pmid: "33671025"
title: "Múltiplos Mecanismos Regulam a Citocromo C Oxidase Eucariótica."
authors: "Ramzan R, Kadenbach B, Vogt S"
journal: "Cells"
pubdate: "2021 Feb 28"
doi: "10.3390/cells10030514"
source: "PMC Full Text"

Múltiplos Mecanismos Regulam a Citocromo C Oxidase Eucariótica.

Autores

Ramzan R, Kadenbach B, Vogt S

Periodico

Cells (2021 Feb 28)

Conteudo

Múltiplos Mecanismos Regulam a Citocromo C Oxidase Eucariótica
A citocromo c oxidase (COX), a enzima limitante da respiração mitocondrial, é regulada por vários mecanismos. Sua regulação pelo ATP (trifosfato de adenosina) parece ser de particular importância, uma vez que evoluiu cedo durante a evolução e ainda é encontrada em cianobactérias, mas não em outras bactérias. Portanto, a “inibição alostérica da COX pelo ATP” é descrita aqui com mais detalhes. A maioria das propriedades regulatórias da COX está relacionada a subunidades “supranumerárias”, que estão amplamente ausentes na COX bacteriana. A “inibição alostérica da COX pelo ATP” também foi descrita recentemente em mitocôndrias intactas isoladas de coração de rato.

1. Introdução
   Existe uma diferença básica na regulação da síntese de ATP pela fosforilação oxidativa (OxPhos) entre bactérias (exceto cianobactérias) e organismos eucarióticos. Bactérias aeróbicas crescem e se dividem continuamente sob condições constantes. Organismos superiores alteram as taxas de síntese e consumo de ATP em até um fator de 10, dependendo de vários sinais internos e externos. Essa regulação é baseada na aquisição de subunidades proteicas regulatórias adicionais (subunidades supranumerárias) durante a evolução para os complexos enzimáticos da OxPhos, que em eucariotos estão localizados em organelas especiais, as mitocôndrias.
   A OxPhos inclui a cadeia respiratória contendo os complexos enzimáticos I (NADH: ubiquinona oxidoredutase), II (succinato desidrogenase), III (complexo citocromo bc1), IV (citocromo c oxidase, COX) e V (ATP sintase). De acordo com a teoria de Mitchell, uma força próton-motriz Δp está envolvida na OxPhos como um intermediário rico em energia para a oxidação exergônica dos equivalentes redutores NADH e flavina adenina dinucleotídeo (FADH2), consistindo em um potencial de membrana ΔΨm e um gradiente de pH através da membrana mitocondrial interna (Δp = ΔΨm − 59·ΔpH (mV)). Δp consiste principalmente de ΔΨm e é gerada na cadeia respiratória nos complexos enzimáticos I, III e IV através da translocação de prótons da matriz para o espaço intermembranar. A degradação de ΔΨm ocorre predominantemente via ATP sintase e “desacopladores” da OxPhos ou proteínas desacopladoras.

2. Citocromo C Oxidase (COX)
   Eucariotos sintetizam ATP principalmente nas mitocôndrias, com a COX como o complexo final e receptor de oxigênio da cadeia respiratória. A COX representa a etapa limitante da respiração em células vivas. Em contraste, a partir da aplicação da análise de controle metabólico a mitocôndrias isoladas, um excesso de 5 a 7 vezes na capacidade da COX foi medido em relação à quantidade necessária para suportar a respiração endógena de mitocôndrias isoladas. Portanto, o papel limitante e regulatório da COX na respiração em organismos vivos foi ignorado por muito tempo.
   Com o aumento da complexidade durante a evolução, o número de subunidades proteicas no complexo COX aumentou de 2–4 em bactérias para >7 no fungo Dictyostelium discoideum, 11 em leveduras e 13 em mamíferos. Em eucariotos, as subunidades “catalíticas” I–III são codificadas no DNA mitocondrial e sintetizadas nas mitocôndrias. As subunidades “supernumerárias” adicionais são codificadas no DNA nuclear e sintetizadas nos ribossomos citoplasmáticos. Para o transporte dessas subunidades para dentro das mitocôndrias e para a montagem no complexo COX de 13 subunidades dos vertebrados, é necessária uma maquinaria complicada.

3. Regulação da Atividade da COX pela “Inibição Alostérica por ATP”
   Ao estudar a cinética da oxidação do ferrocitocromo c em COX isolada ou em mitocôndrias após solubilização em Tween-20 a 1%, foi encontrada inibição completa da captação de oxigênio em altas razões ATP/ADP e baixas concentrações de ferrocitocromo c. A captação de oxigênio medida polarograficamente em concentrações crescentes de ferrocitocromo c revelou uma curva sigmoide com um coeficiente de Hill de 2. Em baixas razões ATP/ADP, foi encontrada uma curva hiperbólica normal. A inibição da atividade foi medida na metade do máximo em ATP/ADP = 28. Este “segundo mecanismo de controle respiratório” é independente de ΔΨm e apresenta uma inibição por retroalimentação da respiração mitocondrial pelo seu produto final ATP. A curva sigmoide (coeficiente de Hill = 2) indica cooperatividade de dois sítios de ligação do substrato (ferrocitocromo c). Estes ocorrem na enzima dimérica, conforme visualizado na primeira estrutura cristalina da COX, uma vez que a COX monomérica contém apenas um sítio de ligação para o citocromo c. Após o pré-tratamento de mitocôndrias solubilizadas com um anticorpo monoclonal contra a subunidade IV, a inibição da atividade da COX em altas razões ATP/ADP foi completamente abolida, e experimentos adicionais indicaram que o ATP interage com o domínio da matriz da subunidade IV transmembrana. A “inibição alostérica da COX por ATP” está ausente na COX bacteriana, que não possui a subunidade IV “supernumerária” (exceto cianobactérias).
   A regulação da atividade da COX por nucleotídeos de adenina evoluiu precocemente durante a evolução, uma vez que já ocorre na COX de cianobactérias que contêm uma enzima do tipo aa3. A COX purificada de Synechocystis contém quatro subunidades proteicas correspondentes às subunidades I, II, III e IV da COX de vertebrados. A sequência de aminoácidos deduzida da “subunidade IV” de Synechocystis sp. PCC6803 mostrou aproximadamente 50% e 20% de identidade de sequência com a subunidade IV da COX de Saccharomyces cerevisiae e coração bovino, respectivamente. Após reconstituição em lipossomos, o ADP intralipossomal estimulou e o ATP inibiu a oxidação do ferrocitocromo c por cianobactérias.
   A inibição alostérica da COX pelo ATP foi recentemente demonstrada também com mitocôndrias intactas isoladas de coração de rato. Em um estudo anterior, foi sugerido que a fosforilação dependente de cAMP da subunidade I da COX no resíduo Ser-441 ativa a inibição alostérica pelo ATP. Este sítio está localizado no espaço intermembranar e é acessível ao cálcio citosólico através do poro na membrana mitocondrial externa. A Ser-441 da subunidade I da COX de origem bovina é o único aminoácido de sequências consenso para fosforilação dependente de cAMP localizado no espaço intermembranar. O estresse aumenta o cálcio citosólico (>1 µM Ca2+) e desfosforila este sítio através de uma proteína fosfatase ativada por Ca2+. Foi sugerido que a inibição alostérica da COX pelo ATP mantém o potencial de membrana mitocondrial (ΔΨm) em valores baixos (120–140 mV) e previne a formação de grandes quantidades de ROS (espécies reativas de oxigênio). Foi demonstrado que as ROS estão envolvidas na geração de inúmeras doenças.

4. Papel do Cálcio na Geração de ROS e ΔΨm Aumentados
   A relação entre fatores de estresse e a geração de ROS era desconhecida até recentemente. Apresentamos um mecanismo regulatório que explica a formação de ROS nas mitocôndrias, que inclui o aumento do cálcio citosólico por fatores de estresse e a abolição da “inibição alostérica da COX pelo ATP” (veja abaixo).
   Sabe-se que fatores de estresse aumentam a concentração de cálcio citosólico, que, em condições de repouso, é muito baixa (<1 µM). O cálcio representa o sinal mais importante para a ativação mitocondrial, e isso ocorre através da desfosforilação da maioria das proteínas mitocondriais por fosfatases mitocondriais dependentes de cálcio. Os fatores de estresse, que induzem hiperpolarização do ΔΨm, incluem glicose elevada, hormônios do estresse e estresse psicossocial. Além disso, altas quantidades de glutamato induzem hiperpolarização mitocondrial, geração de ROS e aumento do consumo de oxigênio em células HT22 neuronais murinas.
   O “estado de repouso” da respiração mitocondrial (ver Figura 1) com alta eficiência requer cardiolipina para estabilizar a suposta interação fraca entre os dois monômeros na COX dimérica. A estrutura cristalizada contém, em vez de ADP, 10 moléculas de colato por monômero, que estabilizam o dímero não fisiológico. A interação fraca entre monômeros na COX dimérica sob condições fisiológicas é apoiada por observações de Kyoko Shinzawa-Itoh: “Já tentei purificar a COX sem colato. No entanto, infelizmente, nunca consegui preparar amostras de COX suficientes para cristalização sem usar colato” (comunicação pessoal a B.K., 2020). A alta eficiência da COX dimérica aparentemente se deve à inibição alostérica do ATP, que mantém o ΔΨm em valores baixos, prevenindo assim o vazamento de prótons da membrana em ΔΨm elevado, que aumenta com o aumento do ΔΨ e causa escorregamento do bombeamento de prótons na COX. Além disso, foi sugerido que a maior eficiência do “estado de repouso” se baseia no aumento do bombeamento de prótons na COX com uma estequiometria H+/e− de 2, em vez de 1, o que é termodinamicamente possível. Babcock e Wikström afirmaram que a estequiometria H+/e− da COX é constante e sempre 1 (no entanto, veja). O bombeamento adicional de prótons foi proposto como relacionado ao canal H, identificado pelo grupo de Yoshikawa na enzima do coração bovino, que está ausente em bactérias. Uma estequiometria H+/e− de 2 na COX foi de fato medida pelo grupo de Lehninger em mitocôndrias isoladas de fígado de rato.

O “estado ativo” da respiração mitocondrial (sem inibição alostérica do ATP) (ver Figura 1) é caracterizado por taxas máximas de atividade da COX e síntese de ATP. Esse estado tem ΔΨm parcialmente elevado, acompanhado de baixa eficiência. Ele é ativado sob estresse, incluindo estresse psicossocial, por meio de concentrações aumentadas de cálcio citosólico, que desfosforilam a COX dimérica, resultando em COX monomérica, que se liga ao NDUFA4 para estabilização. Esses resultados excluem o NDUFA4 como uma 14ª subunidade permanente da COX. A atividade da COX monomérica é apoiada por resultados obtidos com COX purificada. A remoção da subunidade VIb, que participa da dimerização, aumenta a atividade da COX. Além disso, sem a inibição alostérica do ATP da COX, o ΔΨm poderia subir acima de 130 mV, acompanhado de vazamento de prótons e escorregamento na COX, diminuindo a eficiência da OxPhos. Embora o respirassomo (estrutura supramolecular I1III2IV1) contenha apenas COX monomérica, a estrutura de aglomerado ordenado do sistema OxPhos completo poderia permitir uma rápida mudança de configuração monomérica/dimérica. Assim, o estabelecimento do “controle alostérico do ATP” reflete a composição molecular.
Em mitocôndrias isoladas, suplementadas com succinato, piruvato ou glutamato, o ADP estimula o consumo de oxigênio (estado 3), enquanto, após sua conversão em ATP, a respiração diminui (estado 4) e o ΔΨm aumenta para 180–200 mV. Além disso, a COX isolada e reconstituída em lipossomos poderia criar um ΔΨ de até 225 mV. A razão entre a taxa de respiração no estado 3 e no estado 4 foi denominada “controle respiratório”. Em mitocôndrias isoladas no estado 4, verificou-se que 2% do oxigênio total consumido era convertido em H2O2. Essa alta quantidade de ROS (espécies reativas de oxigênio, principalmente o ânion radical superóxido O2.− e H2O2) é deletéria para a vida e tem sido demonstrada estar envolvida na geração de inúmeras doenças. Em contraste, pequenas quantidades de ROS, produzidas por várias oxidases, têm funções de sinalização.

Essa alta quantidade de ROS é produzida nas mitocôndrias principalmente nos complexos I–III, mas não na COX, devido à estrutura única do sítio de ligação de oxigênio na subunidade I, composta por heme a3, CuB e um grupo tirosil, permitindo a transferência simultânea de quatro elétrons para O2, evitando assim a formação de compostos ROS intermediários. Verificou-se que a geração mitocondrial de ROS aumenta exponencialmente com o aumento dos valores de ΔΨm acima de 140 mV. Além disso, altas razões NADH/NAD+ levam à formação de O2−, que é rapidamente convertido em H2O2 pelas superóxido dismutases na matriz e no espaço intermembranar. Valores altos e deletérios de ΔΨm acima de 140 mV não são necessários para a síntese de ATP, porque a ATP sintase já está saturada e máxima a 100–120 mV.

Felizmente, em células vivas, os valores de ΔΨm mitocondrial estão normalmente abaixo de 140 mV (ver). No entanto, sob várias condições de estresse, foi descrito um aumento no ΔΨm para valores altos e deletérios. Esse aumento geralmente transitório do ΔΨm foi denominado “hiperpolarização” mitocondrial e é frequentemente seguido por apoptose celular.

A inibição do ΔΨm pelo ATP também foi medida diretamente em mitocôndrias isoladas de fígado de rato usando um eletrodo de tetrafenilfosfônio. Acima de 140 mV, a produção de ROS nas mitocôndrias aumenta continuamente. Enquanto baixas concentrações de ROS têm funções regulatórias nas células, altas quantidades, produzidas nas mitocôndrias sob estresse, são conhecidas por causar múltiplas doenças e acelerar o envelhecimento.

A inibição alostérica por ATP requer COX dimérica, com base em sua cooperatividade de ação do substrato. A COX monomérica, como isolada em detergentes não iônicos, é bastante estável, enquanto a forma dimérica é intrinsecamente instável e se dissocia em monômeros com o aumento da concentração de detergente. Em mitocôndrias isoladas de coração bovino, mais de 85% foi encontrado na forma monomérica. Os ácidos biliares estabilizam a forma dimérica ao trocar ADP ligado por colato.
A inibição por retroalimentação da COX pelo ATP, descoberta há 23 anos, não foi reconhecida pela comunidade científica, porque geralmente não era encontrada em mitocôndrias isoladas por duas razões: (i) as medições em mitocôndrias geralmente não eram realizadas na presença de ATP e altas relações ATP/ADP; (ii) o mecanismo é desligado sob condições de estresse via desfosforilação da COX ativada por Ca2+. O sítio de fosforilação está localizado no lado citosólico da subunidade I da COX e é essencial para a inibição alostérica pelo ATP.

Após a desfosforilação deste sítio por uma proteína fosfatase ativada por Ca2+, a inibição alostérica pelo ATP é desligada. A re-fosforilação por uma proteína quinase dependente de cAMP a liga novamente. Essas observações foram feitas com a enzima isolada, parcialmente reconstituída em lipossomas. O ligar e desligar reversível da inibição alostérica pelo ATP também foi demonstrado recentemente com mitocôndrias intactas de coração de rato. Neste estudo, uma concentração muito baixa de cálcio (1–10 µM) foi suficiente para desligar a inibição alostérica pelo ATP. Vários sinais de estresse aumentam a concentração citosólica de Ca2+ e ativam uma proteína fosfatase dependente de Ca2+, localizada no espaço intermembranar, levando à desfosforilação da COX com subsequente perda da inibição alostérica pelo ATP, aumento do ΔΨm e formação de ROS (ver Figura 1).

Em conclusão, sugerimos que a inibição alostérica pelo ATP da COX está em constante mudança em todas as mitocôndrias, a fim de otimizar a quantidade e eficiência da geração de energia (ATP) em células eucarióticas de acordo com as necessidades reais (ver Figura 1).

5. Regulação da COX via Fosforilação Reversível

Uma regulação adicional da atividade da COX ocorre via fosforilação reversível das subunidades proteicas. Usando espectrometria de massas, 18 sítios de fosforilação diferentes foram identificados nas subunidades da COX. As funções específicas dos sítios de fosforilação, no entanto, foram identificadas apenas em alguns casos (veja acima). Uma revisão dos sítios de fosforilação foi apresentada por Covian e Balaban e Hüttemann et al.. A fosforilação seletiva dependente de proteína quinase A (PKA) das subunidades I, IV-1 e Vb foi encontrada sob estresse hipóxico em coração de coelho. Curiosamente, no citocromo c, o substrato redutor da COX também é fosforilado reversivelmente (em cinco posições), o que influencia a propriedade catalítica da COX.

6. Regulação da COX via Expressão de Isoformas de Subunidades Supranumerárias
   A regulação da atividade da COX através da expressão de isoformas de subunidades supranumerárias no complexo de 13 subunidades totais foi descrita pela primeira vez em 1982 para as subunidades VIa, VIIa e VIII. Isoformas de subunidades supranumerárias ocorrem em formas específicas de tecido, desenvolvimento e espécie. A identificação de isoformas para as subunidades VIa, VIIa e VIII ocorreu no músculo esquelético (isoforma H) e em tecidos não musculares esqueléticos (isoforma L), incluindo músculo liso, conforme demonstrado por diferentes corridas em SDS-PAGE e por diferentes sequências de aminoácidos N-terminais. Os dois genes para uma isoforma foram publicados pela primeira vez em 1988 para as subunidades VIa (VIa-H = isoforma cardíaca, VIa-L = isoforma hepática). Na maioria dos tecidos, verificou-se que a isoforma hepática ocorre (VIa-L, VIIa-L, VIIIa-L), que difere das isoformas que ocorrem no tecido muscular (VIa-H, VIIa-H, VIII-H), exceto no músculo liso), indicando genes diferentes dessas isoformas no tecido muscular esquelético.

Enquanto isso, seis isoformas diferentes foram identificadas para as subunidades supranumerárias da COX. Estas incluem a subunidade IV (IV-1 + IV-2 + IV-3). A inibição alostérica da COX pelo ATP está ativa na maioria dos tipos celulares que expressam a subunidade IV-1. Verificou-se que a isoforma subunidade IV-2 é expressa em linhagens celulares humanas sob hipóxia. Além disso, em astrócitos isolados e células granulares do cerebelo, a subunidade IV-2 é expressa em condições hipóxicas acompanhada pela abolição da inibição alostérica da COX pelo ATP. A terceira isoforma para a subunidade IV da COX (Coxfa4l3) foi encontrada durante a espermatogênese. Outras isoformas ocorrem para as subunidades VIa (VIa-H + VIa-L), VIb (VIb-1 e VIb-2, que parece ser específica dos testículos), VIIa (VIIa-H + VIIa-L + COX-7AR), VIIb (VIIb-1 + VIIb-2) e VIII (VIII-H + VIII-L + VIII-3).

Curiosamente, nos outros complexos da OxPhos (complexos I, II, III e V), não foram encontradas isoformas de subunidades supranumerárias.

Uma expressão específica de isoformas supranumerárias da COX diz respeito a isoformas específicas do desenvolvimento. Durante o desenvolvimento fetal de embriões de mamíferos, as subunidades da COX do tipo hepático VIa-L e VIIa-L são expressas, antes de mudar para a expressão das respectivas subunidades do tipo cardíaco durante o nascimento.

7. Regulação da COX através da Ligação de Pequenos Metabólitos, Proteínas e Ligantes e Desacetilação de Subunidades
   Vários metabólitos foram descritos como capazes de se ligar à COX e alterar sua atividade. O cobre (Cu) é um oligoelemento essencial para o desenvolvimento normal dos organismos vivos.

Enzimas dependentes de cobre, como ceruloplasmina, superóxido dismutase SOD1 e SOD3, o grupo de proteínas metalotioneínas e a COX estão presentes em todas as etapas da gametogênese, bem como nas células somáticas do testículo. Devido ao seu potencial redox, o cobre é um cofator em muitas enzimas responsáveis por processos importantes nas células. O cobre é um elemento muito reativo e, em seu estado livre, pode desencadear a produção de grandes quantidades de radicais livres, que consequentemente levam ao dano de proteínas e DNA. A expressão hepática das chaperonas de Cu, chaperona de cobre antioxidante 1 e chaperona de cobre da citocromo c oxidase (COX17), foi reduzida durante a deficiência de ferro, enquanto a expressão dos genes do metabolismo do zinco não foi alterada. o comportamento de ligação de ânions do sítio de magnésio/manganês (Mg/Mn) na citocromo c oxidase tem um possível papel no bombeamento de prótons. Devido à sua proximidade e a um ligante compartilhado, o Cu(A) oxidado é acoplado por spin ao íon Mn(II). Esta nova observação de ligação de ânions no sítio Mg/Mn é interessante em termos de acessibilidade do sítio enterrado e seu potencial papel no bombeamento de prótons dependente de redox. Além disso, o sítio Mg/Mn enterrado na COX é importante para ligantes de água. Possivelmente, representa uma via para a saída de prótons ou água produzida durante o turnover.

A inibição da COX é vista como um modo primário de sulfeto de hidrogênio (H2S) citotóxico. No entanto, estudos conduzidos nas últimas duas décadas revelaram múltiplos papéis reguladores biológicos do H2S como um transmissor gasoso de mamíferos produzido endogenamente. O H2S atua como um estimulador do transporte de elétrons nas mitocôndrias de mamíferos ao agir como doador de elétrons, com a sulfeto/quinona oxidoredutase (SQR) sendo o aceptor imediato de elétrons, e estimula a produção mitocondrial de ATP.

Um sítio de ligação a ácidos biliares conservado (BABS) foi definido cristalograficamente no domínio de membrana da COX de mamíferos e da COX de Rhodobacter sphaeroides. Diversos ligantes anfipáticos foram previamente demonstrados como capazes de se ligar a esse sítio e afetar o equilíbrio de transferência de elétrons entre os cofatores heme a e a3 ao bloquear a via de captação de prótons K.
Os ligantes candidatos identificados incluem esteroides, nicotinamidas, flavinas, nucleotídeos, ácido retinoico e hormônios tireoidianos, que são previstos para fazer contatos proteicos chave com os resíduos envolvidos na ligação de ácidos biliares. O desoxicolato se liga com seu grupo carboxila na entrada do caminho K; assim, este sítio de ligação conservado de esteroides poderia revelar um sítio regulatório para esteroides ou moléculas estruturalmente relacionadas que atuam no caminho essencial de prótons K e na atividade enzimática. O colato pode afetar a separação da COX em dois estados conformacionais. Acompanhando a cinética de ligação do cianeto à enzima oxidada, diferentes frações de conformações “lentas” e “rápidas” são encontradas. As relações estruturais entre o sítio de ligação conhecido do colato e o sítio binuclear do citocromo a3-CuB, bem como a variação na ocupação deste sítio de ligação com colato ou nucleotídeos, podem modificar a reatividade do centro binuclear oxidado em relação ao cianeto. 3,5-Diiodotironina (3,5-T2) se liga à subunidade Va da COX e elimina a inibição alostérica da COX pelo ATP. Outro metabólito é o palmitato, que diminui a estequiometria H+/e− do bombeamento de prótons da COX não muscular. A ligação de proteínas à COX, incluindo canal aniônico dependente de voltagem (VDAC), receptor do fator de crescimento epidérmico (EGFR), membro 1A da família de domínio HIG1 (Higd1a), proteína 2 do linfoma de células B (BCL-2), uma proteína viral da hepatite B (HBx), regulador retrógrado nuclear mitocondrial 1 (MNRR1), proteína contendo domínio coiled-coil-helix-coiled-coil-helix 2 (CHCHD2), proteína amiloide-β, óxido nítrico sintase 1 (NOS-1), NDUFA4 e NADH desidrogenase (ubiquinona) 1 subcomplexo alfa, 4-like 2 (NDUFA4L2), foi discutida em publicações anteriores.
Os complexos mitocondriais são propensos à modificação de desacetilação mediada pela sirtuína (Sirt)3. A subunidade I do COX foi descoberta como um novo alvo de desacetilação da Sirt3, indicando que o eixo Sirt3/MT-CO1 é um alvo terapêutico promissor para doenças relacionadas ao estresse.
8. Superexpressão das Subunidades do COX durante Lesão Isquêmica, Cancerogênese e Regulação via Formação de Supercomplexos
Aumentar os níveis de expressão da NADH desidrogenase 1 codificada mitocondrialmente (MT-ND1) e da subunidade I do COX (MT-CO1) em cardiomiócitos com taquipacing resultou em aumento do conteúdo de ATP e viabilidade celular superior, enquanto os níveis de expressão da subunidade central 1 da NADH ubiquinona oxidorredutase (NDUFS1) e da subunidade VIc do COX (COXVIc) não tiveram efeito. A subunidade Va do citocromo c oxidase (COXVa) está envolvida na manutenção da função mitocondrial normal. Camundongos transgênicos recém-estabelecidos com superexpressão sistêmica de COXVa resultaram na melhora do reconhecimento espacial, memória e plasticidade sináptica hipocampal, recuperação dos dendritos CA1 do hipocampo e ativação da via de sinalização BDNF/ERK1/2 (fator neurotrófico derivado do cérebro/quinase regulada por sinal extracelular) in vivo. A COXVa no hipocampo desempenha um papel vital na deterioração cognitiva relacionada ao envelhecimento por meio da regulação de BDNF/ERK1/2, sugerindo que a COXVa pode ser um alvo potencial para drogas antienvelhecimento. A superexpressão de COXVa protege os neurônios corticais da lesão hipóxico-isquêmica em ratos neonatos associada à regulação positiva da triosefosfato isomerase. A subunidade COXVb está diretamente ligada às redes reguladoras de estresse. As superóxido dismutases de cobre/zinco possuem a capacidade de aumentar a resposta ao estresse por sulfato de cobre e a indução dos níveis de transcrição do RNA mensageiro (mRNA) e microRNA. Em tecidos de carcinoma hepatocelular humano (CHC), 11 dos 13 genes codificados pelo DNA mitocondrial (mtDNA) exibiram níveis reduzidos de mRNA e cinco genes exibiram níveis reduzidos de proteína, incluindo os genes citocromo B e MT-CO2. Após a superexpressão de mitomiR-181a-5p, os níveis de citocromo B e MT-CO2 foram reduzidos em células de CHC, e o ΔΨm mantido pela cadeia de transporte de elétrons (CTE) foi diminuído. Um estudo sistemático da superexpressão de proteínas e genes em células tumorais resultou em várias publicações. Mutações somáticas no MT-CO1 codificado pelo DNA mitocondrial são frequentes em vários tipos de câncer. Espécies reativas de oxigênio geradas em células superexpressando variantes de MT-CO1 atuaram como efetores-chave mediando a expressão diferencial de genes relacionados à apoptose e à via de dano ao DNA. A superexpressão de COXVIb1 protegeu contra lesão neuronal induzida por isquemia/reperfusão em neurônios hipocampais de ratos e aliviou a lesão por hipóxia/reoxigenação de cardiomiócitos neonatais de ratos. A superexpressão de COXVIIa1 suprimiu a proliferação celular e a capacidade de formação de colônias, bem como promoveu a apoptose celular, em células de câncer de pulmão de células não pequenas humanas. A COXVIIa1 ocupa uma posição chave na regulação do desenvolvimento e progressão do câncer de pulmão ao afetar a autofagia. Em alguns relatos, foi encontrada uma correlação aumentada entre a superexpressão das subunidades Va e/ou Vb do COX e a taxa de crescimento de vários tumores. A base molecular para essa relação, no entanto, permaneceu não resolvida.
Semelhante à associação de dois monômeros de COX ao dímero, os complexos da cadeia respiratória (CI–CIV) podem se associar a múltiplos complexos chamados “supercomplexos”. Um supercomplexo bem conhecido é o “respirassomo” (I1III2IV1). Suas propriedades foram descritas em artigos de revisão. As conexões entre dinâmica mitocondrial, remodelagem das cristas e formação de supercomplexos são apresentadas ali: como a estrutura mitocondrial pode regular a bioenergética, bem como o impacto da dinâmica mitocondrial e da forma das cristas no metabolismo oxidativo, na eficiência respiratória e no estado redox. Por exemplo, o CI (complexo I) forma um supercomplexo com CIII2 e CIV (SC I1+III2+IV1), conhecido como respirassomo), bem como com CIII2 isoladamente (SC I + III2). O CIII2 forma um supercomplexo com CIV (SC III2 + IV1), e o CV isoladamente forma dímeros (CV2).
Nota do Editor: A MDPI permanece neutra em relação a reivindicações jurisdicionais em mapas publicados e afiliações institucionais.
Financiamento
Esta pesquisa não recebeu financiamento externo.
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Disponibilidade de Dados
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Conflitos de Interesse
Os autores declaram não haver conflito de interesses.
Referências
Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemiosmotic type of mechanism
Chemiosmotic coupling in oxidative and photosynthetic phosphorylation
Mitochondrial uncoupling: A key controller of biological processes in physiology and diseases
In vivo control of respiration by cytochrome c oxidase in wildtype and mitochondrial DNA mutation-carrying human cells
In vivo control of respiration by cytochrome c oxidase in human cells
The control of flux
A linear steady-state treatment of enzymatic chains. General properties, control and effector strength
Understanding the control of metabolism
Control of mitochondrial respiration
Control of oxidative phosphorylation in rat muscle mitochondria: Implications for mitochondrial myopathies
The kinetic basis of threshold effects observed in mitochondrial diseases: A systemic approach
Cytochrome c oxidase: Evolution of control via nuclear subunit addition
Separation of mammalian cytochrome c oxidase into 13 poly-peptides by a sodium dodecyl sulfate-gel electrophoretic procedure
Biosynthesis of cytochrome c oxidase in isolated hepatocytes
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A dimerização reversível da citocromo c oxidase regula a respiração mitocondrial
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Integração dos sinais de cálcio citosólico nas respostas metabólicas mitocondriais
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Espécies reativas de oxigênio na sinalização metabólica e inflamatória
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Cadeia de transporte de elétrons mitocondrial, geração de ROS e desacoplamento (Revisão)
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Modificação direcionada da produção de ROS mitocondrial converte a citotoxicidade induzida por glicose elevada em citoproteção: Efeitos no pré-condicionamento anestésico
A hiperpolarização mitocondrial impulsionada pela ativação metabólica prediz a secreção de insulina em células beta pancreáticas humanas
Regulação da atividade das células natural killer por glicocorticoides, serotonina, dopamina e epinefrina
Proteínas desacopladoras previnem o estresse oxidativo neuronal induzido por glicose e a morte celular programada
Cascatas de proteína quinase na regulação da hipertrofia cardíaca
Sinalização de cálcio e citotoxicidade
Estresse crônico e disfunção endotelial: Mecanismos, desafios experimentais e perspectivas
Corações saudáveis em ritmo acelerado: Do estresse da vida diária à função anormal dos cardiomiócitos e arritmias
Disregulação autonômica induzida por estresse da função mitocondrial no urotélio de ratos
Efeitos do estresse psicológico agudo e crônico na agregação plaquetária em camundongos
A modulação do estresse oxidativo alivia os déficits comportamentais e cognitivos induzidos por estresse em ratos
O estresse social crônico induz disfunção contrátil dos cardiomiócitos e desarranjo de Ca2+ intracelular em ratos
O glutamato induz desequilíbrio dinâmico mitocondrial e ativação da autofagia: Efeitos preventivos do selênio
ATP e ADP se ligam à citocromo c oxidase e regulam sua atividade
Vazamentos de prótons e elétrons mitocondriais
As relações corrente-tensão de lipossomos e mitocôndrias
Influência da modificação com N-etoxicarbonil-2-etoxi-1,2-di-hidroquinolina na translocação de prótons e no potencial de membrana da citocromo c oxidase reconstituída suporta o "deslizamento de prótons"
Ativação do oxigênio e conservação de energia na respiração celular
Regulação da estequiometria H+/e- da citocromo c oxidase de coração bovino por razões ATP/ADP intralipossomais
Um mecanismo de bombeamento de prótons da citocromo c oxidase que exclui o sítio de redução de O2
Mecanismo de bombeamento de prótons da citocromo c oxidase de coração bovino
O mecanismo de comporta de redução de O(2) e bombeamento de prótons da citocromo c oxidase de coração bovino
Uma terceira via condutora de prótons é operativa na citocromo c oxidase bacteriana?
Estequiometria da translocação mitocondrial de H+ acoplada à oxidação do succinato em fluxo nivelado
Estequiometria de translocação de prótons da citocromo oxidase: Uso de um eletrodo de oxigênio de resposta rápida
Limites superior e inferior da estequiometria de prótons da oxidação do citocromo c em mitoplastos de fígado de rato
Medição direta da razão de extrusão inicial de prótons para captação de oxigênio acompanhando a oxidação do succinato por mitocôndrias de fígado de rato
Estrutura da citocromo c oxidase humana intacta de 14 subunidades
Remoção seletiva da subunidade VIb aumenta a atividade da citocromo c oxidase
Clusters ordenados do sistema completo de fosforilação oxidativa em mitocôndrias cardíacas
Metabolismo de hidroperóxidos em órgãos de mamíferos
Biomarcadores de dano oxidativo em doenças humanas
Radicais livres e antioxidantes em funções fisiológicas normais e doenças humanas
Regulação redox da sobrevivência celular
ERO mitocondriais no câncer: Iniciadores, amplificadores ou um calcanhar de Aquiles?
Mitocôndrias na saúde, envelhecimento e doenças da pele
O proteoma da cisteína
Peróxido de hidrogênio como molécula central de sinalização redox no estresse oxidativo fisiológico: Eustresse oxidativo
Função das ERO na sinalização redox e no estresse oxidativo
Como as mitocôndrias produzem espécies reativas de oxigênio
ERO e sinalização celular mediada por ERO
Geração, partição, direcionamento e funcionamento do superóxido nas mitocôndrias
Alto potencial protônico aciona um mecanismo de produção de espécies reativas de oxigênio nas mitocôndrias
Regulação da produção de H2O2 mitocondrial cerebral pelo potencial de membrana e estado redox do NAD(P)H
Espécies reativas de oxigênio e superóxido dismutases: Papel em doenças articulares
A síntese de ATP pela ATP sintase do tipo F é obrigatoriamente dependente da voltagem transmembrana
Regulação da fosforilação oxidativa, do potencial de membrana mitocondrial e seu papel nas doenças humanas
O possível papel da citocromo c oxidase na apoptose induzida por estresse e doenças degenerativas
Aspectos bioenergéticos da apoptose, necrose e mitoptose
A respiração mitocondrial e o potencial de membrana são regulados pela inibição alostérica por ATP da citocromo c oxidase
Fosforilação do citocromo c: Controle do fluxo da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial e apoptose
A ligação entre estresse crônico e envelhecimento acelerado
Citocromo c oxidase bovina solubilizada por detergente: A dimerização depende do ambiente anfifílico
A razão dos complexos I–V de fosforilação oxidativa em mitocôndrias de coração bovino e a composição dos supercomplexos da cadeia respiratória
Dimerização induzida por colato da citocromo c oxidase bovina solubilizada por detergente ou fosfolipídeo
Mini-revisão-Hipótese. Novo controle do potencial de membrana mitocondrial e formação de EROs
Fosforilação da citocromo c e citocromo c oxidase de mamíferos na regulação do destino celular: Rion, apoptose e doença humana
Complexo IV—O centro regulador da fosforilação oxidativa mitocondrial
Controle do potencial de membrana mitocondrial e formação de EROs pela fosforilação reversível da citocromo c oxidase
Fosforilação de proteínas da matriz mitocondrial cardíaca e do complexo respiratório
Múltiplas fosforilações da citocromo c oxidase e suas funções
Fosforilação sítio-específica das subunidades I, IVi1 e Vb da citocromo c oxidase em corações de coelho submetidos a isquemia/reperfusão
Genes tecido-específicos codificam o polipeptídeo VIa da citocromo c oxidase de fígado e coração bovinos
Diferentes isoenzimas da citocromo c oxidase são expressas no músculo liso bovino e no músculo esquelético ou cardíaco
Caracterização de dois genes diferentes (cDNA) para a subunidade VIa da citocromo c oxidase de coração e fígado de rato
Isoformas tecido- e condição-específicas das subunidades da citocromo c oxidase de mamíferos: Da função à doença humana
Isoformas da subunidade IV de mamíferos da citocromo c oxidase
Coxfa4l3, uma nova proteína subunidade do Complexo 4 da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial, troca de Coxfa4 durante a espermatogênese
HIF-1 regula as subunidades da citocromo oxidase para otimizar a eficiência da respiração em células hipóxicas
Efeito da hipóxia no padrão de transcrição das isoformas de subunidades e na cinética da citocromo c oxidase em astrócitos corticais e neurônios cerebelares
A citocromo c oxidase de mamíferos contém uma isoforma testículo-específica da subunidade VIb—a contraparte do Citocromo c testículo-específico?
Identificação de um membro adicional da família de proteínas da subunidade VIIa da citocromo c oxidase
COX7AR é uma subunidade mitocondrial de COX indutível por estresse que promove a malignidade do câncer de mama
Mutações no COX7B causam microftalmia com lesões cutâneas lineares, uma doença mitocondrial não convencional
Uma terceira isoforma da subunidade VIII da citocromo c oxidase está presente em mamíferos
Expressão das subunidades da citocromo c oxidase humana durante o desenvolvimento fetal
Troca das isoformas da subunidade VIa da citocromo c oxidase bovina no músculo esquelético durante o desenvolvimento
Papel do cobre no processo de espermatogênese
O efeito da deficiência de ferro materna nos níveis de zinco e cobre e nos genes do metabolismo de zinco e cobre durante a gestação em ratos
Evidência de RPE da ligação de cianeto ao centro Mn(Mg) da citocromo c oxidase: Suporte para o envolvimento de Cu(A)-Mg no bombeamento de prótons
Acesso rápido de deutério ao sítio enterrado de magnésio/manganês na citocromo c oxidase
Sulfeto de hidrogênio, um estimulador endógeno da função mitocondrial em células cancerosas
Predição computacional e análise in vitro de potenciais ligantes fisiológicos do sítio de ligação de ácidos biliares na citocromo c oxidase
Um sítio conservado de ligação de esteroides na citocromo c oxidase
A razão entre as formas rápida e lenta da citocromo c oxidase bovina é alterada por colato ou nucleotídeos ligados ao sítio de ligação do colato próximo ao centro binuclear citocromo a3/CuB
A 3,5-diiodotironina se liga à subunidade Va da citocromo c oxidase e abole a inibição alostérica da respiração pelo ATP
O palmitato diminui o bombeamento de prótons da citocromo c oxidase do tipo hepático
A desacetilação dependente de Sirt3 da COX-1 neutraliza a apoptose celular induzida por estresse oxidativo
Efeito do TFAM no conteúdo de ATP em cardiomiócitos primários cultivados com taquiestimulação e em pacientes com fibrilação atrial
A COX5A desempenha um papel vital no comprometimento da memória associado ao envelhecimento cerebral via via de sinalização BDNF/ERK1/2
A superexpressão de COX5A protege neurônios corticais de lesão isquêmica hipóxica em ratos neonatos associada à regulação positiva de TPI
O Cca-miR398 aumenta a sensibilidade ao estresse por sulfato de cobre via regulação dos níveis de transcrição do mRNA de CSD em Arabidopsis thaliana transgênica
O miR-181a-5p mitocondrial promove a reprogramação do metabolismo da glicose no câncer de fígado ao regular a cadeia de transporte de elétrons
Papel da subunidade I da citocromo c oxidase (MT-COI) codificada pelo mtDNA expressa ectopicamente na tumorigênese
A superexpressão de COX6B1 protege contra lesão neuronal induzida por I/R em neurônios hipocampais de ratos
A COX6B1 alivia a lesão de hipóxia/reoxigenação de cardiomiócitos neonatais de ratos ao regular a função mitocondrial
A COX7A1 suprime a viabilidade de células de câncer de pulmão de células não pequenas humanas via regulação da autofagia
Envolvimento das subunidades Va e Vb da citocromo c oxidase na regulação do metabolismo de células cancerígenas pelo Bcl-2
A perda de COX5B inibe e promove senescência via disfunção mitocondrial no câncer de mama
Identificação de COX5B como um novo biomarcador em pacientes com glioma de alto grau
A alta expressão de COX5B está associada a mau prognóstico no câncer de mama
Determinantes imunometabólicos da resposta à quimiorradioterapia e sobrevida no carcinoma espinocelular de cabeça e pescoço
Análise sistemática da expressão das subunidades proteicas da cadeia respiratória mitocondrial identifica COX5B como um marcador prognóstico no carcinoma de células renais de células claras
A alteração bioenergética mediada por COX5B regula o crescimento e a migração tumoral ao modular a cascata AMPK-UHMK1-ERK em hepatoma
Montagem dos complexos I-V de fosforilação oxidativa de mamíferos e supercomplexos
Esclarecendo o supercomplexo: A organização de ordem superior da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial
Ligando dinâmica mitocondrial, remodelagem de cristas e formação de supercomplexos: Como a estrutura mitocondrial pode regular a bioenergética
Uma avaliação crítica do papel dos supercomplexos respiratórios nas mitocôndrias
Hipótese: Ligação variável do NDUFA4 ao complexo I ou à citocromo c oxidase (COX) na cadeia respiratória mitocondrial. Assume-se que, no estado de repouso, a fosforilação (P) do complexo I e da COX (complexo IV) por uma proteína quinase A dependente de cAMP (PKA) em baixo cálcio citosólico (<1 µM) estabiliza a ligação do NDUFA4 ao complexo I e induz a “inibição alostérica por ATP” da COX dimérica. No estado ativo, o aumento do cálcio citosólico induzido por estresse (> 1 µM) desfosforila o complexo I e a COX por meio de uma proteína fosfatase ativada por cálcio (PP1), acompanhado pela monomerização da COX, mudança da ligação do NDUFA4 do complexo I para a COX monomérica e desligamento de sua inibição alostérica por ATP. Nota: no “estado ativo”, há maior bombeamento de prótons (H+) e síntese de ATP, mas a produção de EROs também está aumentada (seta azul). Modificado da Figura 1 em.