Cytochrom-c-Reduktase

Schematische Darstellung der Cytochrom-c-Reduktase mit den Reaktionen.

Schematische Darstellung des Q-Zyklus.

Das Enzym Cytochrom-c-Reduktase, genauer Coenzym Q : Cytochrom c Oxidoreduktase (systematischer Name), Cytochrom-bc₁-Komplex oder auch Komplex III der mitochondrialen Atmungskette genannt, ist ein Proteinkomplex. Das Enzym fungiert als Oxidoreduktase, es katalysiert in einer gekoppelten Reaktion (Q-Zyklus) die Oxidation von Coenzym Q mit der Reduktion von Cytochrom c und der Translokation von Protonen aus dem Matrixraum (M) in den Intermembranraum (IM). Mutationen im MT-CYB-Gen sind für seltene Erbkrankheiten wie Myopathien und Optikus-Neuropathie Typ Leber (LHON) ursächlich.

Struktur

Die mitochondriale Cytochrom-c-Reduktase ist ein Transmembranprotein, bestehend aus elf Untereinheiten. Der minimal funktionelle Komplex besteht aus nur drei essentiellen katalytischen Untereinheiten mit vier Kofaktoren:

• Cytochrom b mit zwei Häm b (b_L und b_H)
• Cytochrom c₁ mit einem Häm c
• Rieske Eisen-Schwefel-Protein (ISP engl. iron sulfur protein) mit einem [2Fe·2S]-Zentrum

Funktion

Die Funktion der Cytochrom-c-Reduktase besteht in dem

• Transfer von Elektronen vom Coenzym Q (Zwei-Elektronenüberträger) zum Cytochrom c (Ein-Elektronenüberträger)
• Transport von Protonen mittels Coenzym Q (Zwei-Protonenüberträger) von der elektronegativen Seite der Membran (Matrixraum, M) zur elektropositiven Seite der Membran (Intermembranraum, IM)

Der Elektronentransfer und die Protonentranslokation sind in der Cytochrom-c-Reduktase über den sogenannten Q-Zyklus (Q für engl. Quinone) gekoppelt.

Das Enzym besitzt zwei Bindungs- bzw. Reaktionszentren (Q_o und Q_i) für das Substrat Coenzym Q:

• Q_o- oder Q_P-Zentrum (o engl. output, P engl. positive site): Hier bindet reduziertes Coenzym Q (Ubihydrochinon, QH₂) und wird zu Ubichinon (Q) oxidiert.
• Q_i- oder Q_N-Zentrum (i engl. input, N engl. negative site): Hier bindet oxidiertes Coenzym Q (Ubichinon, Q) und wird zu Ubihydrochinon (QH₂) reduziert.

An diesen beiden Reaktionszentren finden folgende Reaktionen statt:

Am Q_o-Zentrum bindet ein Ubihydrochinon. Ubihydrochinon (QH₂) überträgt ein Elektron via FeS-Zentrum und Häm c₁ auf die Hämgruppe eines gebundenen Cytochrom c. Das entstandene Ubisemichinon (Q^·−) am Q_o-Zentrum überträgt ein weiteres Elektron via Häm b_L auf Häm b_H und gibt zwei Protonen an die positiv geladenen Membranseite (P) ab. Das entstandene Ubichinon (Q) verlässt nun die Bindungsstelle. Dieser Halbzyklus wird nun ein zweites Mal durchlaufen.

Q_o-Zentrum: 2x (QH₂ → Q + 2 e⁻ + 2 H⁺_P)

Am Q_i-Zentrum bindet ein Ubichinon. Ubichinon (Q) nimmt ein Elektron via Häm b_L und Häm b_H auf. Das entstandene Ubisemichinon (Q^·−) nimmt ein weiteres Elektron via Häm b_L und Häm b_H auf und zwei Protonen von der negativ geladenen Membranseite (N). Das entstandene Ubihydrochinon (QH₂) verlässt nun die Bindungsstelle. Damit wird pro Zyklus ein Ubichinon regeneriert.

Q_i-Zentrum: Q + 2 e⁻ + 2 H⁺_N → QH₂

Im Verlauf eines kompletten Q-Zyklus werden somit einerseits am Q_o-Zentrum zwei Ubihydrochinone zu Ubichinon oxidiert, andererseits wird am Q_i-Zentrum ein Ubihydrochinon zurückgewonnen. Dabei werden zwei Cytochrom c (Cyt c) reduziert. Weiterhin werden zwei Protonen von der negativ geladenen Membranseite (N) entzogen und vier Protonen an die positiv geladene Membranseite (P) abgegeben. Im Unterschied zu Komplex I und Komplex IV ist der Komplex III keine Protonenpumpe.

Summe: QH₂ + 2 Cyt c_ox + 2 H⁺_N → Q + 2 Cyt c_red + 4 H⁺_P

Inhibitoren

• am Q_o-Zentrum: Myxothiazol, Stigmatellin, Methoxyacrylsäureester (MOA), Strobilurine
• am Q_i-Zentrum: Antimycin A

Alternative Bezeichnungen

• Coenzym Q : Cytochrom c Oxidoreduktase
• Cytochrom-Reduktase
• Komplex III der Atmungskette
• Cytochrom-bc₁-Komplex

Literatur

• Mitchell, P. (1961): Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemiosmotic type of mechanism. In: Nature. Bd. 191, S. 144–148. PMID 13771349
• Mitchell, P. (1975): Protonmotive redox mechanism of the cytochrome bc1 complex in the respiratory chain: protonmotive ubiquinone cycle. In: FEBS Lett. Bd. 56, S. 1–6. PMID 239860

Siehe auch

• Q-Zyklus
• Protonengradient

Weitere Komplexe der Atmungskette:

• Komplex I auch NADH Dehydrogenase
• Komplex II auch Succinat-Dehydrogenase
• Komplex IV auch Cytochrom c Oxidase
• Komplex V auch ATP Synthase

Weblinks

• bc₁-Homepage