A oxidase do citocromo c (COX, do inglês “cytochromo c oxidase”), também conhecida por complexo IV, é a enzima terminal da cadeia transportadora de eletrões que catalisa a oxidação consecutiva de quatro moléculas de citocromo c e a redução de uma molécula de oxigénio para formar água. A COX eucariota é uma proteína transmembranar de 200 kDa composta por 8 a 13 subunidades, a maioria são cadeias hidrofóbicas, onde as subunidades I, II e III são codificadas pelo ADN mitocondrial. A COX eucariota existe na membrana como um dímero. As subunidades I e II deste complexo contêm os seus quatro centros redox: dois hemes do tipo a, a e a3, e dois centros contendo cobre, CuA e CuB. O heme a e o centro CuA são de baixo potencial (0.210 e 0.245 V), enquanto o heme a3 e CuB são de alto potencial (0.340 e 0.385 V). Estudos espectroscópios indicam que os eletrões passam do citocromo c para o centro CuA, depois para o heme a, e finalmente para o complexo binuclear formado pelo heme a3 e o CuB. O oxigénio liga-se a este complexo binuclear, e consequentemente é reduzido a H2O.
Foram identificadas duas estruturas de raios-X da oxidase do citocromo c: uma de forma mais simples da bactéria Paracoccus denitrificans (1106 resíduos) e uma forma mais complexa a partir do coração bovino (1806 resíduos). Cada protómero do dímero da COX bovina tem uma forma elipsoidal que compreende uma porção transmembranar de 48 Å de espessura e uma porção hidrofílica que se projeta 32 e 37 Å para o interior da matriz mitocondrial e para o espaço intermembranar, respetivamente. Estes protómeros são compostos por 13 subunidades diferentes que formam 28 hélices transmembranares. A superfície do protómero que compreende o interface do dímero é côncava. A COX da Paracoccus é um complexo monomérico que composto por 4 subunidades, que contêm 22 hélices transmembranares.
As estruturas das subunidades I (12 hélices transmembranares) e II (2 hélices transmembranares) da COX bovina, que ligam os 4 centros redox do complexo, são bastante semelhantes às da COX da Paracoccus. Estas são as subunidades que efetuam as funções principais do complexo: transporte de eletrões do citocromo c para o oxigénio para formar água, enquanto bombeia protões para fora do espaço intermembranar da mitocôndria bovina ou do espaço periplasmático da Paracoccus. A subunidade III bovina (7 hélices transmembranares), que se assemelha à da Paracoccus, não participa diretamente na transferência de eletrões ou na translocação de protões. Na verdade, ambas as subunidades I e II do complexo da Paracoccus conseguem transportar ativamente eletrões e bombear protões. Assim, desconhece-se a função da subunidade III, no entanto existem algumas evidências que mostram que participa na formação da estrutura correta das subunidades I e II do complexo. Note-se, no entanto, que a subunidade III não contata com a subunidade II. Nenhuma das 10 subunidades codificadas no núcleo da COX bovina se assemelha com a subunidade IV da COX da Paracoccus. Destas 10 subunidades bovinas, 7 têm uma hélice transmembranar, em que o seu N-terminal está orientado para a matriz mitocondrial. Estas hélices estão distribuídas na periferia do core dimérico formado pelas subunidades I, II e III. As restantes 3 subunidades bovinas são globulares e associam-se com as porções extramembranares do complexo. A estrutura de raios-X da COX bovina fornece poucas informações sobre a função de cada uma destas subunidades. Talvez possuam funções regulatórias.
Pensa-se que o local de ligação do citocromo c do COX se encontra na região formada pelo domínio globular da subunidade II e a superfície externa da subunidade I, uma vez que esta região está perto do CuA e contém 10 cadeias laterais acídicas que podem interagir com o anel de lisinas que envolvem o heme do citocromo c. Existem estudos de espectroscopia resolvida no tempo que indicam que o eletrão obtido pelo citocromo c é primeiramente recebido pelo centro CuA e é depois transferido para o heme a e não para o heme a3, devido, provavelmente, à menor distância entre CuA e o heme a (11.7 Å). O eletrão é rapidamente transferido para o centro binuclear do heme a3-CuB,onde participa na redução do O2 ligado a H2O. Note-se que o quinto ligando do heme a3, a histidina 378, está separada do quinto ligando do heme a3, histidina 376, por só um resíduo, fazendo com que exista uma via de transferência de eletrões relativamente curta entre o heme a e o heme a3. Para além de que a via mais próxima entre estes dois hemes distancia-se por 4 Å.
A redução do O2 a 2 moléculas de água pela oxidase do citocromo c acontece no complexo binuclear citocromo a3-CuB. A reação da COX foi maioritariamente elucidada por Marten Wikstrom e Gerald Babcock, que, usando uma variedade de técnicas espectroscópicas, conseguiram provar que o mecanismo da COX envolve uma transferência consecutiva, um a um, de 4 eletrões do CuA para o citocromo a e ocorre da seguinte forma:
1 e 2) O complexo binuclear oxidado [Fe(III)a3 – OH-Cu(II)B] é reduzido à forma [Fe(II)a3Cu(I)B] por duas transferências consecutivas de um eletrão do citocromo c via citocromo a e CuA. É adquirido um protão da matriz, libertando-se uma molécula de água neste processo. A tirosina 244 (Y-OH) está na sua forma fenólica.
3) O O2 liga-se ao complexo binuclear reduzido. O O2 liga-se ao complexo com uma configuração de ligação semelhante à da ligação à hemoglobina.
4) A redistribuição eletrónica interna rapidamente resulta do complexo oxiferril [Fe(IV) = O2-2HO—Cu(II)] em que a tirosina 244 doou um eletrão e um protão ao complexo, assumindo a sua forma de radical (Y-O.)
5) Uma terceira transferência de um eletrão do citocromo c juntamente com a aquisição de dois protões reconverte a tirosina 244 à sua forma fenólica, libertando uma molécula de água.
6) A quarta transferência do eletrão e a aquisição de um protão resulta na formação do complexo oxidado [Fe(III)a3-OH-Cu(II)B], completando assim o ciclo catalítico.
Outros assuntos relacionados:
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