Cytochrom-c-Oxidase

Das Enzym Cytochrom-c-Oxidase (COX), genauer Cytochrom c : Sauerstoff-Oxidoreduktase (systematischer Name), Cytochrom-aa₃-Komplex oder auch Komplex IV der mitochondrialen Atmungskette genannt, ist eine Oxidoreduktase. Der bei Bakterien aus drei, bei Eukaryoten aus dreizehn Untereinheiten bestehende Enzymkomplex katalysiert in einer gekoppelten Reaktion die Oxidation von Cytochrom c mit der Reduktion von Sauerstoff zu Wasser und dem Transport von Protonen über eine biologische Membran.

Mutationen in den Genen, die für die einzelnen Untereinheiten codieren (MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3) können seltene Erbkrankheiten verursachen, die unter Cytochrom-c-Oxidasemangel (MT-C4D) zusammengefasst werden, nämlich Optikus-Neuropathie Typ Leber (LHON), rekurrente Myoglobinurie, sowie mitochondriale nichtsyndromale sensorineurale Schwerhörigkeit.^[1][2][3]

Die Cytochrom-c-Oxidase gehört zur Superfamilie der Häm-Kupfer-Oxidasen, die bei allen aerob atmenden Organismen den terminalen Elektronenakzeptor der Atmungskette darstellen. Sie sind für nahezu sämtlichen Sauerstoffverbrauch der atmenden Organismen verantwortlich. Die Oxidasen sind bei Eukaryoten in der inneren Mitochondrienmembran, bei Prokaryoten in der inneren Zellmembran eingelagert. Varianten der Cytochrom-c-Oxidase kommen in der Zellmembran aerober Bakterien vor. Diese enthalten zum Teil modifizierte Kofaktoren (Häm-Varianten), oder verwenden andere Elektronendonoren als Cytochrom c (Chinol-Oxidasen z. B. in Escherichia coli). Sie besitzen sämtlich große strukturelle und funktionelle Homologie und enthalten im aktiven Zentrum eine Häm-Gruppe und ein Kupfer-Ion.

Katalysierter Transport

Transmembran-Protonentransport durch die Cyctochrom-C-Oxidase der mitochondrialen Elektronentransportkette in schematischer Darstellung (unten: mitochondrialer Innenraum; oben: mitochondrialer Intermembranraum)

Die Transportgleichung lautet:^[4]

4 Cytc(Fe²⁺) + O₂ + 8 H⁺_innen → 4 Cytc(Fe³⁺) + 2 H₂O + 4 H⁺_außen

Die Funktion der Cytochrom-c-Oxidase besteht aus der

• Reduktion von Sauerstoff zu Wasser (biologische Knallgasreaktion) mittels Elektronen vom Cytochrom c und dem
• Transport von Protonen (Protonenpumpe) über die biologische Membran.

Während des katalytischen Zyklus der Cytochrom-c-Oxidase wird ein Molekül Sauerstoff (O₂) zu zwei Molekülen Wasser (H₂O) reduziert. Als Reduktionsmittel werden vier Elektronen (e⁻) von vier Molekülen Cytochrom c sowie Protonen (H⁺) für die Wasserbildung aus dem Innenraum des Mitochondriums (Matrix) gebraucht. Die bei der Reduktion von Sauerstoff zu Wasser freigesetzte Energie wird zum Aufbau eines Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran genutzt. Pro Reaktionszyklus werden vier Protonen aus dem Innenraum des Mitochondriums in den Intermembranraum transportiert.

Das komplexe Zusammenspiel der ablaufenden Sauerstoffchemie, der Elektronentransferreaktionen, sowie den Protonenaufnahme- und Pumpschritten und deren genauen zeitlichen Abfolgen konnten bisher noch nicht detailliert aufgeklärt werden. Ein einfaches Bild des Reaktionszyklus sieht wie folgt aus: Geht man vom vollständig oxidierten Zustand der Cytochrom-c-Oxidase aus, werden von nacheinander gebundenem Cytochrom c 2 Elektronen über das Cu_A und das Häm a in das katalytisch aktive Häm-a₃/Cu_B-Zentrum transferiert. Im um 2 Elektronen reduzierten Zustand bindet das Häm a₃ den Sauerstoff, dieser wird konzertiert mit 4 Elektronen reduziert. Die zwei gebildeten Sauerstoffionen binden als Oxo-Gruppe (=O²⁻) an das Häm a₃ und das Cu_B. Durch die Aufnahme von 2 weiteren Elektronen und die Abspaltung von 2 Wassermolekülen relaxiert das Enzym wieder zum Ausgangszustand. Protonenaufnahme von der Innenseite der Membran und Protonenpumpschritte über die Membran hinweg findet mit jedem der 4 Elektronentransferreaktionen pro Zyklus vom reduzierten Cytochrom c zum Reaktionszentrum der Cytochrom-c-Oxidase statt. Die Ausbildung eines Protonengradienten über die Membran durch die Protonenpumpaktivität der Oxidase wird zusätzlich dadurch verstärkt, dass die vier für die Wasserbildung erforderlichen Protonen nur von der Innenseite der Membran aufgenommen werden.

Struktur

Der mitochondriale Enzymkomplex IV in Säugetieren besteht aus 13 Untereinheiten,^[5] von denen die Untereinheiten I–III mitochondrial und die weiteren Untereinheiten IV–XIII vom Nukleus kodiert sind. Die Untereinheit I besitzt die drei redoxaktiven Metallzentren Häm a, Häm a₃ und Cu_B. Häm a₃ und Cu_B bilden zusammen das katalytisch aktive Zentrum, an dem Sauerstoff gebunden und zu Wasser reduziert wird. Die Untereinheit II besitzt das redoxaktive Metallzentrum Cu_A, das Elektronen vom Cytochrom c aufnimmt, die dann zum Häm a und weiter zum Häm a₃ transferiert werden.

Der Komplex IV beim Mensch im Detail:

Inhibitoren

Cyanide, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoffe und Azide sind Inhibitoren der Cytochrom-c-Oxidase. Sie blockieren die Bindungsstelle für Sauerstoff im aktiven Zentrum.

Nachweis

Zum Nachweis des Enzyms Cytochrom-c-Oxidase in Zellen wird der Oxidase-Test verwendet.

Alternative Bezeichnungen

• Cytochrom c : O₂ Oxidoreduktase
• Cytochrom-Oxidase (Zytochromoxidase)
• Komplex IV der Atmungskette
• Cytochrom-aa₃-Komplex nach David Keilin
• Atmungsferment nach Otto Warburg (Nobelpreis für die Entdeckung)
• Indophenol-Oxidase nach Paul Ehrlich

Weitere Enzymkomplexe der Atmungskette:

• Komplex I auch NADH-Dehydrogenase
• Komplex II auch Succinat-Dehydrogenase
• Komplex III auch Cytochrom-c-Reduktase
• Komplex V auch ATP-Synthase

Literatur

• Warburg, O. (1924): Über Eisen, den sauerstoffübertragenden Bestandteil des Atmungsfermentes. In: Biochemische Zeitschrift. Bd. 152, S. 479–494.
• David Keilin (1925): On cytochrome, a respiratory pigment, common to animals, yeast, and higher plants. In: Proc. Royal Soc. London. Series B. Bd. 98, S. 312–339. JSTOR
• Tsukihara T, Aoyama H, Yamashita E et al.: The whole structure of the 13-subunit oxidized cytochrome c oxidase at 2.8 A. In: Science. 272. Jahrgang, Nr. 5265, Mai 1996, S. 1136-44, PMID 8638158 (semi.ac.cn [PDF]). 
• Iwata S, Ostermeier C, Ludwig B et al.: Structure at 2.8 A resolution of cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans. In: Nature. 376. Jahrgang, Nr. 6542, August 1995, S. 660-9, doi:10.1038/376660a0, PMID 7651515 (colorado.edu [PDF]). 
• Diaz F.: Cytochrome c oxidase deficiency: patients and animal models. In: Biochim Biophys Acta. 1802. Jahrgang, Nr. 1, Januar 2010, S. 100-10, doi:10.1016/j.bbadis.2009.07.013, PMID 19682572. 

Einzelnachweise

Weblinks

• Jassal B: Electron transfer from reduced cytochrome c to molecular oxygen. In: reactome.org. EBI, 28. Juni 2005, abgerufen am 4. Oktober 2010.