Цитохром c: строение и функции¶

Цитохром c — небольшой гемсодержащий белок, относящийся к классу цитохромов и выполняющий функцию переносчика электронов в дыхательной цепи митохондрий и в фотосинтетических процессах. В отличие от большинства цитохромов, он растворим в воде и слабо связан с внутренней мембраной митохондрий, что делает его одним из наиболее изученных белков в биохимии. Цитохром c присутствует у всех аэробных эукариот и у многих бактерий; его структура и функции высоко консервативны в эволюции.

¶Общая характеристика

Цитохром c представляет собой гемопротеин — белок, содержащий в качестве простетической группы гем типа c. Молекулярная масса белка составляет около 12–13 кДа, длина полипептидной цепи — примерно 100–110 аминокислотных остатков в зависимости от организма. Гем ковалентно связан с белковой частью через две тиоэфирные связи, образуемые остатками цистеина в характерном мотиве Cys-Xaa-Xaa-Cys-His. Атом железа в составе гема обратимо переходит между состояниями Fe²⁺ (восстановленная форма) и Fe³⁺ (окисленная форма), что и обеспечивает перенос одного электрона за цикл.

Название «цитохром» происходит от греческих слов «клетка» и «цвет»: белки этого класса окрашены благодаря поглощению света гемом. Цитохром c имеет характерный спектр поглощения с максимумами в видимой области, что исторически использовалось для его обнаружения и количественного определения.

¶История изучения

Цитохром c был одним из первых белков, для которых удалось установить полную аминокислотную последовательность. В 1950-х годах шведский биохимик Хуго Теорелль исследовал окислительно-восстановительные свойства гемопротеинов и за работы по механизму действия окислительных ферментов получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1955 году. В 1961 году американский биохимик Маргарет Дейхофф определила первичную структуру цитохрома c из сердца лошади; за эту работу она была удостоена Нобелевской премии по химии в 1972 году (совместно с Кристианом Анфинсеном и Стенфордом Муром).

Пространственная структура цитохрома c была установлена методом рентгеноструктурного анализа в конце 1960-х — начале 1970-х годов. Это был один из первых белков, для которых получили трёхмерную атомную модель, что сыграло важную роль в становлении структурной биологии.

¶Строение молекулы

Молекула цитохрома c имеет компактную глобулярную форму. В её структуре выделяют несколько α-спиральных участков, окружающих гем. Гем расположен в гидрофобном кармане, который защищает его от неспецифических взаимодействий и стабилизирует нужное окислительно-восстановительное состояние.

Ключевые особенности строения:

• Гем типа c — железопорфириновое кольцо, ковалентно закреплённое на белке;
• Координация железа — атом железа координирован двумя гистидиновыми остатками (аксиальные лиганды), что отличает цитохром c от, например, гемоглобина, где одна из позиций занята молекулой воды или кислорода;
• Лизин-богатый участок — область на поверхности белка, обеспечивающая электростатическое взаимодействие с партнёрами по переносу электронов.

Благодаря ковалентному связыванию гема цитохром c устойчив к денатурации и действию ряда химических агентов, что облегчает его выделение и очистку.

¶Функции в клетке

Основная функция цитохрома c — перенос электронов в дыхательной цепи митохондрий. Он располагается в межмембранном пространстве и действует между комплексом III (bc₁-комплекс, убихинол-цитохром c-оксидоредуктаза) и комплексом IV (цитохром c-оксидаза). Принимая электрон от комплекса III, восстановленный цитохром c диффундирует по поверхности внутренней мембраны и передаёт электрон на комплекс IV, где происходит восстановление молекулярного кислорода до воды.

Схематически перенос можно представить так:

Помимо дыхательной цепи, цитохром c участвует в ряде других процессов:

• в фотосинтезе у растений и цианобактерий он переносит электроны между цитохромным b₆f-комплексом и фотосистемой I;
• в апоптозе (программируемой клеточной гибели) выход цитохрома c из митохондрий в цитоплазму запускает сборку апоптосомы и активацию каспаз;
• у некоторых бактерий цитохром c задействован в процессах дыхания и восстановления нитратов и сульфатов.

¶Роль в апоптозе

Особое значение цитохром c имеет в регуляции апоптоза. При получении клеткой сигнала к гибели повышается проницаемость внешней мембраны митохондрий, и цитохром c высвобождается в цитозоль. Там он связывается с белком Apaf-1 и в присутствии АТФ образует апоптосому — крупный белковый комплекс, который активирует инициаторную каспазу-9. Это запускает каскад реакций, приводящих к гибели клетки. Таким образом, белок, обычно участвующий в энергетическом обмене, выполняет сигнальную функцию.

¶Эволюционное значение

Цитохром c — классический объект молекулярной филогенетики. Скорость замен аминокислот в этом белке относительно невелика и примерно постоянна во времени, что позволяет использовать его последовательность как «молекулярные часы» для оценки времени расхождения видов. Сравнение аминокислотных последовательностей цитохрома c у разных организмов — от бактерий до человека — показало высокую степень сходства и стало одним из аргументов в пользу единства происхождения живых организмов. Различия в последовательностях используются для построения филогенетических деревьев.

¶Практическое применение

Цитохром c применяется в лабораторной практике как модельный белок для изучения электронного транспорта, белковой folding (сворачивания) и окислительно-восстановительных реакций. В биотехнологии и медицине его используют в тестах на активность дыхательной цепи и как маркер повреждения митохондрий. В аналитической биохимии он служит стандартом для калибровки методов спектроскопии и хроматографии.

В пищевой промышленности и фармацевтике цитохром c иногда применяют как компонент диагностических наборов и реагентов. Исследования его роли в апоптозе имеют значение для разработки подходов к терапии опухолей и нейродегенеративных заболеваний, поскольку нарушение высвобождения цитохрома c связано с рядом патологий.