Cytochrom-c-Oxidase

Die COX ist als großer Enzymkomplex in der inneren Mitochondrienmembran verankert und besteht aus 13 Proteinuntereinheiten. 10 dieser Untereinheiten sind nucleär kodiert und werden während der Translation mit Hilfe von HSP70-Chaperonen und dem TOM/TIM-Transporterkomplex in das Mitochondrium importiert, die übrigen 3 Untereinheiten sind auf der mitochondrialen DNA kodiert und werden von der mitochondrialen Transkriptions- und Translationsmaschinerie gebildet. Die COX enthält als zentrale Zentren je zwei Kupferkomplexe Cu_A und Cu_B sowie zwei Hämgruppen Häm a und Häm a₃, welche beide ein zentrales Eisenatom Fe³⁺ enthalten. Cu_A und Häm a dienen als Elektronenüberträger, Cu_B und Häm a₃ bilden das binukleäre Zentrum zur Sauerstoffreduktion.

Die Reaktion, welche die COX katalysiert, ist die Reduktion von elementarem Sauerstoff zu Wasser mit Hilfe von 4 Elektronen sowie 4 Protonen. Die Reaktionsgleichung lautet dabei:

• 1O₂ + 4Cyt C [Fe2⁺] ---> 2O^2- + 2Cyt C [Fe3⁺]
• 2O^2- + 4H⁺ ---> 2H₂O

Bei dieser Reaktion werden 4 Protonen von der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum transportiert, wodurch dort ein Protonengradient gegenüber der Matrix entsteht, welcher von der ATP-Syntase (Komplex V) zur ATP-Synthese per oxidativer Phosphorylierung genutzt wird.

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Die Komplexe I bis IV der Atmungskette stellen Elektronen für die ATP-Synthese in den Mitochondrien bereit.

Das reduzierte Cytochrom C [Fe²⁺] erreicht dabei zunächst die Häm a Gruppe, deren zentrales Eisenatom mit einem positiveren Redoxpotential als Cytochrom C in der Lage ist, dieses zu oxidieren.

Da sowohl Cytochrom C als auch die Häm-Gruppe ein zentrales Eisenion als Reaktionszentrum besitzen, welches jeweils durch ein Elektron reduziert/oxidiert werden kann, benötigt es vier Redox-Zyklen zur Reduktion von 1O₂

Anschließend wird das Elektron auf das binukleäre Zentrum bestehend aus Häm a₃ und Cu_B übertragen, wodurch das zentrale Kupferion Cu²⁺ zu Cu¹⁺ reduziert wird. Ein weiteres Elektron reduziert das zentale Eisenatom Fe³⁺ zu Fe²⁺ und sättigt damit das binukleäre Zentrum. Die Bindung eines O₂ an das Zentrum führt zur Reoxidation und Formal zur Bildung eines gebundenen Peroxidanions O₂^2-. Dieses wird mit Hilfe eines weiteren Elektrons aus einem benachbarten Tyrosinrest gespalten und zu einer Hydroxylgruppen HO^- reduziert, welche an das Cu_B gebunden ist.

Das dritte, aus der Oxidation von Cyotochrom C gewonnene Elektron reduziert das entstandene Tyrosylradikal und das vierte Elektron reduziert das vebleibende Sauerstoffion, sodass eine zweite, diesmal an das Häm a₃ gebundene Hydroxylgruppe entsteht. Dank der Bereitstellung eines dritten Elektrons durch den Tyrosinrest wird die Bildung von Sauerstoff- oder Hyrodxylradikalen effektiv verhindert.

Die Sauerstoffbindungsstelle am binukleären Zentrum kann von einigen Substanzen gehemmt werden. Darunter unter anderem Cyanid (CN^-), Azid (N₃^-), Kohlenmonoxid (CO), Schwefelwasserstoff (H₂S) oder Stickstoffmonoxid (NO)

Nachgewiesen werden kann die COX über den Oxidasetest.