細胞色素氧化酶

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細胞色素c氧化酶（英語：Cytochrome c oxidase）是一種氧化還原酶，通用名為「細胞色素-c氧化酶」，系統名稱為「亞鐵細胞色素-c:氧氣氧化還原酶」（EC 1.9.3.1）。它是一種存在於細菌或粒線體上的大型跨膜蛋白複合物。由於細胞色素氧化酶是呼吸電子傳遞鏈的第四個中心酶複合物，因此又被稱為複合物IV（英文Complex IV）。它可以接受來自四個細胞色素c的四個電子，並傳遞到一個氧氣分子上，將氧氣轉化為兩個水分子。在這一進程中，它結合來自基質內的四個質子來製造水分子，同時跨膜轉運四個質子，從而有助於形成跨膜的質子電化學勢能差，而這一勢能差可以被三磷酸腺苷合酶用於製造生物體中最基本的能量分子ATP。

目錄 1 結構 2 組裝 3 生物化學性質 4 抑制劑 5 相關遺傳紊亂疾病 6 參考資料 7 外部連結 8 參考來源

結構

細胞色素氧化酶複合物是一個大型蛋白質，位於粒線體內膜（inner-membrane）上，含有多個金屬輔因子和13個亞基（在哺乳動物細胞中）。其中，10個亞基是來自細胞核，而另外三個亞基則是在粒線體中合成。複合物還含有兩個血紅素、一個細胞色素a和細胞色素a₃以及兩個銅中心（Cu_A和Cu_B）。^[1]實際上，細胞色素a₃和Cu_B形成了一個雙核心中心，作為氧氣的還原位點。細胞色素c被呼吸鏈複合物III還原後，會結合到Cu_A雙核中心，並把一個電子傳遞給雙合中心，細胞色素c本身則恢復氧化狀態（細胞色素c上的鐵從+2價氧化到+3價）。被還原的Cu_A雙核中心再將一個電子通過細胞色素a傳遞給細胞色素a₃-Cu_B雙核中心。在這一雙核中心上的兩個金屬離子相距4.5Å，並通過一個處於完全氧化狀態的氫氧根離子相連接。

對牛細胞色素氧化酶的結構研究顯示，它發生了特殊的翻譯後修飾，即其244位上的酪氨酸（Tyr244）的C6原子和240位上的組氨酸Nε原子被共價連接。這一修飾作用在細胞色素a₃-Cu_B雙核中心接受4個電子來將氧氣還原為水分子的過程中發揮了重要作用。過去認為還原機制包括有一個可以導致超氧化物形成的過氧化物中間體。但現在普遍接受的機制是一個快速的四電子還原過程，包括迅速的氧-氧鍵剪切，以避免任何中間產物形成超氧化物的可能性。^[2]

組裝

細胞色素氧化酶是由多個亞基和輔因子組成的，必須要通過組裝才能形成完成的活性分子。它的組裝位點被認為接近TOM/TIM複合體；在這一位置，複合物中間體可以與來自原生質中的亞基結合。血紅素和輔因子被插入到亞基I和II中。亞基I和IV可以啟動組裝。其他亞基可以先形成亞複合物中間體，然後再與亞基I和IV結合形成完整的細胞色素氧化酶。在組裝後修飾中，酶分子發生二聚化以獲得有效的酶活性。二聚體是通過一個心磷脂（cardiolipin）分子來連接。整個組裝機制的信息已經得到大量的揭示，^[3] 但具體過程還有待進一步的研究。

生物化學性質

細胞色素氧化酶催化的整體反應是：

4 Fe²⁺-細胞色素c + 8 H⁺_進 + O₂ → 4 Fe³⁺-細胞色素c + 2 H₂O + 4 H⁺_出

整個催化過程^[4] 如下：首先兩個電子從兩個細胞色素c分子通過Cu_A和細胞色素a傳遞到細胞色素a₃-Cu_B雙核中心，將中心的金屬還原為Fe⁺²和Cu⁺¹。連接兩個金屬離子的氫氧根在被質子化後生成水分子而被釋放，從而兩個金屬離子之間產生了一個空腔，這一空腔被一個氧氣分子所填充。氧氣分子與細胞色素a₃中的鐵原子結合形成鐵氧結合形式（Fe⁺²-O₂）。結合的氧很快被還原，其中一個氧原子與鐵形成Fe⁺⁴=O形式；而另一個接近Cu_B的氧原子接受來自Cu⁺¹的一個電子和來自Tyr244上羥基的一個電子和一個質子，被轉化為一個氫氧根，同時Tyr244轉變為酪氨醯自由基。來自另一個細胞色素c分子的第三個電子通過相同的途徑被傳遞到細胞色素a₃-Cu_B雙核中心，隨後這個電子和兩個質子將酪氨醯自由基重新還原為酪氨酸，並將結合在Cu_B⁺²上的氫氧根轉化為水分子。同樣來自細胞色素c分子的第四個電子在進入細胞色素a₃-Cu_B雙核中心後，將Fe⁺⁴=O還原為Fe⁺³，同時氧原子接受一個質子轉變為一個氫氧根連接於細胞色素a₃-Cu_B中心，從而整個循環回到起始狀態。整個反應過程淨利用了4個還原的細胞色素c分子（提供4個電子）、4個質子（消耗8個，產生4個），將一個氧氣分子還原為兩個水分子。

抑制劑

氰化物、硫化氫、疊氮化合物和一氧化碳^[5] 都能夠與細胞色素氧化酶結合，並抑制其活性，從而造成細胞的「化學窒息」。

相關遺傳紊亂疾病

細胞色素氧化酶基因上的缺陷，包括突變，能夠導致嚴重的常常甚至是致命的代謝紊亂。這種紊亂通常出現在幼兒時代的早期，並且主要影響需要高能量的組織器官（腦、心臟、肌肉）。在許多分級的粒線體疾病中，與細胞色素氧化酶組裝缺陷的疾病被認為是最嚴重的。^[6]

細胞色素氧化酶所造成的紊亂主要是與細胞核編碼的作為組裝因子的亞基蛋白上的突變相關。這些組裝因子對於酶複合物的結構和功能都是非常重要的，它們參與了多個關鍵的進程，包括粒線體編碼的亞基的轉錄和翻譯、對前體蛋白的剪切以及膜的插入、輔因子的生物合成以及插入。^[7]

在病人體內發現的帶有突變的組裝因子有SURF1、SCO1、SCO2、COX10、COX15和LRPPRC。這些突變能夠導致亞複合物的組裝、銅的運輸或轉錄調控的功能發生改變。每一個基因突變都與一種特定疾病相關，其中一些還與多種紊亂疾病相關。由於基因突變引起的細胞色素氧化酶組裝缺陷相關的紊亂症包括Leigh症候群、心肌病（cardiomyopathy）、腦白質病（leukodystrophy）、貧血和感覺神經性耳聾。

參考資料

外部連結

• The Cytochrome Oxidase home page at Rice University
• Interactive Molecular model of cytochrome c oxidase (Requires MDL Chime)
• Template:UMichOPM
• MeSH（醫學主題詞）上面的Cytochrome-c+Oxidase

代謝：三羧酸循環酶類 循環 檸檬酸合酶 · 順烏頭酸酶 · 異檸檬酸脫氫酶 · 酮戊二酸脫氫酶 · 琥珀醯輔酶A合成酶 琥珀酸脫氫酶（SDHA） · 延胡索酸酶 · 蘋果酸脫氫酶 回補反應 到乙醯輔酶A 丙酮酸脫氫酶複合物（丙酮酸脫氫酶、二氫硫辛酸轉乙醯基酶和二氫硫辛醯胺脫氫酶） （被丙酮酸脫氫酶激酶與丙酮酸脫氫酶磷酸酶所調節） 到α-酮戊二酸 谷氨酸脫氫酶 到琥珀醯輔酶A 甲基丙二醯輔酶A變位酶 到草醯乙酸 丙酮酸羧化酶 · 天冬氨酸氨基轉移酶 粒線體 電子傳遞鏈/ 氧化磷酸化 主要 複合體Ⅰ/還原性煙醯胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶 · 複合體Ⅱ/琥珀酸脫氫酶 · 泛醌 · 複合體Ⅲ/輔酶Q–細胞色素c還原酶 · 細胞色素c · 複合體IV/細胞色素c氧化酶 泛醌合成：COQ2 · COQ3 · COQ4 · COQ5 · COQ6 · COQ7 · COQ9 · COQ10A · COQ10B · PDSS1 · PDSS2 其他 旁路氧化酶 · 電子傳遞黃素蛋白脫氫酶

離子泵：質子泵：氧化還原驅動轉運體（TC 3D) 電子傳遞鏈 電子傳遞鏈複合體Ⅰ · 電子傳遞鏈複合體Ⅲ · 電子傳遞鏈複合體Ⅳ 其他 細胞色素b6f複合體 · 無機焦磷酸酶 · V-ATP酶

粒線體蛋白質 外膜 脂肪酸降解（肉鹼棕櫚醯轉移酶I、長脂肪醯輔酶A合成酶） 色氨酸代謝（犬尿氨酸酶） 單胺類神經遞質代謝（單胺氧化酶） 膜間隙 腺苷酸激酶 - 肌酸激酶 內膜 氧化磷酸化（輔酶Q–細胞色素c還原酶、細胞色素c、NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶） 嘧啶代謝（二氫乳清酸脫氫酶） 粒線體穿梭（蘋果酸-天冬氨酸穿梭、甘油磷酸穿梭） 其他（谷氨酸天冬氨酸轉運體、甘油-3-磷酸脫氫酶、三磷酸腺苷合酶、肉鹼棕櫚醯轉移酶Ⅱ、解偶聯蛋白） 基質 三羧酸循環（檸檬酸合酶、順烏頭酸酶、異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶複合體、琥珀醯輔酶A合成酶、延胡索酸酶、蘋果酸脫氫酶） 回補反應（天冬氨酸氨基轉移酶、谷氨酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶複合體） 尿素循環（氨甲醯磷酸合成酶I、鳥氨酸轉氨甲醯酶、N-乙醯谷氨酸合酶） 乙醇代謝（ALDH2） PMPCB 其他/待分類 類固醇生成（膽固醇側鏈裂解酶、類固醇11-β-羥化酶、醛固酮合成酶）、共濟蛋白 粒線體膜轉運蛋白（粒線體通透性轉換孔、粒線體載體） 粒線體DNA 複合體Ⅰ（MT-ND1、MT-ND2、MT-ND3、MT-ND4、MT-ND4L、MT-ND5、MT-ND6） - 複合體Ⅲ（MT-CYB） - 複合體Ⅳ（MT-CO1、MT-CO2、MT-CO3） 三磷酸腺苷合酶（MT-ATP6、MT-ATP8） tRNA（MT-TA、MT-TC、MT-TD、MT-TE、MT-TF、MT-TG、MT-TH、MT-TI、MT-TK、MT-TL1、MT-TL2、MT-TM、MT-TN、MT-TP、MT-TQ、MT-TR、MT-TS1、MT-TS2、MT-TT、MT-TV、MT-TW、MT-TY）

參考來源

• 維基百科-細胞色素c氧化酶

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