シトクロムc酸化酵素：構造と分光学的研究

Cytochrome c oxidase: structure and spectroscopy.

• H Michel
• J Behr
• A Harrenga
• A Kannt

抄録

チトクロムc酸化酵素、ミトコンドリアと好気性細菌の呼吸鎖の末端酵素は、チトクロムcから分子状酸素への電子移動を触媒し、後者を水に還元します。電子移動は、膜を横切るプロトンの移動と結合し、プロトンと電荷の勾配をもたらし、その結果、ATPを合成するためにF0F1-ATPaseによって利用されます。ここ数年の間に、この酵素の構造と機能の理解に大きな進展が見られました。EPR、吸光・共鳴ラマン分光法などの分光学的手法は、部位特異的変異誘発研究と組み合わせて、補酵素とそのリガンドの性質を明らかにし、プロトン移動に関与する主要な残基を同定し、触媒サイクルとその中間体の構造についての洞察を得ることに成功してきました。最近、細菌とミトコンドリアのチトクロムc酸化酵素の結晶構造が決定された。本総説では、結晶構造の概要を説明し、最近の分光学的研究をまとめ、構造データと分光学的データを組み合わせて酵素の機構論的側面を論じる。後者については、酸素中間体の構造、プロトン移動経路、酵素の電子移動とプロトン移動がどのように結びついているのかという議論の多い問題に焦点を当てている。

Cytochrome c oxidase, the terminal enzyme of the respiratory chains of mitochondria and aerobic bacteria, catalyzes electron transfer from cytochrome c to molecular oxygen, reducing the latter to water. Electron transfer is coupled to proton translocation across the membrane, resulting in a proton and charge gradient that is then employed by the F0F1-ATPase to synthesize ATP. Over the last years, substantial progress has been made in our understanding of the structure and function of this enzyme. Spectroscopic techniques such as EPR, absorbance and resonance Raman spectroscopy, in combination with site-directed mutagenesis work, have been successfully applied to elucidate the nature of the cofactors and their ligands, to identify key residues involved in proton transfer, and to gain insight into the catalytic cycle and the structures of its intermediates. Recently, the crystal structures of a bacterial and a mitochondrial cytochrome c oxidase have been determined. In this review, we provide an overview of the crystal structures, summarize recent spectroscopic work, and combine structural and spectroscopic data in discussing mechanistic aspects of the enzyme. For the latter, we focus on the structure of the oxygen intermediates, proton-transfer pathways, and the much-debated issue of how electron transfer in the enzyme might be coupled to proton translocation.