OKSIDASE SITOKROM C: STRUKTUR, FUNGSI, PENGHAMBAT - BIOLOGI - 2025

The sitokrom c oksidase adalah kompleks protein enzimatik yang dapat menembus lapisan ganda lipid dari membran sel. Ini adalah hemosoluble dan terutama terkait dengan membran dalam mitokondria, ditemukan baik pada organisme prokariotik (bakteri) dan eukariota (uniseluler dan multiseluler).

Juga disebut kompleks IV, enzim ini sangat penting dalam fungsi metabolisme aerobik organisme, karena sangat penting dalam rantai transpor elektron di mana sel membakar gula dan menangkap sebagian energi yang dilepaskan untuk menyimpan adenosin trifosfat atau ATP.

Model bola-dan-tongkat heme, dari sebuah molekul yang ditemukan dalam struktur kristal oksidase sitokrom c di jantung sapi. Diambil dan diedit dari: Benjah-bmm27.

Nama sitokrom berarti "pigmen seluler". Ini adalah protein darah yang membawa elektron. Sitokrom ditemukan oleh dokter Irlandia Charles Alexander MacMunn pada tahun 1884. MacMunn memelopori penemuan pigmen pernapasan dalam darah, yang sekarang disebut sitokrom 1.

Pada 1920-an, ahli entomologi dan parasitologi Rusia David Keilin menemukan kembali dan mengkarakterisasi pigmen pernapasan dan menamakannya sitokrom. Meskipun MacMunn telah menemukannya pada tahun 1884, komunitas ilmiah telah melupakannya dan beberapa bahkan salah menafsirkan karyanya.

Karakteristik umum

Secara umum pigmen pernafasan memiliki karakteristik spektrum cahaya tampak. Diketahui bahwa setidaknya terdapat empat kompleks protein membran integral yang di dalamnya terdapat 5 jenis sitokrom: a, a3, b, c1 dan c, diklasifikasikan menurut panjang gelombang maksimum absorpsi spektral.

Mereka umumnya ditemukan di membran dalam mitokondria. Namun, mereka juga telah diamati pada retikulum endoplasma dan kloroplas, pada organisme eukariotik dan prokariotik.

Mereka menyajikan kelompok prostetik heme yang mengandung besi (Fe). Setiap sitokrom yang diketahui bekerja dalam kompleks multienzim dalam pengangkutan elektron dalam proses atau rantai pernapasan.

Sitokrom memiliki fungsi berpartisipasi dalam reaksi reduksi oksidasi. Reaksi reduksi, di mana mereka menerima elektron, terjadi secara berbeda untuk setiap jenis sitokrom, dan nilainya ditentukan oleh aliran elektron dalam rantai pernapasan.

-Sitokrom c

Empat kelas sitokrom c diketahui, yaitu sebagai berikut.

Kelas I

Dalam kelas ini adalah cytochromes c (lowspin) spin rendah yang larut, hadir dalam bakteri dan mitokondria. Mereka berbentuk oktahedral. Situs pengikatan heme berada di ujung-N histidin, dan ligan keenam disuplai oleh residu metionin di ujung-C.

Dari kelas ini, beberapa subclass bahkan dapat dikenali, yang struktur tiga dimensinya telah ditentukan.

Kelas II

Sitokrom c spin tinggi dan beberapa sitokrom spin rendah ditemukan di kelas ini. Mereka dengan putaran tinggi memiliki situs pengikatan dekat dengan ujung-C, dan pada mereka dengan putaran rendah ligan keenam tampaknya menjadi residu metionin di dekat ujung-N. Mereka pentacoordinated dengan ligan histidin kelima.

Kelas III

Kelas ini dicirikan dengan menghadirkan sitokrom c dengan beberapa heme (c3 dan c7) dan potensi reduksi oksidasi yang rendah, dengan hanya 30 residu asam amino per gugus heme. Di perwakilan kelas ini, kelompok heme c memiliki struktur dan fungsi yang tidak setara, selain menghadirkan potensi redoks yang berbeda. Mereka berbentuk oktahedral.

Kelas IV

Menurut beberapa penulis, kelas ini dibuat hanya untuk memasukkan protein kompleks yang terdapat pada kelompok prostetik lain, serta heme c, atau flavositokrom c, antara lain.

Sitokrom c oksidase atau Kompleks IV

Sitokrom c oksidase adalah enzim mitokondria yang melaksanakan fase terakhir transpor elektron dalam respirasi sel. Enzim ini mengkatalisis pengangkutan elektron dari sitokrom c tereduksi ke oksigen.

Beberapa senyawa kimia seperti sianida, karbondioksida dan azida, dapat menghambat fungsi enzim ini, menyebabkan apa yang disebut asfiksia kimia seluler. Bentuk lain dari penghambatan IV kompleks adalah mutasi genetik.

Dari sudut pandang evolusi, sitokrom c oksidase hanya ditemukan pada organisme aerobik, dan beberapa kelompok ilmuwan berpendapat bahwa keberadaan protein ini menunjukkan hubungan evolusi di mana tumbuhan, jamur, dan juga hewan memiliki nenek moyang yang sama.

Struktur

Oksidase sitokrom c membentuk kompleks homodimerik, yang terdiri dari dua monomer serupa di membran dalam mitokondria. Kompleks enzim terdiri dari 3 hingga 4 subunit dalam organisme prokariotik dan hingga maksimum 13 (beberapa menyarankan 14) polipeptida pada organisme seperti mamalia.

Dalam organisme ini 3 polipeptida berasal dari mitokondria dan sisanya berasal dari nukleus. Setiap monomer memiliki 28 heliks transmembran yang memisahkan domain hidrofilik terhadap matriks membran dan ruang antar membran.

Ia memiliki unit katalitik tunggal, yang ditemukan di semua enzim yang mengkatalisis reaksi oksidasi / reduksi, menggunakan oksigen molekuler (oksidase, terutama heme-tembaga). Kompleks tersebut berisi sitokrom a dan a3 yang dihubungkan oleh subunit I dan dua pusat tembaga.

Ia memiliki satu atau lebih kelompok heme c yang terkait dengan struktur protein di sekitarnya oleh satu atau lebih (umumnya dua) ikatan tioeter. Penulis lain menyarankan bahwa ada satu kelompok heme C yang secara kovalen terkait dengan protein antara cincin porfirin dan dua residu sistein.

Satu-satunya gugus heme c yang disebutkan di atas dikelilingi oleh residu hidrofobik dan heksakoordinasi, dengan histidin pada posisi 18 dari rantai polipeptida dan metionin pada posisi 80.

Subunit sitokrom c oksidase F. Diambil dan diedit dari: Jawahar Swaminathan dan staf MSD di European Institute of Bioinformatics

fitur

Oksidase sitokrom c adalah protagonis dalam tiga mekanisme fisiologis utama, yang akan kita lihat di bawah.

Apoptosis atau kematian sel terprogram

Apoptosis adalah kerusakan atau kematian sel terprogram, yang disebabkan oleh organisme itu sendiri dan bertujuan untuk mengontrol pertumbuhan, perkembangan, penghapusan jaringan yang rusak dan pengaturan sistem kekebalan. Dalam proses fisiologis ini, sitokrom c oksidase berpartisipasi sebagai perantara.

Protein ini, yang dilepaskan oleh mitokondria, mengarah pada interaksi dengan retikulum endoplasma, yang menyebabkan sekresi atau pelepasan kalsium. Peningkatan progresif kalsium memicu pelepasan besar-besaran sitokrom c oksidase, sampai kadar kalsium sitotoksik tercapai.

Kadar kalsium sitotoksik dan pelepasan sitokrom c menyebabkan aktivasi kaskade beberapa enzim caspase, yang bertanggung jawab untuk penghancuran sel.

Regenerasi sel atau jaringan

Beberapa penelitian menunjukkan bahwa ketika oksidase sitokrom c terkena panjang gelombang 670 nanometer, ia berpartisipasi dalam kompleks fungsional, yang menembus jaringan yang rusak atau terluka dan meningkatkan laju regenerasi sel.

Metabolisme energi

Ini mungkin fungsi sitokrom c oksidase yang paling terkenal dan paling relevan. Justru kompleks oksidase (dari rantai pernapasan) yang bertanggung jawab untuk mengumpulkan elektron dari sitokrom c dan memindahkannya ke molekul oksigen, menguranginya menjadi dua molekul air.

Terkait dengan proses ini, terjadi translokasi proton melalui membran, menghasilkan gradien elektrokimia yang digunakan kompleks sintetase ATP untuk menghasilkan atau mensintesis ATP (adenosine triphosphate).

Penghambat

Oksidase sitokrom c dihambat oleh berbagai senyawa kimia dan proses. Cara terjadinya dapat muncul sebagai cara alami untuk mengatur produksi atau tindakan enzim atau dapat terjadi secara tidak sengaja karena keracunan.

Dengan adanya azida, sianida atau karbon monoksida, sitokrom c oksidase mengikat ini dan fungsi kompleks protein terhambat. Hal ini menyebabkan gangguan pada proses pernapasan seluler dan dengan demikian menyebabkan sel mati lemas secara kimiawi.

Senyawa lain seperti oksida nitrat, hidrogen sulfida, metanol, dan beberapa alkohol termetilasi, juga menyebabkan penghambatan oksidase sitokrom c.

Kekurangan

Oksidase sitokrom c adalah enzim yang dikendalikan oleh gen di inti dan mitokondria. Ada perubahan genetik atau mutasi yang dapat menyebabkan defisiensi oksidase sitokrom c.

Mutasi ini mengganggu fungsi enzim, karena mereka mengubah struktur enzimatiknya, membawa serta gangguan metabolisme selama perkembangan embrio (menurut penelitian manusia), yang nantinya akan mempengaruhi organisme pada tahun-tahun pertama kehidupannya.

Kekurangan oksidase sitokrom c memengaruhi jaringan dengan kebutuhan energi tinggi, seperti jantung, hati, otak, dan otot. Gejala mutasi ini tercermin sebelum dua tahun kehidupan dan dapat bermanifestasi sebagai kondisi yang kuat atau ringan.

Gejala ringan dapat terlihat bahkan tidak lama setelah tahun pertama usia, dan penderita biasanya hanya mengalami penurunan ketegangan otot (hipotonia) dan atrofi otot (miopati).

Di sisi lain, individu dengan gejala yang lebih kuat mungkin mengalami atrofi otot dan ensefalomiopati. Kondisi lain yang disebabkan oleh tidak adanya sitokrom c oksidase adalah kardiomiopati hipertrofik, pembesaran patologis hati, sindrom Leigh, dan asidosis laktat.

Penggunaan dalam filogeni

Filogeni adalah ilmu yang bertanggung jawab untuk mempelajari asal-usul, pembentukan dan perkembangan evolusioner dari sudut pandang nenek moyang-keturunan, organisme. Dalam beberapa dekade terakhir, studi filogeni dengan analisis molekuler semakin sering dilakukan, menghasilkan banyak informasi dan memecahkan masalah taksonomi.

Dalam pengertian ini, beberapa studi filogenetik menunjukkan bahwa penggunaan oksidase sitokrom c dapat membantu membangun hubungan evolusioner. Ini karena kompleks protein ini sangat terkonservasi dan terdapat dalam berbagai organisme, mulai dari protista uniseluler hingga vertebrata besar.

Contohnya adalah tes yang dilakukan pada manusia, simpanse (Pan paniscus) dan kera Rhesus (Macaca mulatta). Tes semacam itu mengungkapkan bahwa molekul oksidase sitokrom c manusia dan simpanse identik.

Ini juga menunjukkan bahwa molekul oksidase sitokrom c kera Rhesus berbeda satu asam amino dari dua yang pertama, sehingga menegaskan kembali hubungan keturunan-nenek moyang antara simpanse dan manusia.

Referensi

1. RP Ambler (1991). Variabilitas urutan dalam sitokrom bakteri c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika.
2. Sitokrom c. Dipulihkan dari newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Peran biologis sitokrom c: transpor elektron mitokondria, kematian sel terprogram, dan peningkatan aktivitas peroksida. Sejarah Fakultas Kedokteran.
4. Subunit oksidase sitokrom c I. Diperoleh dari ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong & B. Yidong (2007). Sitokrom c Oksidase Subunit IV sangat penting untuk Fungsi Perakitan dan Pernapasan dari Kompleks Enzim. Jurnal Bioenergetika dan Biomembran.
6. Kelompok gen: Kompleks mitokondria IV: subunit sitokrom c oksidase (COX, MT-CO). Dipulihkan dari genenames.org.
7. EF Hartree (1973). Penemuan sitokrom. Pendidikan Biokimia.
8. Oksidase sitokrom c, defisiensi…. Dipulihkan dari ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde & KG Ahern (2002). Biokimia. Edisi ke-3. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.