CYTOCHROME C OXYDASE: STRUCTURE, FONCTIONS, INHIBITEURS - LA BIOLOGIE - 2025

La cytochrome c oxydase est un complexe de protéines enzymatiques pouvant traverser la bicouche lipidique de la membrane cellulaire. Il est hémosoluble et est principalement associé à la membrane interne des mitochondries, se trouvant à la fois dans les organismes procaryotes (bactéries) et chez les eucaryotes (unicellulaires et multicellulaires).

Aussi appelée complexe IV, cette enzyme est vitale dans les fonctions métaboliques aérobies des organismes, car elle est essentielle dans la chaîne de transport d'électrons dans laquelle la cellule brûle les sucres et capte une partie de l'énergie libérée pour stocker l'adénosine triphosphate ou ATP.

Modèle boule-et-bâton de l'hème, d'une molécule trouvée dans la structure cristalline de la cytochrome c oxydase dans le cœur de bovin. Tiré et édité de: Benjah-bmm27.

Le nom cytochrome signifie «pigments cellulaires». Ce sont des protéines sanguines qui transportent des électrons. Les cytochromes ont été découverts par le médecin irlandais Charles Alexander MacMunn en 1884. MacMunn a été le pionnier de la découverte du pigment respiratoire dans le sang, aujourd'hui appelé cytochrome 1.

Dans les années 1920, l'entomologiste et parasitologue russe David Keilin a redécouvert et caractérisé les pigments respiratoires et c'est lui qui les a nommés cytochromes. Bien que MacMunn les ait découverts en 1884, la communauté scientifique l'avait oublié et certains avaient même mal interprété ses travaux.

Caractéristiques générales

En général, les pigments respiratoires ont des spectres de lumière visible caractéristiques. On sait qu'il existe au moins quatre complexes de protéines membranaires intégrales dans lesquels il existe 5 types différents de cytochromes: a, a3, b, c1 et c, classés selon les longueurs d'onde des maxima d'absorption spectrale.

Ils se trouvent généralement sur la membrane interne des mitochondries. Cependant, ils ont également été observés dans le réticulum endoplasmique et les chloroplastes, chez les organismes eucaryotes et procaryotes.

Ils présentent le groupe prothétique hème contenant du fer (Fe). Chacun des cytochromes connus agit dans des complexes multienzymes dans le transport d'électrons dans le processus ou la chaîne respiratoire.

Les cytochromes ont pour fonction de participer aux réactions d'oxydoréduction. Les réactions de réduction, où elles acceptent des électrons, se produisent différemment pour chaque type de cytochrome, et leur valeur est déterminée par le flux d'électrons dans la chaîne respiratoire.

-Cytochrome c

Quatre classes de cytochrome c sont connues, qui sont les suivantes.

Classe I

Dans cette classe se trouvent les cytochromes solubles à faible spin c (lowspin), présents dans les bactéries et les mitochondries. Ils sont octaédriques. Le site de liaison à l'hème est à l'extrémité N-terminale de l'histidine et le sixième ligand est fourni par un résidu méthionine à l'extrémité C-terminale.

De cette classe, plusieurs sous-classes peuvent même être reconnues, dont la structure tridimensionnelle a été déterminée.

Classe II

Le cytochrome c à spin élevé et certains cytochromes à faible spin se trouvent dans cette classe. Ceux avec un tour élevé ont le site de liaison proche de l'extrémité C-terminale, et chez ceux avec un tour bas, le sixième ligand semble être un résidu méthionine près de l'extrémité N (N-terminus en anglais). Ils sont pentacoordonnés avec le cinquième ligand histidine.

Classe III

Cette classe se caractérise par la présentation de cytochromes c à hème multiple (c3 et c7) et à faible potentiel d'oxydoréduction, avec seulement 30 résidus d'acides aminés par groupe hème. Chez les représentants de cette classe, les groupes hème c ont une structure et des fonctions non équivalentes, en plus de présenter des potentiels redox différents. Ils sont octaédriques.

Classe IV

Selon certains auteurs, cette classe a été créée uniquement pour inclure des protéines complexes que d'autres groupes prothétiques présentent, ainsi que l'hème c, ou flavocytochrome c, entre autres.

Cytochrome c oxydase ou complexe IV

La cytochrome c oxydase est une enzyme mitochondriale qui effectue la phase finale du transport d'électrons dans la respiration cellulaire. Cette enzyme catalyse le transport des électrons du cytochrome c réduit vers l'oxygène.

Certains composés chimiques tels que le cyanure, le dioxyde de carbone et l'azide, peuvent inhiber le fonctionnement de cette enzyme, provoquant la soi-disant asphyxie chimique cellulaire. D'autres formes d'inhibition du complexe IV sont des mutations génétiques.

D'un point de vue évolutif, la cytochrome c oxydase ne se trouve que dans les organismes aérobies, et plusieurs groupes de scientifiques suggèrent que la présence de cette protéine indique des relations évolutives où les plantes, les champignons et les animaux partageaient un ancêtre commun.

Structure

La cytochrome c oxydase forme un complexe homodimérique, c'est-à-dire composé de deux monomères similaires dans la membrane interne des mitochondries. Le complexe enzymatique se compose de 3 à 4 sous-unités dans les organismes procaryotes et jusqu'à un maximum de 13 (certains suggèrent 14) polypeptides dans des organismes tels que les mammifères.

Dans ces organismes, 3 polypeptides sont d'origine mitochondriale et le reste provient du noyau. Chaque monomère a 28 hélices transmembranaires qui séparent les domaines hydrophiles contre la matrice membranaire et l'espace intermembranaire.

Il a une seule unité catalytique, qui se trouve dans toutes les enzymes qui catalysent les réactions d'oxydation / réduction, en utilisant l'oxygène moléculaire (oxydases, en particulier l'hème-cuivre). Le complexe contient des cytochromes a et a3 liés par la sous-unité I et deux centres de cuivre.

Il a un ou plusieurs groupes hème c liés à la structure protéique environnante par une ou plusieurs (généralement deux) liaisons thioéther. D'autres auteurs suggèrent qu'il existe un seul groupe hème C lié de manière covalente à la protéine entre le cycle porphyrine et deux résidus cystéine.

Le seul groupe hème c mentionné ci-dessus est entouré de résidus hydrophobes et est hexacoordonné, avec l'histidine en position 18 de la chaîne polypeptidique et la méthionine en position 80.

Sous-unité F du cytochrome c oxydase. Tiré et édité de: Jawahar Swaminathan et le personnel MSD de l'Institut européen de bioinformatique

Caractéristiques

Les cytochrome c oxydases sont des protagonistes de trois mécanismes physiologiques principaux, que nous verrons ci-dessous.

Apoptose ou mort cellulaire programmée

L'apoptose est la destruction ou la mort programmée des cellules, provoquée par l'organisme lui-même et dont le but est de contrôler la croissance, le développement, l'élimination des tissus endommagés et la régulation du système immunitaire. Dans ce processus physiologique, la cytochrome c oxydase participe en tant qu'intermédiaire.

Cette protéine, libérée par les mitochondries, conduit à une interaction avec le réticulum endoplasmique, ce qui provoque la sécrétion ou la libération de calcium. L'augmentation progressive du calcium déclenche une libération massive de cytochrome c oxydase, jusqu'à ce que les niveaux cytotoxiques de calcium soient atteints.

Les niveaux cytotoxiques de calcium et la libération de cytochromes provoquent l'activation en cascade de plusieurs enzymes caspases, responsables de la destruction des cellules.

Régénération cellulaire ou tissulaire

Plusieurs études indiquent que lorsque le cytochrome c oxydase est exposé à des longueurs d'onde de 670 nanomètres, il participe à un complexe fonctionnel, qui pénètre dans les tissus endommagés ou blessés et augmente le taux de régénération cellulaire.

Le métabolisme énergétique

C'est peut-être la fonction la plus connue et la plus pertinente de la cytochrome c oxydase. C'est précisément le complexe oxydase (de la chaîne respiratoire) qui est responsable de la collecte des électrons du cytochrome c et de leur transfert vers la molécule d'oxygène, en la réduisant à deux molécules d'eau.

Reliée à ce processus, une translocation de protons se produit à travers la membrane, entraînant la génération d'un gradient électrochimique que le complexe ATP synthétase utilise pour produire ou synthétiser l'ATP (adénosine triphosphate).

Les inhibiteurs

La cytochrome c oxydase est inhibée par divers composés et processus chimiques. La façon dont cela se produit peut survenir comme un moyen naturel de réguler la production ou l'action de l'enzyme ou cela peut se produire accidentellement en raison d'un empoisonnement.

En présence d'azide, de cyanure ou de monoxyde de carbone, la cytochrome c oxydase se lie à ceux-ci et le fonctionnement du complexe protéique est inhibé. Cela provoque une perturbation du processus respiratoire cellulaire et provoque ainsi la suffocation chimique des cellules.

D'autres composés tels que l'oxyde nitrique, le sulfure d'hydrogène, le méthanol et certains alcools méthylés provoquent également une inhibition de la cytochrome c oxydase.

Carence

La cytochrome c oxydase est une enzyme contrôlée par des gènes à la fois dans le noyau et dans les mitochondries. Il existe des altérations ou mutations génétiques qui peuvent entraîner une carence en cytochrome c oxydase.

Ces mutations perturbent la fonctionnalité de l'enzyme, car elles altèrent sa structure enzymatique, entraînant des troubles métaboliques au cours du développement embryonnaire (selon des études humaines), qui affecteront plus tard l'organisme dans ses premières années de vie.

Le déficit en cytochrome c oxydase affecte les tissus à forte demande énergétique, tels que le cœur, le foie, le cerveau et les muscles. Les symptômes de ces mutations se reflètent avant les deux ans de vie et peuvent se manifester par des conditions fortes ou bénignes.

Des symptômes légers peuvent être observés même peu de temps après la première année d'âge, et les personnes qui en souffrent ne présentent généralement qu'une diminution de la tension musculaire (hypotonie) et une atrophie musculaire (myopathie).

D'autre part, les personnes présentant des symptômes plus forts peuvent avoir une atrophie musculaire et une encéphalomyopathie. D'autres conditions causées par l'absence de cytochrome c oxydase sont la cardiomyopathie hypertrophique, l'élargissement pathologique du foie, le syndrome de Leigh et l'acidose lactique.

Utilisations en phylogénie

La phylogénie est la science qui est responsable des études sur l'origine, la formation et le développement évolutif du point de vue de l'ancêtre-descendant des organismes. Au cours des dernières décennies, les études de phylogénie avec analyse moléculaire ont été de plus en plus fréquentes, fournissant beaucoup d'informations et résolvant des problèmes taxonomiques.

En ce sens, certaines études phylogénétiques indiquent que l'utilisation de cytochrome c oxydases peut aider à établir des relations évolutives. En effet, ce complexe protéique est hautement conservé et est présent dans une grande variété d'organismes, allant des protistes unicellulaires aux grands vertébrés.

Des exemples en sont les tests effectués sur des humains, des chimpanzés (Pan paniscus) et des macaques rhésus (Macaca mulatta). Ces tests ont révélé que les molécules de cytochrome c oxydase humaine et chimpanzé étaient identiques.

Il a également montré que les molécules du cytochrome c oxydase du macaque rhésus différaient d'un acide aminé de celles des deux premiers, réaffirmant par conséquent les relations ancêtres-descendants entre les chimpanzés et les humains.

Références

1. RP Ambler (1991). Variabilité de séquence dans les cytochromes bactériens c. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioénergétique.
2. Cytochrome c. Récupéré de newworldencyclopedia.org.
3. V. Colman, E. Costa, R. Chaves, V. Tórtora (2015). Rôles biologiques du cytochrome c: transport d'électrons mitochondriaux, mort cellulaire programmée et gain d'activité peroxyde. Annales de la Faculté de médecine.
4. Sous-unité I de la cytochrome c oxydase. Récupérée de ebi.ac.uk.
5. L. Youfen, P. Jeong-Soon, D. Jian-Hong et B. Yidong (2007). La sous-unité IV du cytochrome c oxydase est essentielle pour l'assemblage et la fonction respiratoire du complexe enzymatique. Journal of Bioenergetics and Biomembranes.
6. Groupe de gènes: Complexe mitochondrial IV: sous-unités de la cytochrome c oxydase (COX, MT-CO). Récupéré de genenames.org.
7. EF Hartree (1973). La découverte du cytochrome. Éducation biochimique.
8. Cytochrome c oxydase, déficit en…. Récupéré de ivami.com.
9. CK Mathews, KE van Holde et KG Ahern (2002). Biochimie. 3e édition. Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc.