Cytochrom c
| Cytochrom c | ||
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| Bändermodell des Cytochrom c mit der prosthetischen Gruppe Häm c als Stäbchenmodell. | ||
| Eigenschaften des menschlichen Proteins | ||
| Masse/Länge Primärstruktur | 104 Aminosäuren | |
| Kofaktor | Häm | |
| Bezeichner | ||
| Gen-Name | CYCS | |
| Externe IDs | ||
| Vorkommen | ||
| Homologie-Familie | Hovergen | |
| Übergeordnetes Taxon | Lebewesen[1] | |
Cytochrom c ist ein kleines Protein aus der Familie der Cytochrome, das in den Mitochondrien bei der oxidativen Phosphorylierung (Energiegewinnung) eine entscheidende Rolle als Elektronencarrier (Elektronentransporter) spielt. Orthologe des Cytochrom c kommen in allen Lebewesen als Mono- und Multimere vor. Beim Menschen sind Mutationen im CYCS-Gen mögliche Ursache für Cytochrom c-Mangel und familiäre Thrombozytopenie.[2]
Struktur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Primärstruktur des humanen Cytochrom c besteht aus 104 Aminosäuren. Das Cytochrom c besitzt als prosthetische Gruppe ein Häm c, das über zwei Thioether-Brücken an zwei Cystein-Reste im Protein Apocytochrom c [3] gebunden ist. Das zentrale Eisen(II)-Ion (Fe2+) ist oktaedrisch komplexiert über koordinative Bindungen zu den vier Stickstoff-Atomen (äquatorial) der Pyrrole im Porphyrin und axial zu einem Stickstoff-Atom eines Histidin-Restes und zu einem Schwefel-Atom eines Methionin-Restes im Protein.[2]
Die Häm-Gruppe ist außerdem für die rote Farbe des Cytochrom c verantwortlich. Für Cytochrom c wurde auch eine molten-Globule-Struktur beschrieben.
Funktion
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das Enzym Cytochrom-c-Reduktase (Komplex III der Atmungskette) oxidiert über den Q-Zyklus ein Molekül Coenzym Q (CoQ) in der inneren Membran der Mitochondrien und reduziert dabei zwei Moleküle Cytochrom c, die sich im Intermembranraum befinden. Das Enzym Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV der Atmungskette) oxidiert vier Moleküle Cytochrom c und reduziert dabei ein Molekül Sauerstoff zu zwei Molekülen Wasser.
Bei Beschädigung der Mitochondrien wird Cytochrom c durch die äußere Membran hindurch ins Zytosol abgegeben, wo es über eine Signalkaskade den programmierten Zelltod (Apoptose) auslöst.
Da Cytochrom c in praktisch allen (d. h. aeroben) Lebewesen vorkommt und sich seine Primärstruktur zwischen ähnlichen Arten nur in wenigen Aminosäuren unterscheidet, ist es ein wichtiges Mittel zur taxonomischen Einteilung der Lebewesen und ein Indiz für die evolutionäre Entwicklung der Arten. Wichtige Grundlagenarbeiten hierfür wurden von Walter M. Fitch publiziert.[4]
Cytochrom-c-Reifung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Im Cytochrom c das Protein Apocytochrom ckovalent an den Häm-Kofaktor. Diese Bindung erfolgt (üblicherweise) über Thioetherbrücken zwischen zwei Cysteinresten im CXXCH-Motiv[A. 1] des Cytochrom c und den Vinylgruppen des Häms.[5]
Diese Bindung zwischen Apocytochrom c und Häm wird im letzten Schritt der Cytochrom-c-Biosynthese durch ein sog. Cytochrom-c-Reifungssystem (cytochrome c maturation system) katalysiert, von dem (mit Stand 1. Mai 2026) über alle aeroben Organismen hinweg fünf evolutionär verschiedene Varianten (System I bis System V) bekannt sind. Die Systeme I, III und V sind in den Mitochondrien lokalisiert, die Systeme II und IV dagegen im Zellkern von Eukaryoten (komplex-zellulären Organismen).[5]
System I benötigt insgesamt acht Hauptproteine (core proteins, genannt Ccm-Proteine: CcmA bis CcmH[A. 2]); die Gesamtheit der mitochondrialen Gene, die für diese Proteine kodieren, wird auch als ccm-Gruppe bezeichnet (ggf. ist in einem Organismus auch nur ein Subset dieser Proteine vorhanden). Außer in den Mitochondrien der Eukaryoten sind auch in aeroben Bakterien Homologe ebenfalls an der Cytochrom-c-Reifung beteiligt. Gemäß der Endosymbiontentheorie der Mitochondrien wird ein α-proteobakterieller Endosymbiont der eukaryotischen Stammzellen angenommen, aus dem das mitochondriale Urorganell (Ur-Mitochondrium) hervorging. Die besagte Homologie legt daher nahe, dass das mitochondriale System I seinen Ursprung in den α-proteobakteriellen Vorfahren der Mitochondriem hat.[5]
System III hingegen wird ausschließlich durch im Zellkern (nukleär) kodierte Proteine gesteuert. Ein einzelnes Protein, die Holocytochrom-c-Synthase (HCCS), verknüpft hier das Apocytochrom c mit dem Häm. HCCS bzw. System III wurde bislang ausschließlich in Eukaryoten nachgewiesen und weist keinerlei Sequenzähnlichkeit mit funktionellen Äquivalenten in Bakterien auf. Es wird daher angenommen, dass System I älter ist als System III, und eine von mehreren eukaryotischen Innovationen darstellt.[5]
Um die Evolution der Cytochrom-c-Reifung bei Eukaryoten zu verstehen, ist die Kenntnis der genauen Verteilung der Systeme I und III unverzichtbar. U. a. konnten Nishimura et al. 2020 wichtige Details zur Frage klären, in welcher Abstammungslinie sich System III entwickelt hat und auf welche Weise es sich über mehrere eukaryotische Linien hinweg verbreitet hat: Offenbar nutzen alle bekannten aeroben Eukaryoten für die mitochondriale Cytochrom-c-Reifung entweder System I oder System III (d. h. beide Systeme I und III schließen sich gegenseitig aus) – mit folgenden Ausnahmen:[5]
- Euglenozoa besitzen ein Cytochrom c mit einem unkonventionellen Hämbindungsmotiv F/AXXCH. Dieses Euglenozoa-spezifische System für die Cytochrom-c-Reifung wird als System V bezeichnet.[10][11]
- Das Provora-Mitglied Ancoracysta twista nutzt beide Systeme, I und III.[12][5]
Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Enzymkomplexe der Atmungskette:
- Komplex I, auch NADH-Dehydrogenase
- Komplex II, auch Succinat-Dehydrogenase
- Komplex III, auch Cytochrom-c-Reduktase
- Komplex IV, auch Cytochrom-c-Oxidase
- Komplex V, auch ATP-Synthase
Anmerkungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ Homologiegruppe bei OMA
- 1 2 UniProt P99999
- ↑ Apocytochrom c. Lexikon der Biologie (spektrum.de).
- ↑ Walter M. Fitch: The molecular evolution of cytochrome c in eukaryotes. In: Journal of Molecular Evolution, Band 8, Nr. 1, 1976, S. 13–40; doi:10.1007/BF01738880 (englisch).
- 1 2 3 4 5 6 Yuki Nishimura, Keitaro Kume, Keito Sonehara, Goro Tanifuji, Takashi Shiratori, Ken-ichiro Ishida, Tetsuo Hashimoto, Yuji Inagaki, Moriya Ohkuma: Mitochondrial Genomes of Hemiarma marina and Leucocryptos marina Revised the Evolution of Cytochrome c Maturation in Cryptista. In: Frontiers in Ecology and Evolution, Band 8, 2. Juni 2020; doi:10.3389/fevo.2020.00140 (englisch).
- ↑ P33931 · CCMA_ECOLI. Auf UniProt.
- ↑ PF03379 CcmB protein. Auf Pfam.
- ↑ A0A1B1YWX8 · A0A1B1YWX8_9GAMM. Auf: UniProt.
- ↑ P33927 · CCMF_ECOLI. Auf: UniProt.
- ↑ James W. A. Allen: Cytochrome c biogenesis in mitochondria--Systems III and V. In: FEBS Journal, Band 278, Nr. 22, November 2011, S. 4198–4216; doi:10.1111/j.1742-4658.2011.08231.x, PMID 21736702, Epub 2. August 2011 englisch.
- ↑ Shalon E. Babbitt, Molly C. Sutherland, Brian San Francisco, Deanna L. Mendez, Robert G. Kranz: Mitochondrial cytochrome c biogenesis: no longer an enigma. In: Trends in Biochem Science, Band 40, Nr. 8, 11. Juni 2015, S. 446–455; doi:10.1016/j.tibs.2015.05.006, PMC 4509832 (freier Volltext), PMID 26073510 (englisch).
- ↑ Jan Janouškovec, Denis Victorovich Tikhonenkov, Fabien Burki, Alexis T. Howe, Forest L. Rohwer, Alexander P. Mylnikov, Patrick J. Keeling: A new lineage of eukaryotes illuminates early mitochondrial genome reduction. In: Current Biology, Band 27, 4. Dezember 2017, S. 3717–3724; doi:10.1016/j.cub.2017.10.051 (englisch).
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Ivano Bertini, Gabriele Cavallaro, Antonio Rosato: Cytochrome c: occurrence and functions. In: Chemical Reviews, Band 106, Januar 2006, S. 90–115, doi:10.1021/cr050241v, PMID 16402772.