Bioénergétique
Chaîne respiratoire : chaîne de transfert d'électrons
Complexe IV ou cytochrome c oxydase (CcO)
Sous-unités catalytiques et site actif

Sous-unités catalytiques

Le complexe IV (CcO) contient trois sous-unités dites catalytiques.

Sous-unité catalytique I

La sous-unité catalytique I présente un pli hautement conservé.

1. Les 12 hélices transmembranaires sont légèrement inclinées par rapport à la membrane normale et sont disposées en trois groupes avec une quasi-symétrie de type trois.

2. Chacun des trois groupes d'hélices abrite un pore hydrophile, qui contient des résidus d'acides aminés polaires et des molécules d'eau.

Deux des pores, les pores des canaux D et K, servent au transport des protons, le canal H étant controversé ( canaux de transfert des protons).

3. Deux des amas hélicoïdaux, rouge et vert dans la figure ci-contre, contiennent les centres redox enfouis.

L’hème a à faible spin, l’hème a₃ à haut spin et Cu_B, sont soutenus par 6 résidus conservés d’histidine.

Sous-unité
catalytique II

La sous-unité II se compose de trois composants structurels principaux.

• Deux hélices transmembranaires (TM) établissent des contacts étendus avec les hélices TM VIII et IX de la sous-unité I.
• Un feuillet β composé de 10 brins contient le centre dimétallique Cu_A, qui est le premier accepteur d’électrons du cytochrome c.

1. La sous-unité II joue un rôle :

• dans le transfert d’électrons,
• dans l’absorption des protons par le canal K, grâce au résidu acide conservé, i.e. Glu62 ou 82 dans la deuxième hélice TM.

2. L’interface sous-unité I/II est en partie en liaison avec un ion magnésium (Mg⁺⁺) et un grand cluster d’eau qui servent de piège transitoire à protons lors de leur pompage.

Sous-unité catalytique III

La sous-unité III, hautement conservée, est exclusivement trouvée dans les oxydases de type A.

• Elle se compose de 7 hélices TM divisées en deux groupes de 2 et 5 hélices formant chacune une structure en forme de V.
• Elle établit des contacts hydrophobes étendus avec la sous-unité I.

La suppression ou la mutation de la sous-unité III provoque une baisse drastique de l’activité catalytique du complexe IV et même sa désintégration partielle.

1. Elle permet une stabilisation de la structure du complexe IV au sein de la membrane mitochondriale et est nécessaire à l'assemblage et au maintien de la conformation correcte des sous-unités catalytiques (I et II).

Elle limite un phénomène appelé suicide de la CcO (The influence of subunit III of cytochrome c oxidase on the D pathway, the proton exit pathway and mechanism-based inactivation in subunit I 2004).

• 

  L'inactivation de la CcO est renforcée dans des conditions où l'activité protonique locale près du centre binucléaire (BNC) est faible.
• Dans ces conditions, Cu_B peut acquérir deux hydroxydes (-OH₂) et laisser la structure sous forme d'hydroxyde de cuivre.
• Un des rôles de la sous-unité III est, pour prévenir cet effet, de permettre une absorption rapide des protons du BNC par le canal D.

2. L’architecture de la sous-unité III est également unique en ce sens qu’elle contient trois molécules lipidiques étroitement liées, stabilisées par des interactions polaires et non polaires (Role of subunit III and its lipids in the molecular mechanism of cytochrome c oxidase 2015).

a. La région du site de liaison aux lipides jouerait un rôle important dans la canalisation de l’O₂ ( voie de l'oxygène et de l'eau).

b. Les groupes de tête chargés des lipides étroitement liés peuvent augmenter le taux de transfert de protons en perturbant le pKa d’Asp91, le site d’absorption des protons du canal D.

Ainsi, elle permettrait une structuration correcte des canaux de pompage des protons.

Structure du site actif : BNC

La sous-unité catalytique I de la CcO abrite le site actif de réduction de l'oxygène, i.e. le centre binucléaire (BNC) qui est caractérisé par :

• l'hème a₃ à fort spin, contenant un ion fer,
• Cu_B, contenant un ion cuivre.

Hème a3

1. L'hème a₃ à fort spin est lié à la matrice protéique au moyen d'interactions covalentes et non covalentes (Individual heme a and heme a3 contributions to the Soret absorption spectrum of the reduced bovine cytochrome c oxidase 2023).

• Sur sa face proximale, l'hème fer est lié à une histidine, i.e. H376 hautement conservée de l'hélice X.
• Du côté distal, entre le fer et le Cu_B, on trouve de petits ligands diatomiques tels que CO, CN^- et le substrat physiologique O₂ qui se lie axialement au Fe.

a. Les deux groupes propionate de l'hème, i.e. CH₃CH₃CO₃^-, interagissent électrostatiquement avec des résidus conservés pour la fonction de pompage de protons de l'enzyme (Gating of proton and water transfer in the respiratory enzyme cytochrome c oxidase 2005 et Mutation of a single residue in the ba3 oxidase specifically impairs Electron tunneling chains of mitochondriaprotonation of the pump site 2015).

b. Un amas de molécules d’eau est localisé entre les deux propionates.

2. L’hème a3 et l’hème a sont chimiquement identiques, i.e. $\ce{C49H56O5N4Fe}$, mais diffèrent par leur coordination et leur état de spin.

• Il est lié fonctionnellement à Cu_B.
• Il est le seul site catalytique actif qui réduit O₂ en H₂O,
• Sa coordination, i.e. les atomes qui entourent le fer, varie au cours de la catalyse alors que l'hème a contient un fer hexacoordonné fixe ( transfert des électrons au centre binucléaires et mécanisme).

Cu_B

Cu_B, l'autre constituant du BNC, est proche de l'hème a₃, Fe et Cu ne sont séparés que d'environ 5 Å.

1. L’ion cuivre est lié par :

• deux histidines, i.e. H290 et H291 de l’hélice VII de la sous-unité I,
• par une autre histidine, i.e. H240 qui est liée de manière covalente à une tyrosine hautement fonctionnelle, i.e. Y244 qui fait partie du ligand unique his-tyr de Cu_B.

2. H240 et Y244 appartiennent à un motif hautement conservé, i.e. GHPEVY dans l’hélice VI de la sous-unité I (Why copper is preferred over iron for oxygen activation and reduction in heme-copper oxidases 2017).

• Dans l'état réduit (Cu_B⁺), les trois azotes histidiniques qui lient l’atome de cuivre sont presque planaires, formant une structure en forme de T.
• Dans l'état oxydé, Cu_B⁺⁺ perd apparemment de sa planéité, avec une molécule d'eau ou un ion hydroxyle positionné comme quatrième ligand (Redox dependent conformational changes in cytochrome c oxidase suggest a gating mechanism for proton uptake 2009).

3. L’hème a₃ et le Cu_B interagissent au moyen d’une liaison hydrogène entre l’hydroxyle de la chaîne hydroxyéthylfarnésyle de l’hème a₃ et la chaîne latérale de Y244.

Le rôle fonctionnel de cette interaction n’est pas connu, mais il peut être important dans la modulation du pKa de la tyrosine, dont le rôle dans la catalyse est établi ( mécanisme du complexe IV).

Remarque : un peroxyde (-O-O-), dans l'enzyme complètement oxydée, pourrait lier le fer et le cuivre, mais ce concept est encore débattu (A peroxide bridge between Fe and Cu ions in the O2 reduction site of fully oxidized cytochrome c oxidase could suppress the proton pump 2009).

Voies de transfert des protons, de l'oxygène et de l'eau