細胞色素
細胞色素
細胞色素一類以鐵卟啉(或血紅素)作為輔基的電子傳遞蛋白,廣泛參與動、植物,酵母以及好氧菌、厭氧光合菌等的氧化還原反應。
細胞色素作為電子載體傳遞電子的方式是通過其血紅素輔基中鐵原子的還原態(Fe2+)和氧化態(弤)之間的可逆變化。任何一類細胞蛋白(血紅素蛋白),在細胞能量轉移中起著極為重要的作用。
細胞色素可按其吸收的光的波長分為3類,已鑒定出至少30種不同的細胞色素。
細胞色素C
a類細胞色素輔基的結構是血紅素A,它與原血紅素的不同是在於卟啉環的第八位上以甲醯基代替甲基,第二位上以羥代法呢烯基代替乙烯基。
d類細胞色素僅在細菌中發現,它的輔基為鐵二氫卟啉,與其他細胞色素不同。
c類細胞色素的輔基是血紅素以其卟啉環上的乙烯基與蛋白質分子中的半胱氨酸巰基相加成的硫醚鍵共價結合(見圖)。其他各類細胞色素的輔基都是以非共價鍵與蛋白相結合。還原狀態的細胞色素在可見光區具有特徵性的光吸收帶:α帶、β帶、γ帶(或稱吸收帶)。通常a類細胞色素的α吸收帶位於598~605納米;b類的最大α吸收帶在556~564納米;c類在550~555納米;d類為600~620納米之間。
Macmunn首先在1886年,在動物細胞中發現一種含血紅素的色素,取名為組織血紅素。但當時的主要生物化學家認為是一種實驗錯誤。直到1925年Keilin證實了Macmunn的發現,並改名為細胞色素。
真核細胞(動物、植物、酵母、脈孢菌)的線粒體膜和某些細菌的細胞質膜上的氧化磷酸化電子傳遞鏈中,細胞色素包括:Cyt a、Cyt a3、Cyt b、Cyt c、Cyt c1,除Cyt c外其他都是緊密結合在線粒體內膜上,Cyt c1因呈現水溶性,故與線粒體內我結合不緊密。它們的氧化還原電位(電子親和性)逐漸增加,其作用是將電子從各種脫氫酶系統順序地傳遞到分子氧。其中除了細胞色素c是膜的外周蛋白,位於線粒體內膜的外側,能被鹽溶液抽提以外,其他的細胞色素都緊緊地與線粒體內膜相結合,需要高濃度的去垢劑才能把它們增溶下來。由於細胞色素c是一種可溶性的蛋白,易於獲得結晶,因而它是電子載體蛋白中結構研究得最清楚的。
動物細胞
細胞色素釋放引起的凋亡
在植物和一些藻類的光合電子鏈中,至少有三種細胞色素參與光誘導的光合電子傳遞,起電子載體的作用:細胞色素b6(或稱細胞色素b563)、細胞色素b3(或稱細胞色素b559)和細胞色素f(或稱細胞色素b552)。細胞色素f最早是在葉子中發現的,結構上屬於c類細胞色素,分子量約為100000,其α吸收峰位於552~555納米之間。細胞色素b3、b6、f都是不對稱地分佈於葉綠體類囊體的膜上,與膜緊密結合的膜蛋白。光合細菌,如紫色非硫細菌或綠色光合菌如處於無光照並給予氧氣的條件下,它們的電子傳遞鏈十分相似於線粒體的呼吸鏈;如處於光照及厭氧條件下,其電子傳遞鏈由輔酶Q-細胞色素c2氧化酶組成。細胞色素c2是一個水溶性的細胞色素,分子量為12000~14000。它的一級結構與哺乳類線粒體中的細胞色素c十分相似,並具有c的典型的吸收光譜,α最大吸收峰為550納米。
非磷酸化的電子傳遞酶系
細胞色素輔基
注意事項
1、在呼吸鏈中細胞色素屬電子傳遞,而非遞氫體;
2、在呼吸鏈中,它們的排列順序為Cyt b,Cyt c1,Cyt c,Cyt aa3;
3、Cyt a與Cyt a3形成複合體Cyt aa3,其負責將電子從Cyt c傳遞給氧,故稱為細胞色素氧化酶(細胞色素C氧化酶)。
動物體內各種細胞色素的光譜
除細胞色素b及細胞色素P450主要存在於內質網外,動物細胞的細胞色素都存在於線粒體內膜的蛋白質與脂類複合物中。用水提取只能得到細胞色素c,而其他細胞色素仍然固著在線粒體的不溶性顆粒物質上。
圖1血紅素A結構
圖2 細胞色素C結構
細胞色素都含有鐵卟啉輔基,細胞色素a及a3的輔基是血紅素A(圖1),血紅素A與多肽鏈的結合是非共價鍵。細胞色素bT,bK,b5,P450,c和c1的輔基都是血紅素(圖2),除細胞色素c及c1以外,其他細胞色素的輔基與多肽鏈結合都是非共價鍵結合。細胞色素c中的血紅素通過卟啉環上的乙烯基的α碳和酶蛋白多肽鏈的14,17位半胱氨基酸殘基的-SH連接成硫醚鍵(見圖2)。除細胞色素a3及P450外,其餘細胞色素中的鐵原子所能形成的六個配位鍵都已被卟啉環中的4個N原子及多肽鏈的18位的組氨基酸的咪唑氮及80位的蛋氨酸殘基的硫原子飽和(見圖2),所以不能再與其他配基結合,唯有a3及P450第六個配位鍵沒有被佔據,所以能與其他配基如O2,CN-,CO等結合。
已斷定有兩種組分,即a及a3,但不能將兩者分開。實際上a和a3結合成一個大分子的寡聚體,但亞基的數量及結構還不清楚,通常稱為細胞色素aa3或稱細胞色素氧化酶,分子量約為200 000,含有二分子血紅素A及二個銅原子。二個血紅素A與一些配基的反應性有所差別,氧化型a3的血紅素A極易與CN-結合,並且不能再被還原。還原型a3的血紅素A極易與CO生成穩定的複合物,從而中斷呼吸鏈的電子傳遞,而細胞色素a的血紅素A則不能與CO和CN-結合,也不能與O2結合。
有c及c1都是線粒體細胞色素,二者的光譜性質十分近似,二者的輔基和與酶蛋白的聯接方式都相同。c1單體分子量為38000,c1是以多聚體存在,無論是單體還是多聚體,都不能與aa3起反應。細胞色素c是分子量最小的細胞色素,由於它的分子量小,是可溶的,容易提取純化,所以研究比較多,對其結構也最清楚,已測定50多種生物的細胞色素c的一級結構,對它的高級結構也進行過詳細研究。脊椎動物的細胞色素c由104個殘基組成。植物的細胞色素c由112個殘基組成。人及黑猩猩的細胞色素c完全一樣,儘管各種生物的細胞色素c的殘基有許多變化。但其立體結構則基本一致。
包括bT、bK、b5、P450等,bT、bK存在於線粒體內膜,是線粒體呼吸鏈的成分,不能與O2結合。b5及P450主要存在於內質網,是微粒體混合功能氧化酶系的組成成分(見“微粒體氧化”條),還原型P450與CO結合后,在450nm有最大吸收峰(γ峰),故取名細胞色素P450,它能與O2結合。