Citocromo c

Grupo de prótesis de citocromo c, compuesto por un anillo rígido de porfirina coordinado con un átomo de hierro.

El complejo de citocromo, o cyt c, es una pequeña hemoproteína que se encuentra vagamente asociada con la membrana interna de la mitocondria, donde desempeña un papel papel crítico en la respiración celular. Transfiere electrones entre los Complejos III (Coenzima Q – Cyt c reductasa) y IV (Cyt c oxidasa). El citocromo c es altamente soluble en agua, a diferencia de otros citocromos. Es capaz de sufrir oxidación y reducción a medida que su átomo de hierro se convierte entre las formas ferrosa y férrica, pero no se une al oxígeno. También juega un papel importante en la apoptosis celular. En humanos, el citocromo c está codificado por el gen CYCS.

Distribución de especies

El citocromo c es una proteína altamente conservada en todo el espectro de especies eucariotas, que se encuentra en plantas, animales, hongos y muchos organismos unicelulares. Esto, junto con su pequeño tamaño (peso molecular de unos 12.000 daltons), lo hace útil en estudios de cladística. El citocromo c se ha estudiado por el vistazo que da a la biología evolutiva.

El citocromo c tiene una estructura primaria que consta de una cadena de unos 100 aminoácidos. Muchos organismos de orden superior poseen una cadena de 104 aminoácidos. La secuencia del citocromo c en humanos es idéntica a la de los chimpancés (nuestros parientes más cercanos), pero difiere de la de los caballos.

El citocromo c tiene una secuencia de aminoácidos muy conservada en los eucariotas, que varía solo en unos pocos residuos. En más de treinta especies analizadas en un estudio, se conservaron 34 de los 104 aminoácidos (idénticos en su posición característica). Por ejemplo, la citocromo oxidasa humana reaccionó con el citocromo c de trigo, in vitro; lo cual fue cierto para todos los pares de especies probadas. Además, el potencial redox de +0,25 voltios es el mismo en todas las moléculas de citocromo c estudiadas.

Estructura

Cristales de citocromo de atún (~5 mm de largo) cultivados por la difusión líquido-líquido bajo condiciones de microgravedad en el espacio exterior.

El citocromo c pertenece a la clase I de la familia de citocromos de tipo c y contiene un motivo de aminoácido CXXCH (cisteína-cualquier-cisteína-histidina) característico que se une al hemo. Este motivo está ubicado hacia el extremo N-terminal de la cadena peptídica y contiene una histidina como quinto ligando del hierro hemo. El sexto ligando lo proporciona un residuo de metionina que se encuentra hacia el extremo C-terminal. El esqueleto de la proteína se pliega en cinco hélices α que se numeran α1-α5 desde el extremo N hasta el extremo C. Las hélices α3, α4 y α5 se denominan hélices 50, 60 y 70, respectivamente, cuando se refieren al citocromo c mitocondrial.

Hemo c

Estructura de hemo c

Mientras que la mayoría de las proteínas hemo se unen al grupo prostético a través de ligaduras de iones de hierro e interacciones terciarias, el grupo hemo del citocromo c forma enlaces tioéter con dos cadenas laterales de cisteína de la proteína. Una de las principales propiedades del hemo c, que permite que el citocromo c tenga una variedad de funciones, es su capacidad para tener diferentes potenciales de reducción en la naturaleza. Esta propiedad determina la cinética y la termodinámica de una reacción de transferencia de electrones.

Momento dipolar

El momento dipolar tiene un papel importante en la orientación de las proteínas en las direcciones adecuadas y en la mejora de su capacidad para unirse a otras moléculas. El momento dipolar del citocromo c resulta de un grupo de cadenas laterales de aminoácidos cargadas negativamente en la parte 'trasera'. de la enzima A pesar de las variaciones en el número de grupos hemo unidos y las variaciones en la secuencia, el momento dipolar de los citocromos c de vertebrados se conserva notablemente. Por ejemplo, todos los citocromos c de vertebrados tienen un momento dipolar de aproximadamente 320 debye, mientras que los citocromos c de plantas e insectos tienen un momento dipolar de aproximadamente 340 debye.

Función

Cadena de transporte de electrones

El citocromo c es un componente esencial de la cadena de transporte de electrones respiratorios en las mitocondrias. El grupo hemo del citocromo c acepta electrones del Complejo III bc1 y los transporta al Complejo IV, mientras transfiere energía en la dirección opuesta.

El citocromo c también puede catalizar varias reacciones redox, como la hidroxilación y la oxidación aromática, y muestra actividad de peroxidasa mediante la oxidación de varios donantes de electrones, como 2,2-azino-bis(3-etilbenzotiazolina-6 -ácido sulfónico) (ABTS), ácido 2-ceto-4-tiometilbutírico y 4-aminoantipirina.

Un citocromo bacteriano c funciona como una nitrito reductasa.

Papel en la apoptosis

Xiaodong Wang también descubrió en 1996 que el citocromo c tiene un papel intermedio en la apoptosis, una forma controlada de muerte celular que se usa para matar células en el proceso de desarrollo o en respuesta a una infección o daño en el ADN.

El citocromo c se une a la cardiolipina en la membrana mitocondrial interna, lo que afianza su presencia y evita que se libere de la mitocondria e inicie la apoptosis. Mientras que la atracción inicial entre la cardiolipina y el citocromo c es electrostática debido a la carga positiva extrema del citocromo c, la interacción final es hidrofóbica, donde una cola hidrofóbica de la cardiolipina se inserta en la porción hidrofóbica del citocromo c.

Durante la fase inicial de la apoptosis, se estimula la producción de ROS mitocondrial y la cardiolipina se oxida mediante una función de peroxidasa del complejo cardiolipina-citocromo c. Luego, la hemoproteína se separa de la membrana interna mitocondrial y puede extruirse hacia el citoplasma soluble a través de los poros de la membrana externa.

La elevación sostenida de los niveles de calcio precede a la liberación de cyt c de la mitocondria. La liberación de pequeñas cantidades de cyt c conduce a una interacción con el receptor IP3 (IP3R) en el retículo endoplásmico (RE), lo que provoca la liberación de calcio en el RE. El aumento general de calcio desencadena una liberación masiva de cyt c, que luego actúa en el circuito de retroalimentación positiva para mantener la liberación de calcio del RE a través de los IP3R. Esto explica cómo la liberación de calcio del RE puede alcanzar niveles citotóxicos. Esta liberación de citocromo c, a su vez, activa la caspasa 9, una cisteína proteasa. La caspasa 9 puede luego activar la caspasa 3 y la caspasa 7, que son responsables de destruir la célula desde adentro.

Inhibición de la apoptosis

Una de las formas en que se activa la apoptosis celular es mediante la liberación de citocromo c de la mitocondria al citosol. Un estudio ha demostrado que las células pueden protegerse de la apoptosis al bloquear la liberación de citocromo c usando Bcl-x_L. Otra forma en que las células pueden controlar la apoptosis es mediante la fosforilación de Tyr48, lo que convertiría al citocromo c en un interruptor antiapoptótico.

Como enzima antioxidante

Eliminación de O₂⁻ y H₂O₂ por citocromo c

Además de sus conocidas funciones en la cadena de transporte de electrones y la apoptosis celular, según un estudio reciente, el citocromo c también puede actuar como una enzima antioxidante en las mitocondrias; lo hace eliminando el superóxido (O₂^–) y el peróxido de hidrógeno (H₂O₂) de las mitocondrias. Por lo tanto, no solo se requiere citocromo c en las mitocondrias para la respiración celular, sino que también se necesita en las mitocondrias para limitar la producción de O₂^– y H ₂O₂.

Localización extramitocondrial

Se cree ampliamente que el citocromo c se localiza únicamente en el espacio intermembrana mitocondrial en condiciones fisiológicas normales. Se cree que la liberación de citocromo c de las mitocondrias al citosol, donde activa la familia de proteasas caspasa, es el desencadenante principal que lleva al inicio de la apoptosis. La medición de la cantidad de citocromo c que se filtra de las mitocondrias al citosol y de la célula al medio de cultivo es un método sensible para controlar el grado de apoptosis. Sin embargo, estudios detallados de inmunomicroscopía electrónica con secciones de tejidos de rata que emplean anticuerpos específicos del citocromo c proporcionan pruebas convincentes de que el citocromo c en condiciones celulares normales también está presente en ubicaciones extramitocondriales. En las células acinares pancreáticas y la pituitaria anterior, se detectó una presencia fuerte y específica de citocromo c en gránulos de zimógeno y en gránulos de hormona de crecimiento, respectivamente. En el páncreas, también se encontró citocromo c en las vacuolas de condensación y en la luz acinar. Se demostró que la localización extramitocondrial del citocromo c es específica, ya que se eliminó por completo tras la adsorción del anticuerpo primario con el citocromo c purificado. Además del citocromo c, también se ha observado la localización extramitocondrial de un gran número de otras proteínas, incluidas las codificadas por el ADN mitocondrial. Esto plantea la posibilidad de la existencia de mecanismos específicos aún no identificados para la translocación de proteínas desde las mitocondrias a otros destinos celulares.

Aplicaciones

Detección de superóxido

Ácido peroxinitroso

El citocromo c se ha utilizado para detectar la producción de peróxido en sistemas biológicos. A medida que se produce superóxido, aumenta el número de citocromos c³⁺ oxidados y disminuye el citocromo c²⁺ reducido. Sin embargo, el superóxido a menudo se produce con óxido nítrico. En presencia de óxido nítrico, se inhibe la reducción del citocromo c³⁺. Esto conduce a la oxidación del citocromo c²⁺ a citocromo c³⁺ por el ácido peroxinitroso, un intermediario producido a través de la reacción del óxido nítrico y el superóxido. La presencia de peroxinitrito o H₂O₂ y dióxido de nitrógeno NO₂ en la mitocondria puede ser letal ya que nitran residuos de tirosina del citocromo c, que conduce a la interrupción de la función del citocromo c's como transportador de electrones en la cadena de transporte de electrones.

Como enzima para la actividad catalítica

El citocromo C también se ha estudiado ampliamente como una enzima con actividad similar a la peroxidasa. El citocromo C se conjugó con un polímero cargado para probar su actividad similar a la peroxidasa. Inspirado en ejemplos naturales de encapsulación de enzimas en estructuras de jaulas basadas en proteínas (Ejemplo: carboxisomas, ferritina y encapsulina), el citocromo C se encapsuló en una pequeña proteína de unión a ADN de autoensamblaje de 9 nm de una jaula de proteínas de células hambrientas de nutrientes (Dps) usando una autoprotección quimérica -enfoque de montaje. Los autores observaron un comportamiento de actividad catalítica único al encapsular la enzima dentro de una jaula de proteínas, que era diferente de la enzima en solución. Esto se atribuyó al microambiente local proporcionado por la cavidad interior de la nanojaula Dps, que es diferente al volumen.