¿Qué es la citocromo c oxidasa?
La citocromo c oxidasa es un complejo de proteínas enzimáticas que pueden atravesar la bicapa lipídica de la membrana celular. Es hemosoluble y se halla principalmente asociada a la membrana interna de las mitocondrias, encontrándose tanto en organismos procariotas (bacterias), como en eucariotas (unicelulares y pluricelulares).
También llamada complejo IV, esta enzima es vital en las funciones metabólicas aeróbicas de los organismos, pues resulta esencial en la cadena de transporte de electrones en la cual la célula quema azúcares y captura parte de la energía liberada para almacenar adenosín trifosfato, o ATP.
El nombre citocromo significa “pigmentos celulares”. Se trata de proteínas sanguíneas que transportan electrones. Los citocromos fueron descubiertos por el médico irlandés Charles Alexander MacMunn en 1884. MacMunn fue pionero en descubrir el pigmento respiratorio de la sangre, llamado hoy en día citocromo 1.
En los años 20 del siglo pasado, el entomólogo y parasitólogo ruso David Keilin redescubrió y caracterizó los pigmentos respiratorios y fue quien los nombró citocromos. Si bien MacMunn los había descubierto en 1884, la comunidad científica lo había olvidado, e incluso algunos habían malinterpretado su trabajo.
Características de la citocromo c oxidasa
- Estructura. Es una proteína compleja compuesta por múltiples subunidades. En los organismos eucariotas, como los humanos, consta de al menos 13 subunidades diferentes, mientras que en las bacterias, la composición puede variar.
- Ubicación. En las células eucariotas, se encuentra en la membrana interna de las mitocondrias. En las bacterias, se localiza en la membrana plasmática.
- Función. Su función principal es aceptar electrones del citocromo c y transferirlos al oxígeno molecular (O2), reduciendo el oxígeno y formando agua (H2O). Esta transferencia de electrones es esencial para la generación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna, que luego se utiliza para producir ATP en el proceso conocido como fosforilación oxidativa.
- Proceso redox. Contiene grupos prostéticos, como el citocromo a y el citocromo a3, que participan en una serie de reacciones redox durante la transferencia de electrones. Estos grupos prostéticos alternan entre estados reducidos y oxidados a medida que los electrones se transfieren a través de la enzima.
- Bomba de protones. Durante la transferencia de electrones, bombea protones (iones de hidrógeno, H+) desde el lado citosólico (interno) de la membrana mitocondrial hacia el espacio intermembrana, creando un gradiente de protones. Este gradiente se utiliza para impulsar la síntesis de ATP a través de la ATPsintasa.
- Regulación. Su actividad puede estar regulada por diferentes mecanismos, incluyendo la disponibilidad de oxígeno y la presencia de inhibidores específicos.
- Importancia biológica. Es una enzima esencial para la respiración celular aeróbica, proceso principal mediante el cual las células obtienen energía a partir de los nutrientes. También está implicada en la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), que pueden tener efectos tanto beneficiosos como perjudiciales en la célula, dependiendo de su concentración y contexto biológico.
La citocromo c oxidasa o complejo IV
Esta enzima mitocondrial lleva a cabo la fase final del transporte electrónico en la respiración celular. Cataliza el transporte de electrones desde el citocromo c reducido hasta el oxígeno.
Algunos compuestos químicos, como el cianuro, el dióxido de carbono y la azida, pueden llegar a inhibir el funcionamiento de la esta enzima, provocando la llamada asfixia química celular. Otras formas de inhibición del complejo IV son las mutaciones genéticas.
Desde el punto de vista evolutivo, la citocromo c oxidasa solo se encuentra en organismos aeróbicos, y varios grupos de científicos sugieren que su presencia indica relaciones evolutivas en donde plantas, hongos y también animales compartieron un ancestro común.
Estructura de la citocromo c oxidasa
La citocromo c oxidasa forma un complejo homodimérico, es decir, compuesto por dos monómeros similares en la membrana interna de las mitocondrias. El complejo enzimático consta de 3 a 4 subunidades en organismos procariontes, y al menos 13 polipéptidos en organismos como los mamíferos.
En estos organismos, 3 polipéptidos son de origen mitocondrial y el resto se originan en el núcleo. Cada monómero posee 28 hélices transmembrana que separan dominios hidrófilos frente a la matriz de la membrana y el espacio intermembrana.
Tiene una sola unidad catalítica, que se halla en todas las enzimas que catalizan reacciones de oxidación/reducción, empleando oxígeno molecular (oxidasas, especialmente las hemo-cobre). El complejo contiene los citocromos a y a3 unidos por la subunidad I, y dos centros de cobre.
Presenta uno o varios grupos hemo c ligados a la estructura proteica circundante por uno o varios (generalmente dos) enlaces tioéter. Otros autores sugieren que existe un único grupo hemo c unido de forma covalente a la proteína entre el anillo de porfirina y dos residuos de cisteína.
El único grupo hemo c mencionado anteriormente, está rodeado por residuos hidrofóbicos y está hexacoordinado, estando la histidina en la posición 18 de la cadena polipeptídica y la metionina en la 80.
Funciones de la citocromo c oxidasa
- Apoptosis, o muerte celular programada. La apoptosis es la destrucción o muerte celular programada, causada por el mismo organismo y cuyo fin es controlar el crecimiento, desarrollo, eliminación de tejidos dañados y regulación del sistema inmune. En dicho proceso fisiológico la citocromo c oxidasa participa como un intermediario. Esta proteína, liberada por las mitocondrias, interactúa con el retículo endoplasmático, que provoca la secreción o liberación de calcio. El aumento progresivo de calcio desencadena una liberación masiva de citocromo c oxidasa, hasta que se llega a niveles citotóxicos de calcio. Los niveles citotóxicos de calcio y la liberación de las citocromos c activan en cascada varias enzimas caspasas, responsables de la destrucción de las células.
- Regeneración celular o de tejidos. Varios estudios indican que cuando la citocromo c oxidasa es expuesta a longitudes de onda de 670 nanómetros, participa en un complejo funcional que penetra en el tejido dañado o herido y aumenta la velocidad de regeneración celular.
- Metabolismo energético. Esta es quizás la función más conocida y relevante de la citocromo c oxidasa. El complejo oxidasa (de la cadena respiratoria) se encarga de recoger los electrones del citocromo c y transferirlos a la molécula de oxígeno, reduciéndola a dos moléculas de agua. Conectado a dicho proceso, se produce una traslocación de protones a través de la membrana, dando como resultado la generación de un gradiente electroquímico que el complejo ATP sintetasa utiliza para producir o sintetizar ATP.
Inhibidores de la citocromo c oxidasa
Existen algunos procesos y compuestos químicos que inhiben la citocromo c oxidasa. La forma en que ocurre puede surgir como una manera natural para regular la producción o acción de la enzima, o de forma accidental debido a intoxicaciones.
En presencia de azida, cianuro o monóxido de carbono, la citocromo c oxidasa se une a estos y se inhibe el funcionamiento del complejo proteico. Esto interrumpe el proceso respiratorio celular y por ende provoca la asfixia química de las células.
Otros compuestos, como óxido nítrico, sulfuro de hidrógeno, metanol y algunos alcoholes metilados, también inhiben la citocromo c oxidasa.
Deficiencia de la citocromo c oxidasa
Esta enzima es controlada por genes tanto del núcleo como de las mitocondrias. Existen alteraciones genéticas o mutaciones que pueden conllevar una deficiencia de la enzima.
Estas mutaciones perturban su funcionalidad, ya que alteran su estructura enzimática, trayendo consigo desórdenes metabólicos durante el desarrollo embrionario (según estudios en humanos), que posteriormente afectarán al organismo en sus primeros años de vida.
La deficiencia de citocromo c oxidasa afecta tejidos con alta demanda energética, como corazón, hígado, cerebro y la musculatura. Los síntomas de estas mutaciones se expresan antes de los dos años de vida y pueden ser afecciones fuertes o leves.
Los síntomas leves pueden observarse incluso poco después del primer año de edad, y por lo general los individuos solamente presentan disminución de la tensión muscular (hipotonía) y atrofia muscular (miopatía).
Por otra parte, quienes presentan síntomas más fuertes pueden llegar a tener atrofia muscular y encefalomiopatía. Otras afecciones causadas por la ausencia de citocromo c oxidasa son miocardiopatía hipertrófica, aumento patológico del tamaño del hígado, síndrome de Leigh y acidosis láctica.
Usos de la citocromo c oxidasa en filogenia
La filogenia es la ciencia que estudia el origen, formación y desarrollo evolutivo desde el punto de vista ancestro-descendiente, de los organismos. En las últimas décadas, los estudios de filogenia con análisis moleculares son cada vez más frecuentes, arrojando mucha información y resolviendo problemas taxonómicos.
En este sentido, algunos estudios filogenéticos indican que el uso de las citocromo c oxidasas puede ayudar a establecer relaciones evolutivas. Esto es debido a que este complejo de proteínas es altamente conservado y está presente en una gran variedad de organismos, desde protistas unicelulares, hasta grandes vertebrados.
Ejemplo de esto son las pruebas hechas con humanos, chimpancés (Pan paniscus) y macacos Rhesus (Macaca mulatta). Tales pruebas revelaron que las moléculas de citocromo c oxidasa de humanos y chimpancés eran idénticas.
Además, mostró que las moléculas de citocromo c oxidasa del macaco Rhesus diferían en un aminoácido de las de los dos primeros, reafirmando las relaciones ancestro-descendientes entre chimpancés y humanos.
Referencias
- Cytochrome c. Recuperado de newworldencyclopedia.org.
- Cytochrome c oxidase subunit I. Recuperado de ebi.ac.uk.
- Gene group: Mitochondrial complex IV: cytochrome c oxidase subunits (COX, MT-CO). Recuperado de genenames.org.
- E.F. Hartree. The discovery of cytochrome. Biochemical Education.
- Citocromo c oxidasa, deficiencia de…. Recuperado de ivami.com.