سيتوكروم سي أوكسيداز

إن إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز أو المركب الرابع (كان EC 1.9.3.1 ، وأعيد ^تصنيفه الآن كناقل EC 7.1.1.9 ) هو مركب بروتيني غشائي كبير يوجد في البكتيريا والعتائق وميتوكوندريا حقيقيات النوى ، بما في ذلك البشر. [ ^{1 ]}

هو الإنزيم الأخير في سلسلة نقل الإلكترون التنفسية للخلايا ، ويقع في الغشاء . يستقبل إلكترونًا من كل بروتين من بروتينات السيتوكروم سي الأربعة ، وينقلها إلى جزيء أكسجين واحد وأربعة بروتونات ، مُنتجًا جزيئين من الماء. إضافةً إلى ارتباطه بالبروتونات الأربعة من الوسط المائي الداخلي، ينقل أربعة بروتونات أخرى عبر الغشاء، مما يزيد فرق الجهد الكهروكيميائي للبروتونات عبر الغشاء ، والذي يستخدمه إنزيم ATP سينثاز لتخليق ATP .

يُعدّ تجميع إنزيم COX في الخميرة عملية معقدة غير مفهومة تمامًا نظرًا للتجمع السريع وغير القابل للانعكاس للوحدات الفرعية الكارهة للماء التي تُشكّل مُركّب الإنزيم الكامل، فضلًا عن تجمع الوحدات الفرعية الطافرة ذات البقع الكارهة للماء المكشوفة. ^{[ 11 ]} تُشفّر وحدات COX الفرعية في كلٍّ من الجينوم النووي والميتوكوندري. وتُشفّر الوحدات الفرعية الثلاث التي تُشكّل النواة التحفيزية لإنزيم COX في الجينوم الميتوكوندري. ويتطلب تجميع إنزيم COX أكثر من 30 بروتينًا مُرافقًا مختلفًا مُشفّرًا نوويًا. ^{[ 12 ]}

تُدمج العوامل المساعدة، بما فيها الهيم، في الوحدتين الفرعيتين الأولى والثانية. يستقر جزيئا الهيم في الوحدة الفرعية الأولى، مما يُسهّل نقل  الإلكترونات إلى الوحدة الفرعية الثانية حيث يُساعد جزيئا النحاس في استمرار نقلها. ^{[ 13 ]} تبدأ الوحدتان الفرعيتان الأولى والرابعة عملية التجميع. قد تتحد وحدات فرعية مختلفة لتكوين مُركّبات وسيطة فرعية ترتبط لاحقًا بوحدات فرعية أخرى لتكوين مُركّب COX. ^{[ 11 ]} في تعديلات ما بعد التجميع، يُشكّل COX ثنائيًا متجانسًا. هذا ضروري لنشاطه. ترتبط الثنائيات بجزيء الكارديوليبين ، ^{[ 11 ] [ 14 ] [ 15 ]} الذي وُجد أنه يلعب دورًا رئيسيًا في استقرار مُركّب الإنزيم الكامل. يؤدي انفصال الوحدتين الفرعيتين السابعة والثالثة، بالإضافة إلى إزالة الكارديوليبين، إلى فقدان نشاط الإنزيم تمامًا. ^{[ 15 ]} من المعروف أن الوحدات الفرعية المشفرة في الجينوم النووي تلعب دورًا في ازدواج الإنزيم واستقراره. وتؤدي الطفرات في هذه الوحدات الفرعية إلى إلغاء وظيفة إنزيم COX. ^{[ 11 ]}

من المعروف أن عملية التجميع تحدث في ثلاث خطوات متميزة على الأقل تحدد معدل التفاعل. وقد تم العثور على نواتج هذه الخطوات، على الرغم من عدم تحديد تركيبات الوحدات الفرعية المحددة. ^{[ 11 ]}

تُسهّل مُنشّطات الترجمة عملية تخليق وتجميع الوحدات الفرعية I وII وIII لإنزيم COX، حيث تتفاعل هذه المُنشّطات مع المناطق غير المترجمة 5' من نسخ mRNA للميتوكوندريا. تُشفّر مُنشّطات الترجمة في النواة، ويمكنها العمل من خلال تفاعل مباشر أو غير مباشر مع مكونات أخرى لآلية الترجمة، إلا أن الآليات الجزيئية الدقيقة لا تزال غير واضحة نظرًا للصعوبات المرتبطة بتخليق آلية الترجمة في المختبر. ^{[ 16 ] [ 17 ]} وعلى الرغم من أن التفاعلات بين الوحدات الفرعية I وII وIII المُشفّرة ضمن جينوم الميتوكوندريا تُسهم بشكل أقل في استقرار الإنزيم مقارنةً بالتفاعلات بين الوحدات الفرعية ثنائية الجينوم، إلا أن هذه الوحدات الفرعية أكثر حفظًا، مما يُشير إلى أدوار محتملة غير مُستكشفة لنشاط الإنزيم. ^{[ 18 ]}

التفاعل الكلي هو

4 Fe²⁺ ^– سيتوكروم c + 4 H⁺ ⁺ O₂ _→ 4 Fe³⁺ ^– سيتوكروم c + 2 H₂O _ΔG ° ' ⁼ -218 kJ/mol, E ^° ' = +565 mV

تنتقل إلكترونتان من جزيئين من السيتوكروم c، عبر موقعي Cu _A والسيتوكروم a، إلى المركز ثنائي النواة السيتوكروم _a3 -Cu _B ، مما يؤدي إلى اختزال الفلزات إلى Fe²⁺ ^و Cu⁺ ^. يُبرتَن ربيطة الهيدروكسيد وتُفقد على شكل ماء، مما يُحدث فراغًا بين الفلزات يملؤه الأكسجين . يُختزل الأكسجين بسرعة، حيث تأتي إلكترونتان من Fe²⁺- ^{سيتوكروم} a3 _، الذي يتحول إلى شكل فيريل أوكسو (Fe⁴⁺ ₌ ^O ). تكتسب ذرة الأكسجين القريبة من Cu _{B إلكترونًا واحدًا من} ^Cu⁺ ، وإلكترونًا ثانيًا وبروتونًا من مجموعة الهيدروكسيل في Tyr(244)، الذي يتحول إلى جذر تيروسيل. يتحول الأكسجين الثاني إلى أيون هيدروكسيد باكتسابه إلكترونين وبروتون. ينتقل إلكترون ثالث من سيتوكروم c آخر عبر حاملي الإلكترون الأولين إلى المركز ثنائي النواة سيتوكروم a3 _- CuB _، حيث يحول هذا الإلكترون وبروتونان جذر التيروسيل إلى تيروسين، وأيون الهيدروكسيد المرتبط بـ CuB2 ₊ ^إلى جزيء ماء. ثم ينتقل الإلكترون الرابع من سيتوكروم c آخر عبر CuA _{والسيتوكروم} a إلى المركز ثنائي النواة سيتوكروم _a3 - _{CuB ، مختزلاً Fe4} ⁺ =O إلى Fe3 ⁺ ، مع اكتساب ذرة الأكسجين بروتونًا في الوقت نفسه، مما يعيد تكوين هذا الأكسجين كأيون هيدروكسيد مرتبط في منتصف مركز سيتوكروم a3 _- CuB _كما كان في بداية هذه الدورة. إجمالاً، تتأكسد أربعة سيتوكرومات c مختزلة، بينما يُختزل الأكسجين وأربعة بروتونات إلى جزيئين من الماء _. ^{[ 4 ] : ​​841-5}  

يوجد إنزيم COX في ثلاث حالات بنيوية: مؤكسد بالكامل (نبضي)، ومختزل جزئيًا، ومختزل بالكامل. لكل مثبط ألفة عالية لحالة مختلفة. في الحالة النبضية، يكون كل من مركز الهيم a3 _ومركز CuB _النووي مؤكسدًا؛ وهذه هي الحالة البنيوية للإنزيم التي تتمتع بأعلى نشاط. يبدأ اختزال ثنائي الإلكترون تغييرًا بنيويًا يسمح للأكسجين بالارتباط بالموقع النشط للإنزيم المختزل جزئيًا. ترتبط أربعة إلكترونات بإنزيم COX لاختزاله بالكامل. تُعتبر حالته المختزلة بالكامل، والتي تتكون من Fe2 ⁺ مختزل في مجموعة الهيم للسيتوكروم a3 _{ومركز ثنائي النواة CuB} ⁺ مختزل، الحالة غير النشطة أو حالة الراحة للإنزيم. ^{[ 19 ]}

يرتبط كل من السيانيد والأزيد وأول أكسيد الكربون [ 20 ^{] بإنزيم سيتوكروم}  سي أوكسيداز، مما يمنع البروتين من أداء وظيفته ويؤدي إلى اختناق الخلايا كيميائيًا. ويتطلب تعويض زيادة تركيز المثبط تركيزات أعلى من الأكسجين الجزيئي، مما يؤدي إلى انخفاض عام في النشاط الأيضي للخلية في وجود المثبط. كما يمكن لبعض الروابط الأخرى، مثل أكسيد النيتريك وكبريتيد الهيدروجين، أن تثبط إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز عن طريق الارتباط بمواقع تنظيمية على الإنزيم، مما يقلل من معدل التنفس الخلوي. ^{[ 21 ]}

يُعدّ السيانيد مثبطًا غير تنافسي لإنزيم COX، ^{[ 22 ] [ 23 ]} إذ يرتبط بانجذاب عالٍ بالحالة المختزلة جزئيًا للإنزيم، مما يعيق اختزاله بشكل أكبر. في الحالة النبضية، يرتبط السيانيد ببطء، ولكن بانجذاب عالٍ. يُفترض أن الرابطة تُثبّت كلا المعدنين معًا كهروستاتيكيًا من خلال التمركز بينهما. يؤدي تركيز عالٍ من أكسيد النيتريك، كما هو الحال عند إضافته خارجيًا إلى الإنزيم، إلى عكس تثبيط السيانيد لإنزيم COX. ^{[ 24 ]}

يمكن لأكسيد النيتريك أن يرتبط بشكل عكسي ^{[ 25 ]} بأي من أيوني المعدن في المركز ثنائي النواة ليتأكسد إلى نتريت. يتنافس كل من أكسيد النيتريك وأيون السيانيد ^مع الأكسجين للارتباط بالموقع، مما يقلل من معدل التنفس الخلوي. مع ذلك، فإن أكسيد النيتريك الداخلي، الذي يُنتج بمستويات منخفضة، يعزز تثبيط السيانيد ^. تؤدي المستويات الأعلى من أكسيد النيتريك، والتي ترتبط بوجود المزيد من الإنزيم في الحالة المختزلة، إلى تثبيط أكبر للسيانيد. ^{[ 19 ]} عند هذه التركيزات الأساسية، من المعروف أن تثبيط أكسيد النيتريك للمركب الرابع له آثار مفيدة، مثل زيادة مستويات الأكسجين في أنسجة الأوعية الدموية. ينتج عن عدم قدرة الإنزيم على اختزال الأكسجين إلى ماء تراكم الأكسجين، الذي يمكن أن ينتشر بشكل أعمق في الأنسجة المحيطة. ^{[ 25 ]} يكون لتثبيط أكسيد النيتريك للمركب الرابع تأثير أكبر عند تركيزات الأكسجين المنخفضة، مما يزيد من فائدته كموسع للأوعية الدموية في الأنسجة المحتاجة. ^{[ 25 ]}

يرتبط كبريتيد الهيدروجين بإنزيم COX بطريقة غير تنافسية في موقع تنظيمي على الإنزيم، على غرار أول أكسيد الكربون. يتمتع الكبريتيد بأعلى ألفة لكل من حالتي الإنزيم، سواءً كانت الحالة النبضية أو المختزلة جزئيًا، وهو قادر على اختزال الإنزيم جزئيًا عند مركز الهيم ألفا _3. من غير الواضح ما إذا كانت مستويات كبريتيد الهيدروجين الذاتية _كافية لتثبيط الإنزيم. لا يوجد تفاعل بين كبريتيد الهيدروجين والشكل المختزل كليًا لإنزيم COX. ^{[ 21 ]}

يتحول الميثانول الموجود في الكحول الميثيلي إلى حمض الفورميك ، الذي يثبط بدوره نظام الأكسيداز نفسه. ويمكن لمستويات عالية من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) أن تثبط أوكسيداز السيتوكروم سي بشكل غير مباشر  ، وذلك عن طريق الارتباط من داخل مصفوفة الميتوكوندريا. ^{[ 26 ]}

يتكون إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز من ثلاث وحدات فرعية مشفرة بواسطة الحمض النووي للميتوكوندريا ( الوحدة  الفرعية الأولى ، والوحدة الفرعية الثانية ، والوحدة الفرعية الثالثة ). من بين هذه الوحدات الفرعية الثلاث، تم تحديد اثنتين في مواقع خارج الميتوكوندريا. في نسيج خلايا البنكرياس العنيبية ، وُجدت هذه الوحدات الفرعية في حبيبات الزيموجين . بالإضافة إلى ذلك، في الغدة النخامية الأمامية ، وُجدت كميات كبيرة نسبيًا من هذه الوحدات الفرعية في حبيبات إفراز هرمون النمو . ^{[ 27 ]}  لم يتم بعد تحديد وظيفة هذه الوحدات الفرعية لإنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز خارج الميتوكوندريا. إلى جانب  وحدات سيتوكروم سي أوكسيداز الفرعية، لوحظ أيضًا وجود عدد كبير من البروتينات الميتوكوندرية الأخرى خارج الميتوكوندريا. ^{[ 28 ] [ 29 ]} يثير هذا احتمال وجود آليات محددة لم يتم تحديدها بعد لنقل البروتينات من الميتوكوندريا إلى وجهات خلوية أخرى. ^{[ 27 ] [ 29 ] [ 30 ]}

قد تؤدي العيوب الناتجة عن طفرات جينية تُغير وظيفة أو بنية إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز (COX) إلى اضطرابات أيضية حادة، وغالبًا ما تكون مميتة . تظهر هذه الاضطرابات عادةً في مرحلة الطفولة المبكرة، وتؤثر بشكل رئيسي على الأنسجة ذات الاحتياجات العالية من الطاقة (الدماغ، القلب، العضلات). ومن بين العديد من أمراض الميتوكوندريا المصنفة ، يُعتقد أن تلك التي تنطوي على خلل في تجميع إنزيم COX هي الأخطر. ^{[ 31 ]} 

ترتبط الغالبية العظمى من اضطرابات إنزيم السيتوكروم سي أوكسيداز (COX) بطفرات في البروتينات المشفرة نوويًا والتي تُعرف بعوامل التجميع أو بروتينات التجميع. تساهم هذه العوامل في بنية ووظيفة إنزيم السيتوكروم سي أوكسيداز، وتشارك في العديد من العمليات الأساسية، بما في ذلك نسخ وترجمة الوحدات الفرعية المشفرة في الميتوكوندريا، ومعالجة البروتينات الأولية وإدخالها في الغشاء، وتخليق العوامل المساعدة ودمجها. ^{[ 32 ]}

تم تحديد طفرات في سبعة عوامل تجميع لإنزيم السيتوكروم سي أوكسيداز (COX): SURF1 ، وSCO1 ، وSCO2 ، و COX10 ، و COX15 ، و COX20 ، وCOA5، و LRPPRC . يمكن أن تؤدي الطفرات في هذه البروتينات إلى تغيير في وظائف تجميع المركبات الفرعية، أو نقل النحاس، أو تنظيم الترجمة. ترتبط كل طفرة جينية بمسببات مرض معين، وقد يكون لبعضها تأثيرات على اضطرابات متعددة. تشمل الاضطرابات التي تتضمن خللاً في تجميع إنزيم السيتوكروم سي أوكسيداز (COX) نتيجة طفرات جينية: متلازمة لي ، واعتلال عضلة القلب ، واعتلال المادة البيضاء ، وفقر الدم ، والصمم الحسي العصبي .

يُسهّل اعتماد الخلايا العصبية المتزايد على الفسفرة التأكسدية للحصول على الطاقة ^{[ 33 ]} استخدامَ الكيمياء النسيجية لإنزيم COX في رسم خرائط استقلاب الدماغ الإقليمي لدى الحيوانات، إذ تُرسّخ هذه التقنية ارتباطًا مباشرًا وإيجابيًا بين نشاط الإنزيم والنشاط العصبي. ^{[ 34 ]} ويتضح ذلك من خلال الارتباط بين كمية إنزيم COX ونشاطه، مما يُشير إلى تنظيم COX على مستوى التعبير الجيني. يختلف توزيع إنزيم COX بين مناطق الدماغ المختلفة، لكن نمط توزيعه ثابت بين الحيوانات. وقد لوحظ هذا النمط في أدمغة القرود والفئران والعجول. وتم الكشف باستمرار عن أحد نظائر إنزيم COX في التحليل النسيجي الكيميائي للدماغ. ^{[ 35 ]} وقد أُنجز رسم خرائط الدماغ هذا في فئران طافرة تلقائيًا مصابة بأمراض مخيخية مثل فئران ريلر ^{[ 36 ]} ، وفي نموذج مُعدّل وراثيًا لمرض الزهايمر . ^{[ 37 ]} كما استُخدمت هذه التقنية لرسم خرائط نشاط التعلّم في دماغ الحيوان. ^{[ 38 ]}

• 
  إلخ
• 
  المركب الرابع

• الوحدة الفرعية الأولى من إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز
• الوحدة الفرعية الثانية من إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز
• الوحدة الفرعية الثالثة من أوكسيداز السيتوكروم سي
• هيم أ

• الصفحة الرئيسية لأكسيداز السيتوكروم في جامعة رايس
• نموذج جزيئي تفاعلي لأكسيداز السيتوكروم سي (يتطلب MDL Chime )
• توجيه البروتينات في الأغشية - عائلات/عائلة فائقة 4
• السيتوكروم سي + أوكسيداز في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب