साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज

एंजाइम साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज या जटिल IV, (ईसी 1.9.3.1 था, जिसे अब ट्रांसलोकेस ईसी 7.1.1.9 के रूप में पुनर्वर्गीकृत किया गया है) यूकेरियोट्स के बैक्टीरिया, आर्किया और माइटोकॉन्ड्रिया में पाया जाने वाला एक बड़ा ट्रांसमेम्ब्रेन प्रोटीन कॉम्प्लेक्स है। यह झिल्ली में स्थित कोशिकाओं की श्वसन इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला का अंतिम एंजाइम है। यह चार साइटोक्रोम सी अणुओं में से प्रत्येक से एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है और उन्हें एक ऑक्सीजन अणु और चार प्रोटॉन में स्थानांतरित करता है, जिससे पानी के दो अणु बनते हैं। आंतरिक जलीय चरण से चार प्रोटॉन को बांधने के अलावा, यह झिल्ली के पार एक और चार प्रोटॉन को स्थानांतरित करता है, प्रोटॉन इलेक्ट्रोकेमिकल क्षमता के ट्रांसमेम्ब्रेन अंतर को बढ़ाता है, जिसे एटीपी सिंथेज़ ,तब एटीपी को संश्लेषित करने के लिए उपयोग करता है।

जटिल
कॉम्प्लेक्स एक बड़ा पूर्ण मेम्ब्रेन प्रोटीन है जो कई मेटल कृत्रिम साइट्स और स्तनधारियों में प्रोटीन उप इकाई  से बना है। स्तनधारियों में, ग्यारह उप इकाई मूल रूप से परमाणु होते हैं, और तीन माइटोकॉन्ड्रिया में संश्लेषित होते हैं। परिसर में दो हीम, एक साइटोक्रोम ए और साइटोक्रोम ए3, और दो तांबे के केंद्र, CuA और CuB केंद्र सम्मिलित हैं। [3] वास्तव में, साइटोक्रोम a3 और CuB एक द्विनाभिक केंद्र बनाते हैं जो ऑक्सीजन के अपचयन का स्थल है। साइटोक्रोम सी, जो श्वसन श्रृंखला के पूर्ववर्ती घटक (साइटोक्रोम बीसी1 कॉम्प्लेक्स, कॉम्प्लेक्स III) द्वारा अपचयित किया जाता है, क्यूए द्विनाभिकीय केंद्र के पास डॉक करता है और इसे एक इलेक्ट्रॉन पास करता है, साइटोक्रोम सी में Fe3+युक्त ऑक्सीकृत होता है। अपचयित CuAद्विनाभिक केंद्र अब एक इलेक्ट्रॉन को साइटोक्रोम a पर भेजता है, जो बदले में एक इलेक्ट्रॉन को साइटोक्रोम  a3>-CuB द्विनाभिक केंद्र पर भेजता है। इस द्विनाभिक केंद्र में दो धातु आयन 4.5 Å अलग हैं और पूरी तरह से ऑक्सीकृत अवस्था में एक हाइड्रॉक्साइड आयन का समन्वय करते हैं।

साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज के क्रिस्टलोग्राफिक अध्ययन एक असामान्य पोस्ट-ट्रांसलेशनल सुधार दिखाते हैं, C6 Tyr (244) और ε-N के His (240) (गोजातीय एंजाइम नंबरिंग) को जोड़ते हैं। यह आणविक ऑक्सीजन और चार प्रोटॉन को पानी में अपचयित करने में चार इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने के लिए साइटोक्रोम  a3- CuB द्विनाभिक केंद्र को सक्षम करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। कमी के तंत्र को पूर्व में एक पेरोक्साइड मध्यवर्ती सम्मिलित करने के लिए सोचा गया था, जिसके बारे में माना जाता था कि इससे सुपरऑक्साइड का उत्पादन होता है।  यद्यपि, वर्तमान में स्वीकृत तंत्र में तेजी से चार-इलेक्ट्रॉन कमी सम्मिलित  है, जिसमें तत्काल ऑक्सीजन-ऑक्सीजन बंधन दरार सम्मिलित  है, जिससे सुपरऑक्साइड बनाने की किसी भी मध्यवर्ती संभावना से बचा जा सकता है।

असेम्बली
यीस्ट में में COX असेंबली एक जटिल प्रक्रिया है जिसे हाइड्रोफोबिक उप इकाई के तीव्र और अपरिवर्तनीय एकत्रीकरण के कारण पूरी तरह से समझा नहीं जा सका है जो होलोनीजाइम संकर बनाते हैं, साथ ही उजागर हाइड्रोफोबिक पैच के साथ म्यूटेंट उप इकाई का एकत्रीकरण। COX उपइकाइयां परमाणु और माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम दोनों में कूटबद्‍ध हैं। COX कैटेलिटिक कोर बनाने वाली तीन उपइकाई माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम में कूटबद्‍ध हैं।

हेम्स और कॉफ़ेक्टर्स को उपइकाई I और II में डाला जाता है। दो हीम अणु उपइकाई I में रहते हैं, उपइकाई II में परिवहन में मदद करते हैं जहां दो तांबे के अणु इलेक्ट्रॉनों के निरंतर हस्तांतरण में सहायता करते हैं। उपइकाई I और IV असेंबली आरंभ करते हैं। अलग-अलग उप इकाई सब- संकर इंटरमीडिएट बनाने के लिए संबद्ध हो सकते हैं जो बाद में COX संकर बनाने के लिए अन्य उप इकाई से जुड़ जाते हैं। असेंबली के बाद के संशोधनों में, COX एक होमोडीमर बनाएगा। यह गतिविधि के लिए आवश्यक है। डिमर्स एक कार्डियोलिपिन अणु से जुड़े होते हैं,   जो होलोनीजाइम  संकर के स्थिरीकरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते पाए गए हैं। उप इकाई VIIa और III के पृथक्करण के साथ-साथ कार्डियोलिपिन को हटाने से एंजाइम गतिविधि का कुल नुकसान होता है। परमाणु जीनोम में कूटबद्‍ध उप इकाई को एंजाइम डिमराइजेशन और स्थिरता में भूमिका निभाने के लिए जाना जाता है। इन उप इकाई के उत्परिवर्तन COX फ़ंक्शन को समाप्त कर देते हैं।

असेंबली को कम से कम तीन अलग-अलग दर-निर्धारण चरणों में जाना जाता है। इन चरणों के उत्पाद पाए गए हैं, यद्यपि विशिष्ट उपइकाई संयोजन निर्धारित नहीं किए गए हैं।

COX उप इकाई I, II, और III के संश्लेषण और असेंबली को ट्रांसलेशनल एक्टिविस्ट्स द्वारा सुगम बनाया जाता है, जो माइटोकॉन्ड्रियल mRNA ट्रांसक्रिप्ट के 5' अनट्रांसलेटेड क्षेत्रों के साथ परस्परक्रिया करते हैं। ट्रांसलेशनल एक्टिवेटर्स न्यूक्लियस में कूटबद्‍ध हैं। वे अनुवाद मशीनरी के अन्य घटकों के साथ प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष परस्परक्रिया के माध्यम से काम कर सकते हैं, लेकिन इन-विट्रो में अनुवाद मशीनरी को संश्लेषित करने से जुड़ी कठिनाइयों के कारण सटीक आणविक तंत्र स्पष्ट नहीं हैं। यद्यपि माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम के भीतर कूटबद्‍ध  किए गए उपइकाई I, II और III के बीच की परस्परक्रिया, बिगेनोमिक उप इकाई के बीच की परस्परक्रिया की तुलना में एंजाइम स्थिरता में कम योगदान देती है, ये उप इकाई अधिक संरक्षित हैं, जो एंजाइम गतिविधि के लिए संभावित अस्पष्टीकृत भूमिकाओं का संकेत देते हैं।

जैव रसायन
समग्र प्रतिक्रिया है
 * 4 Fe2+ - साइटोक्रोम सी + 4H+ + O2→ 4 Fe3+ - साइटोक्रोम सी + 2 H2O ΔfGo '' = - 218 केजे/मोल

दो इलेक्ट्रॉन दो साइटोक्रोम c's से,CuAऔर साइटोक्रोम a साइट्स के माध्यम से साइटोक्रोम a3–CuB द्विनाभिक केंद्र में पारित किए जाते हैं, धातुओं को Fe2+ रूप और Cu+में अपचयित  हो जाते हैं।हाइड्रॉक्साइड लिगैंड प्रोटोनेटेड होता है और पानी के रूप में खो जाता है, जिससे धातुओं के बीच एक शून्य पैदा हो जाता है जो O2 से भर जाता है।Fe2+साइटोक्रोम a3 से आने वाले दो इलेक्ट्रॉनों के साथ, ऑक्सीजन तेजी से अपचयित हो जाते हैं जो फेरिल ऑक्सो फॉर्म (Fe4+=O) में परिवर्तित हो जाती है।CuBके करीब का ऑक्सीजन परमाणु Cu+ से एक इलेक्ट्रॉन, और एक दूसरा इलेक्ट्रॉन और Tyr(244) के हाइड्रॉक्सिल से एक प्रोटॉन लेता है, जो टायरोसिल रेडिकल बन जाता है। दूसरा ऑक्सीजन दो इलेक्ट्रॉनों और एक प्रोटॉन को लेकर एक हाइड्रॉक्साइड आयन में परिवर्तित हो जाता है। एक अन्य साइटोक्रोम c से एक तीसरा इलेक्ट्रॉन पहले दो इलेक्ट्रॉन वाहकों के माध्यम से साइटोक्रोम a3–CuB द्विनाभिक केंद्र में जाता है, और यह इलेक्ट्रॉन और दो प्रोटॉन टायरोसिल रेडिकल को वापस Tyr में परिवर्तित कर देते हैं, और CuB2+ से बंधे हाइड्रॉक्साइड को पानी के अणु में बदल देते हैं। एक अन्य साइटोक्रोम c से चौथा इलेक्ट्रॉन CuAऔर साइटोक्रोम a के माध्यम से साइटोक्रोम a3–CuBद्विनाभिक केंद्र में प्रवाहित होता है, Fe4+=O को Fe3+ में अपचयित करता है, ऑक्सीजन परमाणु एक साथ एक प्रोटॉन उठाता है, इस ऑक्सीजन को हाइड्रॉक्साइड आयन के रूप में पुन: उत्पन्न करता है साइटोक्रोम a3–CuBकेंद्र के मध्य में जैसा कि इस चक्र की शुरुआत में था। कुल मिलाकर, चार कम किए गए साइटोक्रोम सी का ऑक्सीकरण होता है जबकि O2 और चार प्रोटॉन दो पानी के अणुओं में अपचयित हो जाते हैं।

निषेध
COX तीन गठनात्मक अवस्थाओं में मौजूद है: पूरी तरह से ऑक्सीकृत (स्पंदित), आंशिक रूप से कम, और पूरी तरह से कम। प्रत्येक अवरोधक का एक अलग राज्य के लिए एक उच्च संबंध है। स्पंदित अवस्था में दोनों हीम a$3$ और क्यू$B$ परमाणु केंद्र ऑक्सीकृत होते हैं; यह उच्चतम गतिविधि वाले एंजाइम की रचना है। एक दो-इलेक्ट्रॉन कमी एक गठनात्मक परिवर्तन शुरू करती है जो ऑक्सीजन को आंशिक रूप से कम एंजाइम को सक्रिय साइट पर बाँधने की अनुमति देती है। एंजाइम को पूरी तरह से कम करने के लिए चार इलेक्ट्रॉन COX से जुड़ते हैं। इसकी पूरी तरह से कम अवस्था, जिसमें एक कम Fe होता है$2+$ साइटोक्रोम ए पर$3$ हीम समूह और एक घटा हुआ घन$B$$+$ द्विनाभिक केंद्र, एंजाइम की निष्क्रिय या विश्राम अवस्था माना जाता है।

निषेध
COX तीन गठनात्मक अवस्थाओं में मौजूद है: पूरी तरह से ऑक्सीकृत (स्पंदित), आंशिक रूप से कम, और पूरी तरह से अपचयित। प्रत्येक अवरोधक का एक अलग अवस्था के लिए एक उच्च संबंध है। स्पंदित अवस्था में, हीम a3 औरCuB परमाणु केंद्र दोनों ऑक्सीकृत होते हैं; यह उच्चतम गतिविधि वाले एंजाइम की रचना है। एक दो-इलेक्ट्रॉन अपचयन एक गठनात्मक परिवर्तन शुरू करती है जो ऑक्सीजन को आंशिक रूप से कम एंजाइम को सक्रिय साइट पर बाँधने की अनुमति देती है। एंजाइम को पूरी तरह से कम करने के लिए चार इलेक्ट्रॉन COX से जुड़ते हैं। इसकी पूरी तरह से अपचयित अवस्था, जिसमें साइटोक्रोम a3 हीम समूह में एक अपचयित Fe2+ और एक अपचयितCuB+  द्विनाभिक केंद्र सम्मिलित है, को एंजाइम की निष्क्रिय या आराम की अवस्था माना जाता है। साइनाइड, एजाइड और कार्बन मोनोआक्साइड सभी साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज से बंधते हैं, प्रोटीन को कार्य करने से रोकते हैं और कोशिकाओं के रासायनिक श्वासावरोध की ओर ले जाते हैं। अवरोधक सांद्रता में वृद्धि के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए आणविक ऑक्सीजन की उच्च सांद्रता की आवश्यकता होती है, जिससे अवरोधक की उपस्थिति में सेल में चयापचय गतिविधि में समग्र कमी आती है। अन्य लिगेंड, जैसे नाइट्रिक ऑक्साइड और हाइड्रोजन सल्फाइड, एंजाइम पर नियामक साइटों को बाध्य करके COX को रोक सकते हैं, कोशिकीय  श्वसन की दर को कम कर सकते हैं।

साइनाइड COX के लिए एक गैर-प्रतिस्पर्धी अवरोधक है, एंजाइम की आंशिक रूप से अपचयित स्थिति के लिए उच्च आत्मीयता के साथ बाध्यकारी है और एंजाइम के और अपचयन को रोकता है। स्पंदित अवस्था में साइनाइड धीरे-धीरे बंधता है, लेकिन उच्च आत्मीयता के साथ। लिगैंड को इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से दोनों धातुओं को एक ही बार में उनके बीच स्थित करके स्थिर करने के लिए प्रस्तुत किया जाता है। एक उच्च नाइट्रिक ऑक्साइड सांद्रता, जैसे कि एंजाइम में बहिर्जात रूप से जोड़ा गया, COX के साइनाइड निषेध को उलट देता है।

नाइट्रिक ऑक्साइड द्विनाभिक केंद्र में किसी भी धातु आयन को नाइट्राइट में ऑक्सीकृत करने के लिए विपरीत रूप से बांध सकता है। NO और CN− साइट पर बाध्य  करने के लिए ऑक्सीजन के साथ प्रतिस्पर्धा करेंगे, जिससे कोशिकीय श्वसन की दर कम होगी। अंतर्जात NO, यद्यपि, जो निचले स्तरों पर उत्पादित होता है, CN− निषेध को बढ़ाता है। NO का उच्च स्तर, जो  अपचयित अवस्था में अधिक एंजाइम के अस्तित्व के साथ संबंध रखता है, साइनाइड के अधिक निषेध का कारण बनता है। इन बेसल सांद्रता पर, कॉम्प्लेक्स IV के अवरोध को लाभकारी प्रभाव के लिए जाना जाता है, जैसे कि रक्त वाहिका के ऊतकों में ऑक्सीजन का स्तर बढ़ाना। पानी में ऑक्सीजन को कम करने के लिए एंजाइम की अक्षमता के परिणामस्वरूप ऑक्सीजन का निर्माण होता है, जो आसपास के ऊतकों में गहराई तक फैल सकता है। संकर IV के NO निषेध का कम ऑक्सीजन सांद्रता पर बड़ा प्रभाव पड़ता है, जिससे ज़रूरत के ऊतकों में वैसोडिलेटर के रूप में इसकी उपयोगिता बढ़ जाती है।

हाइड्रोजन सल्फाइड कार्बन मोनोऑक्साइड के समान एंजाइम पर एक नियामक साइट पर एक गैर-प्रतिस्पर्धी आचरण में सीओएक्स को बांध देगा। सल्फाइड में एंजाइम के स्पंदित या आंशिक रूप से अपचयित होने वाले अवस्थाओं के लिए उच्चतम संबंध है, और हीम ए$3$ पर एंजाइम को आंशिक रूप से अपचयित करने में सक्षम है$3$ केंद्र। यह स्पष्ट नहीं है कि अंतर्जात H2S स्तर एंजाइम को बाधित करने के लिए पर्याप्त हैं। हाइड्रोजन सल्फाइड और सीओएक्स की पूरी तरह से अपचयित संरचना के बीच कोई पारस्परिक क्रिया नहीं है।

मिथाइलेटेड स्पिरिट में मेथनॉल फॉर्मिक एसिड में परिवर्तित हो जाता है, जो उसी ऑक्सीडेज प्रणाली को भी रोकता है। एटीपी के उच्च स्तर माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स के भीतर से बाध्यकारी, साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज को पूरी तरह से रोक सकते हैं।

एक्स्ट्रामाइटोकोंड्रियल और उपकोशिकीय स्थानीयकरण
साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज में 3 उप इकाई हैं जो माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए (साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज उप इकाई I, उप इकाई II और उप इकाई III) द्वारा कूटलेखन किए गए हैं। माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए द्वारा कूटलेखन किए गए इन 3 उप इकाई में से दो की पहचान एक्स्ट्रामाइटोकॉन्ड्रियल स्थानों में की गई है। अग्नाशयी संगोष्ठी ऊतक में, ये उप इकाई  ज़ाइमोजेन कणिकाओं में पाए गए। इसके अतिरिक्त, पूर्वकाल पिट्यूटरी में, इन उप इकाई की अपेक्षाकृत उच्च मात्रा वृद्धि हार्मोन स्रावी कणिकाओं में पाई गई। इन साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज उप इकाई के एक्स्ट्रामाइटोकॉन्ड्रियल फ़ंक्शन को अभी तक विशेषता नहीं दी गई है। साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज उप इकाई के अलावा, अन्य माइटोकॉन्ड्रियल प्रोटीनों की बड़ी संख्या के लिए एक्स्ट्रामाइटोकॉन्ड्रियल स्थानीयकरण भी देखा गया है। यह माइटोकॉन्ड्रिया से अन्य कोशिकीय गंतव्यों तक प्रोटीन स्थानांतरण के लिए अभी तक अज्ञात विशिष्ट तंत्र के अस्तित्व की संभावना को बढ़ाता है।

आनुवंशिक दोष और विकार
साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज (सीओएक्स) की कार्यक्षमता या संरचना को बदलने वाले आनुवंशिक उत्परिवर्तनों से जुड़े दोषों के परिणामस्वरूप गंभीर, अक्सर घातक चयापचय संबंधी विकार हो सकते हैं। इस तरह के विकार आमतौर पर बचपन में प्रकट होते हैं और मुख्य रूप से उच्च ऊर्जा की मांग वाले ऊतकों (मस्तिष्क, हृदय, मांसपेशियों) को प्रभावित करते हैं। कई वर्गीकृत माइटोकॉन्ड्रियल बीमारियों में से, निष्क्रिय सीओएक्स असेंबली को सम्मिलित करने वालों को सबसे गंभीर माना जाता है।

सीओएक्स विकारों के विशाल बहुमत परमाणु-कूटबद्‍ध प्रोटीन में उत्परिवर्तन से जुड़े होते हैं जिन्हें असेंबली कारक या असेंबली प्रोटीन कहा जाता है। ये असेंबली कारक COX संरचना और कार्यक्षमता में योगदान करते हैं, और कई आवश्यक प्रक्रियाओं में सम्मिलित होते हैं, जिनमें माइटोकॉन्ड्रियन-कूटबद्‍ध उप इकाई का ट्रांसक्रिप्शन और अनुवाद, प्रीप्रोटीन का प्रसंस्करण और झिल्ली सम्मिलन, और कॉफ़ेक्टर बायोसिंथेसिस और निगमन सम्मिलित हैं।

वर्तमान में, सात COX असेंबली कारकों में उत्परिवर्तन की पहचान की गई है: SURF1, SCO1, SCO2, COX10, COX15, COX20, COA5 और LRPPRC। इन प्रोटीनों में उत्परिवर्तन के परिणामस्वरूप सब- संकर असेंबली, कॉपर अभिगम या स्थानांतरीय विनियम की कार्यक्षमता बदल सकती है। प्रत्येक जीन उत्परिवर्तन एक विशिष्ट बीमारी के  हेतुविज्ञान से जुड़ा होता है, जिसमें कुछ का कई विकारों में प्रभाव होता है। जीन म्यूटेशन के माध्यम से शिथिल COX असेंबली से जुड़े विकारों में लेह सिंड्रोम, कार्डियोमायोपैथी, ल्यूकोडिस्ट्रॉफी, रक्ताल्पता और सेंसरिनुरल बहरापन सम्मिलित हैं।

हिस्टोकेमिस्ट्री
ऊर्जा के लिए ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण पर न्यूरॉन्स की बढ़ती निर्भरता जानवरों में क्षेत्रीय मस्तिष्क चयापचय की मैपिंग में COX हिस्टोकेमिस्ट्री के उपयोग की सुविधा देता है, क्योंकि यह एंजाइम गतिविधि और न्यूरोनल गतिविधि के बीच प्रत्यक्ष और सकारात्मक संबंध स्थापित करता है। यह COX एंजाइम राशि और गतिविधि के बीच संबंध में देखा जा सकता है, जो जीन अभिव्यक्ति के स्तर पर COX के नियमन को इंगित करता है। COX वितरण पशु मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों में असंगत है, लेकिन इसके वितरण का तरीका जानवरों के अनुरूप है। यह तरीका बंदर, चूहे और बछड़े के मस्तिष्क में देखा गया है। मस्तिष्क के हिस्टोकेमिकल विश्लेषण में COX के एक आइसोजाइम का लगातार पता लगाया गया है। इस तरह मस्तिष्क के प्रतिचित्रण को अनुमस्तिष्क रोग जैसे रीलर और अल्जाइमर रोग के ट्रांसजेनिक मॉडल के साथ सहज उत्परिवर्ती चूहों में पूरा किया गया है। इस तकनीक का उपयोग पशु मस्तिष्क में सीखने की गतिविधि को प्रतिचित्रण करने के लिए भी किया गया है।

यह भी देखें

 * साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज उपइकाई आई
 * साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज उपइकाई II
 * साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज उपइकाई III
 * हेम ए

बाहरी संबंध

 * The Cytochrome Oxidase home page at Rice University
 * Interactive Molecular model of साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज (Requires MDL Chime)