Early electron transfer in cytochrome c oxidase occurs by a chymotrypsin type relay / La transferencia temprana de electrones en el citocromo c oxidasa ocurre por un relé tipo quimotripsina

Evidence suggests that when ferrocytochrome c (the substrate) reduces cytochrome c oxidase (COX), electrons from the former enter the latter via Trp-104. What is still to be determined is the method by which electrons are transferred from ferrocytochrome c to Trp-104 and the method by which electrons arriving at Trp-104 are moved on to cua, the first of the enzyme's four redox centres to be reduced. To shed light on this process, we used the computer to create and analyse an enzyme-substrate complex formed from the published structure of the two proteins. It was found that the front haem edge of ferrocytochrome c was in close proximity to Trp-104 of COX and that inclusive of Trp-104, only nine amino acid residues from COX lie along a broad channel stretching from Trp-104 to the enzyme's CuA centre. Six of the nine residues, Trp-104, Tyr-105, His-102 Trp-106, Asp-158 and Glu-198, had the ideal chemical properties and were properly aligned to facilitate electron transfer. Here we propose that the reduction of Trp-104 and the subsequent reduction of CuA occur by a hydride/hydrogen ion relay system similar to that seen at the active site of chymotrypsin.

La evidencia sugiere que cuando el ferrocitocromo C (el sustrato) reduce el citocromo c oxidasa (COX), los electrones del primero entran a este último vía Trp-104. Lo que queda aún por determinar es el método por el cual los electrones son transferidos del ferrocitocromo c al Trp-104, así como el método mediante el cual los electrones que llegan al Trp-104 son trasladados al cua, el primero de los cuatro centros de reducción-oxidación (redox) de la enzima a ser reducidos. A fin de arrojar luz sobre este proceso, usamos la computadora para crear y analizar un complejo de sustrato enzimático formado a partir de la estructura publicada de las dos proteínas. Se halló que el borde frontal del hemo del ferrocitocromo c estaba muy cercano al Trp-104 del COX, incluyendo el Trp-104. Sólo nueve residuos de aminoácidos de COX se encuentran a lo largo de un ancho canal que se extiende desde Trp-104 hasta el centro CuA de la enzima. Seis de los nueve residuos, Trp-104, Tyr-105, His-102 Trp-106, Asp-158 y Glu-198, poseían las propiedades químicas ideales y estaban alineados adecuadamente para facilitar la transferencia de electrones. En este trabajo proponemos que la reducción de Trp-104 y la subsiguiente reducción de CuA ocurre mediante un sistema de relé iónico hidrógeno-hidruro, similar al que se observa en el sitio activo de la quimotripsina.

Probing the specifics of substrate binding for cytochrome c oxidase: a computer assisted approach / Investigación de las especifidades de la unión de substrato para la citocromo-c-oxidasa: un enfoque asistido por computadora

A deficiency of cytochrome c oxidase (COX) is associated with a number of diseases but details of the enzyme's mechanism of action especially the interaction with its substrate, ferrocytochrome c, remain unclear. It is known that the transfer of electrons from ferrocytochrome c to COX is facilitated by the formation of enzyme-substrate (ES) complexes which are stabilized by intermolecular salt bridges, however the identity of residues participating in the salt bridges remains obscure. Using the published structures of the two proteins, computer simulations were employed to model their interactions and to attempt to identify residues that participate in intermolecular salt bridges. The simulation process was guided in the main by cross-linking studies which proposed that Lys-13 of cytochrome c is paired with Asp-158 of COX. The initial enzyme-substrate complex, created by computer assisted manipulation of the two structures exhibited three salt bridges; following the application of energy minimization procedures, the number of salt bridges increased to seven and there were twenty-four intermolecular hydrogen bonds. The salt bridges emanated from: Glu-119 and Asp-221 of subunit I; Glu-114, Asp-115 and Asp-158 of subunit II and Asp-73 and Glu-78 of subunit VIb. These were paired with Lys-87, 8, 25, 27, 13, 22 and 100 respectively of cytochrome c. These results suggest that subunits I, II and VIb play direct roles in substrate binding. The results also suggest that hydrogen bonds contribute significantly to the stability of the ES-complex.

La deficiencia de la citocromo-c-oxidasa (COX) se halla asociada con un número de enfermedades, pero los detalles del mecanismo de acción - especialmente la interacción con su substrato, el ferrocitocromo c - no está aún claro. Se sabe que la transferencia de electrones del ferrocitocromo c a la COX, es facilitada por la formación de los complejos enzima-substrato (ES), los cuales son estabilizados por puentes intermoleculares de sal. No obstante, la identidad de los residuos que participan en los puentes sigue sin estar clara. Recurriendo a las estructuras publicadas de dos proteínas, se emplearon simulaciones por computadora a fin de obtener un modelo de sus interacciones, en un intento por identificar los residuos que toman parte en los puentes de sal. El proceso de simulación fue guiado principalmente por estudios de reticulación, que proponen que el Lys-13 del citocromo c está pareado con el Asp-18 de la COX. El complejo enzima-sustrato inicial creado mediante la manipulación asistida por computadora de las dos estructuras, exhibía tres puentes de sal. Tras aplicar los procedimientos de minimización de la energía, el número de puentes de sal aumentó a siete y hubo veinticuatro enlaces intermoleculares de hidrógeno. Los puentes de sal emanaron de: Glu-119 y Asp-221 de la subunidad I; Glu-114, Asp-115 y Asp-158 de la subunidad II y Asp-73 y Glu-78 de la subunidad VIb. Estos fueron pareados con Lys-87, 8, 25, 27, 13, 22 y 100 respectivamente del citocromo c. Estos resultados sugieren que las subunidades I, II y VIb juegan un papel directo en la unión del substrato. Los resultados también sugieren que los enlaces de hidrógeno contribuyen significativamente a la estabilidad del complejo-ES.