor a primitív cianobaktériumok kifejlesztették a képességét, hogy fotooxidizálja a vizet. Az oxigén hulladékként szabadult fel, és a légköri O2 szint gyorsan emelkedett. Ez a gyors változás az oxigénes légkörbe pusztító szennyező anyagot vezetett be, de végül olyan organizmusok fejlődtek ki, amelyek kihasználták az O2 csökkentésének erős hajtóerejét. Olyan enzim aktív helyek alakultak ki, amelyek képesek voltak megkötni és aktiválni az oxigént, és új biokémiai osztályok alakultak ki, amelyek az O2-t termodinamikai mosogatóként használják az egyébként kedvezőtlen reakciók kiváltására. Az élelmiszer-anyagcsere hatékonysága drámaian megváltozott. A glükóz aerob metabolizálásával előállítható ATP mennyisége például csaknem 20-szorosára nőtt. Az eukarióták nem sokkal az oxigén atmoszféra után jelentek meg, majd végül a ma létező többsejtű organizmusok változatos tömbje követte őket. Aerob biokémiánkban az O2-t számos szintetikus reakcióban használják, amelyek alapvetőek a sejtnövekedés, a fejlődés és a reprodukció szinte minden szempontjából.
biokémiai sokoldalúsága ellenére azonban >az általunk fogyasztott oxigén 95% – át légzésre használják. Az élelmiszerből származó nagy energiájú elektronok exergonikus redoxreakciók sorozatában haladnak át a mitokondriális elektrontranszport láncon. Ezeket az energetikailag lefelé irányuló elektrontranszfereket a kemiszozmotikus protongradiens kifejlesztésére használják, amely végül ATP-t termel. Az oxigén a végső elektron-akceptor ebben a légzési kaszkádban, vízzel való redukcióját pedig eszközként használják az alacsony energiájú, elhasznált elektronok mitokondriális láncának megtisztítására. Az enzim, amely katalizálja ezt a folyamatot, a citokróm-oxidáz, átfogja a mitokondriális membránt. Megköti, aktiválja és csökkenti akár 250 molekula O2 másodpercenként, és párosítja az ebben a folyamatban felszabaduló energiát a protonok transzlokációjához, amelyek hozzájárulnak a kemiosmotikus gradienshez. Intenzíven tanulmányozták azt a mechanizmust, amellyel a citokróm-oxidáz katalizálja ezt a figyelemre méltó kémiát. A Fabian, Wong, Gennis és Palmer által ebben a számban közölt eredmények új betekintést nyújtanak ebbe a folyamatba, és támogatják azt az egyre növekvő elképzelést, hogy egyesítő fogalmak léteznek arra vonatkozóan, hogy az oxigén-hasznosító enzimek hogyan aktiválják az O2-t az O-ban.
az O2 redukciója a citokróm-oxidázban súlyos megszorítások mellett következik be. A folyamat kevés túlpotenciállal megy végbe, a részlegesen redukált, mérgező oxigén intermedierek felszabadulása az aktív helyről minimálisra csökken, és az O2 redukcióban rendelkezésre álló szabad energia nagy hatékonysággal párosul a proton transzlokációhoz (2, 3). Az enzim ezen korlátok között működik egy hem Fe, az úgynevezett hem a3 és egy rézion, úgynevezett CuB, egy binukleáris központban, amelyben az O2 kötődik és csökken (Lásd az ábrát. Fig.1).1). Az elektron bemenete erre a helyre a citokróm c-ből történik egy második hem vas, hem A és egy második rézközpont, CuA útján. Nemrégiben Yoshikawa csoportja (4) és Michel csoportja (5) egymástól függetlenül és egyidejűleg biztosította az enzim kristályszerkezetét, amely mély betekintést engedett a katalitikus ciklus számos aspektusába, különösen arra, hogy a protonok és az oxigén hogyan mozoghat a fehérjén keresztül. Az O2 oxidáz-redukció mechanizmusát számos csoport követte, különféle spektroszkópiai technikákkal (az áttekintéshez lásd A refs-t. 6.és 7.). Ebből a munkából egy egyszerűsített reakciószekvencia, amely átmeneti, de kimutatható intermediereket tartalmaz a binukleáris központban, az alábbiak szerint írható (Lásd még az ábrát. Fig.2): 2):
a citokróm-oxidáz binukleáris központja. Hem A3 és CuB látható együtt a proximális ligandum a hem vas, H376, és a CuB ligandum, H240, amely térhálósított Y244 (24, 25). O2 kötődés és redukció az a3 vas és CuB közötti régióban történik.
a citokróm-oxidáz és az O2 közötti reakció egyszerűsített sémája. A binukleáris hely, amely a hem a3, CuB, valamint a térhálósított, H240-Y244 (H – Y) struktúrát tartalmazza, látható. A központ oxidált formájának redukciója és protonálása a redukált helyet eredményezi. Ez megköti az O2-t, hogy kezdetben oxifajokat képezzen, amelyek tovább reagálnak P és F intermedierek előállítására, mielőtt az enzim oxidált formáját regenerálnák. A P és F csökkenését a proton transzfer reakciók korlátozzák, amint azt jeleztük. A P és a hely redukált formája közötti lépések szerepet játszanak a protonpumpálási folyamatokban, amelyeket piros nyilak jeleznek. Ezeknek a lépéseknek a sztöchiometriája a jelenlegi vizsgálat kérdése, bár a teljes ciklus alatt legfeljebb négy protont lehet pumpálni.
a citokróm-oxidáz binukleáris központjában lévő oxigénkémia és annak a protonpumpa-hoz való kapcsolódásának feltárásával kapcsolatos folyamatos kérdés az intermedierek molekuláris szerkezetének meghatározása a fenti sémában. Egyetértés van abban, hogy az F köztitermék ferril-oxo köztiterméket tartalmaz a hem a-nál3, a34+O (3, 6, 11, 12), de a P szerkezete jelentős vita tárgyát képezte. Ennek a fajnak a kezdeti hozzárendelése azt feltételezte, hogy érintetlenül tartalmaz egy kötést, a33+—O2 ++ faj, ezért P-ként jelöli a “peroxi” – t (pl. refs. 3, 8 és 13). Weng és Baker azonban úgy értelmezte optikai adataikat, hogy az azt jelzi, hogy O. A. O. a kötés hasadása már P-nél megtörtént, és hogy ennek a fajnak is volt A34+a binukleáris Centrumban lévő A. O. A. O. szerkezete (14). Ezt a következtetést később számos spektroszkópiai vizsgálat támasztotta alá (15-17). Kitagawának, Proshlyakovnak és munkatársaiknak sikerült Raman-spektroszkópiát alkalmazniuk az A34+(18, 19) o nyújtási mozgás kimutatására p formájában, amelyet peroxid hozzáadásával generálnak az oxidált enzimhez. A későbbi munkák azt mutatták, hogy ugyanaz a rezgés figyelhető meg, amikor oxigént adnak az enzim kételektronos redukált formájához, megerősítve, hogy az oxidázban az oxigénkémia és a peroxid kémia közös intermediereken keresztül zajlik (20). Sőt, a P megjelenésének időbeli lefolyása ebben a munkában azt mutatta, hogy ez a faj kinetikusan Kompetens (Lásd még refs. 21.és 22.). Így a spektroszkópiai munka, valamint a legújabb számítási munka is (23), a feltörekvő nézet az, hogy P valóban egy O. A. O. Kötéshasított faj.
a Fabian et al. (1) újszerű, független és meggyőző bizonyítékot szolgáltat arra vonatkozóan, hogy az O (O) kötés a citokróm-oxidázban p szinten hasad. Kísérleteik során úgy érveltek, hogy a kötés-érintetlen peroxi szerkezetben lévő oxigénatom valószínűleg nem cserélődik oldószeres vízzel. Ha azonban P az a34+o fajként fordul elő, akkor arra számítunk, hogy a második oxigénatom valószínűleg a hidroxid vagy a víz szintjén van, és ez az oxigén jól kicserélődhet a vizes pufferben lévő vízzel. A h216o-t tartalmazó vizes pufferben szubsztrátként 18o2-t használva csapdába ejtették a P intermediert, és megvizsgálták a H218O megjelenését. Tömegspektrometriai eredményeik egyértelműen azt mutatják, hogy a 18o2 szubsztrát egyetlen oxigénatomja oldószeres vízzel cserélhető, kiválóan összhangban a fenti elemzéssel és a p mint kötés-hasított, ferril-oxo faj.
annak a felismerésnek, hogy P-nek van egy a34+ ++ o szerkezete, számos fontos következménye van. A kötött O2 átalakulása az oxi fajokban hidroxiddá (vagy vízzé) és P-ben egy ferril-oxóvá összesen négy elektront igényel. A binukleáris központban azonban csak három áll rendelkezésre-kettő a hem A3-ból, mivel a +2-től a +4-es vegyértékállapotig terjed, egy pedig CuB-ból, mivel rézből rézbe oxidálódik. A negyedik elektron forrása nem világos. A hem makrociklus oxidációja, ahogy az egyes peroxidázokban az I vegyületekben előfordul, a Raman és az optikai ADATOK (6, 7) alapján kiküszöbölhető, és a Cu3+ biológiai környezetben nem volt kimutatható. A legvalószínűbb jelölt tehát egy redox-aktív fehérje oldallánc, amint az a citokróm c-peroxidázban fordul elő, amelyben a triptofán redox-aktív, vagy a prosztaglandin-szintázban, amely oxidálható tirozin-maradékot tartalmaz (24). Yoshikawa és munkatársai (25) feltűnő kristálytani bizonyítékokat szolgáltattak, amelyek erősen alátámasztják a redox-aktív oldallánc előfordulását. Kimutatták, hogy az y244 a binukleáris központban térhálósított az egyik CuB ligandumhoz, a H240-hez, és hogy a fenol fejcsoport úgy van orientálva, hogy az-OH csoport közvetlenül az O2-kötő üregbe mutat (ábra. (Ábra.1).1). Michel hasonló kristálytani adatokról számolt be (26), Buse és munkatársai pedig nemrégiben biokémiai adatokról számoltak be, amelyek alátámasztják a H240-Y244 kereszthivatkozás előfordulását (27). A legfrissebb EPR-adatokról is beszámoltak, amelyek jelzik a tirozilgyökök jelenlétét, amikor peroxidot adnak a nyugalmi enzimhez, bár az érintett specifikus oldallánc(OK) t nem azonosították (28, 29). Ezek az eredmények együttesen azt sugallják, hogy a térhálósított tirozin a negyedik elektron forrása az O2 citokróm oxidáz általi aktiválásában és redukciójában. Ez a sejtés az ábrán szereplő egyszerűsített reakcióciklushoz vezet. Fig.2,2, amelyben a térhálósított H-Y szerkezetet kifejezetten ábrázolják, és azt javasolják, hogy a P köztitermékben a semleges tirozilgyökké oxidálódjanak.
ábra szerinti rendszer. Fig.A 22.ábra kiemeli a citokróm–oxidáz és a peroxidázok és katalázok közötti analógiákat az oxigén-oxigén kötés hasítási kémia, valamint a reakcióból származó termékek tekintetében. Az oxidázban az enzim három elektront von ki az aktív helyen lévő fémekből, egy negyedik elektront pedig egy szerves részből, hogy az O2—t egy lépésben O-ra és OH-ra redukálja. Mindkét termék a víz szintjén van, bár további protonálás és felszabadulás csak a reakció későbbi lépéseiben következik be. A peroxidázokban és katalázokban az enzim kivonja az egyik elektront az aktív helyen lévő fémből, a második elektront pedig egy szerves részből, hogy a H2O2-t egy lépésben O-ra és OH-ra redukálja. A peroxidázokban és katalázokban ennek a kémiának a közvetlen terméke az I. vegyület, amely egy ferril-oxo fajt és egy szerves gyököt tartalmaz. Ezek a struktúrák pontosan analógak az A34 + ++ O/gyökös szerkezettel, amely a citokróm-oxidázban P-ben fordul elő. Az I. vegyületben lévő szerves gyököt egy következő lépésben redukáljuk a peroxidáz és a kataláz enzimekben, hogy II. vegyületet állítsunk elő, amely fenntartja a ferril-oxo szerkezetet. Az oxidázban ugyanaz a kémia fordul elő az F köztitermék előállításához. Az oxigénmetabolizáló hem fehérjék kémiai hasonlósága csak az A34+cc o szerkezet p-re való felismerésével merült fel, és arra utal, hogy más oxigénmetabolizáló enzimek is ugyanazt a fajta kémiát követhetik az oxigén és a peroxidok aktiválásában és csökkentésében.
érdekes stratégia jelenik meg az ábrán. Fig.22 annak szempontjából, hogy az oxidáz hogyan párosítja az oxigénkémiát a protonpumpa. A szivattyúzási lépések csak a P (8-10) kialakulása után következnek be, ami azt jelenti, hogy az enzim először aktiválja és csökkenti az O2-t teljesen redukált, de nem teljesen protonált termék vízmolekulákká; az enzim befejezi az elektronok oxigénbe történő négyelektronos átvitelét, és tárolja a szabad energiát, amely erősen oxidáló a34+cc O és radikális fajként keletkezik, mielőtt bekapcsolja a szivattyút. A kötés-hasítási kémia legújabb számításai alátámasztják ezt az elképzelést, mivel az eredmények azt mutatják, hogy az O2 oxo-és hidroxo-redukciója egy gyök és egy ferril-oxo képződésével közel áll a termoneutrálishoz (23). Ez rendkívül hatékony stratégiát jelent a mérgező, részben csökkentett oxigénfajok elkerülésére, mivel a reakcióciklusban egyik sem fordul elő. Ráadásul azáltal, hogy a szivattyút az alállomás oxigéntermékeiből a fehérjébe juttatják, úgy tűnik, hogy az oxidáz maximalizálta a proton-transzlokáló berendezés működtetésének szabályozását és hatékonyságát.