БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 1, с. 56–72

УДК 577.151.43

Механизм ингибирования цитохром c-оксидазы тритоном Х-100

© 2021 И.П. Олейников 1,2, Н.В. Ацаркина 2*, Т.В. Выгодина 2, А.А. Константинов 2

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119992 Москва, Россия

НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия; электронная почта: azarkina@yahoo.com

Поступила в редакцию 15.09.2020
После доработки 30.10.2020
Принята к публикации 30.10.2020

DOI: 10.31857/S032097252101005X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: цитохром с-оксидаза, тритон Х-100, регуляция, К-канал, амфипатические лиганды.

Аннотация

Известно, что тритон Х-100 (ТХ) обратимо ингибирует активность цитохром с-оксидазы (ЦО). В работе проанализирован механизм ингибирования. Действие ТХ не направлено на реакцию ЦО с цитохромом с, не вызывает переход фермента в «медленную» форму и не связано с мономеризацией препарата. ТХ полностью подавляет кислород-редуктазную реакцию, однако ингибирование предотвращается и частично обращается додецилмальтозидом (ДМ) – детергентом, применяемым для поддержания ЦО в растворе. Показано, что ДМ конкурирует с ТХ за связывание с ЦО в соотношении 1/1, Ki = 0,3 мМ, сродство ДМ к ферменту составляет 1,2 мМ. В окисленном ферменте ТХ вызывает спектральный ответ с максимумом при 421 нм и [TX]1/2 = 0,28 мМ, связанный, предположительно, с гемом а3. При взаимодействии ЦО с избытком Н2О2 ТХ влияет на равновесие кислородных интермедиатов каталитического центра, ускоряя переход FI-607→FII-580, ингибирует образование ферментом O2·- и, в меньшей степени, подавляет каталазную парциальную активность. Наблюдаемые эффекты могут объясняться ингибированием превращения в каталитическом цикле интермедиата FII-580 в свободную окисленную форму. В работающем ферменте ТХ подавляет внутримолекулярный перенос электронов между гемами а и а3. В условиях эффективного ингибирования оксидазной реакции пероксидазная парциальная активность ЦО достаточно устойчива к ТХ. Эти особенности указывают на нарушение проводимости протонного канала К. Мы полагаем, что ТХ взаимодействует с ЦО в центре связывания желчных кислот (ЦСЖК), расположенном на субъединице I в устье К-канала и контактирующем с амфипатическими регуляторами ЦО [Buhrow et al. (2013) Biochemistry, 52, 6995-7006]. По-видимому, ТХ является аналогом физиологического лиганда ЦСЖК, а молекула ДМ – аналогом эндогенного фосфолипида, связывающегося на границе ЦСЖК и контролирующего эффективное сродство к лиганду.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Эта работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-14-00063).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных авторами исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Wikström, M., and Sharma, V. (2018) Proton pumping by cytochrome c oxidase – a 40 year anniversary, Biochim. Bbiophys. Acta (Bioenerg.), 1859, 692-698, doi: 10.1016/j.bbabio.2018.03.009.

2. Siletsky, S., and Konstantinov, A. A. (2012) Cytochrome c oxidase: charge translocation coupled to single-electron partial steps of the catalytic cycle, Biochim. Biophys. Acta (Bioenerg.), 1817, 476-488, doi: 10.1016/j.bbabio.2011.08.003.

3. Yoshikawa, S., and Shimada, A. (2015) Reaction mechanism of cytochrome c oxidase, Chem. Rev., 115, 1936-1989, doi: 10.1021/cr500266a.

4. Rich, P. R. (2017) Mitochondrial cytochrome c oxidase: catalysis, coupling and controversies, Biochem. Soc. Trans., 45, 813-829, doi: 10.1042/BST20160139.

5. Sun, F. F., Prezbindowski, K. G., Crane, F. L., and Jacobs, E. E. (1968) Physical state of cytochrome oxidase. Relationship between membrane formation and ionic strength, Biochim. Biophys. Acta, 153, 804-818, doi: 10.1016/0005-2728(68)90008-x.

6. Lemberg, M. R. (1969) Cytochrome oxidase, Physiol. Rev., 49, 48-121, doi: 10.1152/physrev.1969.49.1.48.

7. Van Buuren, K. J., and Van Gelder, B. F. (1974) Biochemical and biophysical studies on cytochrome c oxidase. XIII. Effect of cholate on the enzymic activity, Biochim. Biophys. Acta, 333, 209-217, doi: 10.1016/0005-2728(74)90005-x.

8. Soulimane, T, and Buse, G. (1995) Integral cytochrome-c oxidase. Preparation and progress towards a three-dimensional crystallization, Eur. J. Biochem., 227, 588-595, doi: 10.1111/j.1432-1033.1995.tb20429.x.

9. Rosevear, P., Van Aken, T., Baxter, J., and Ferguson-Miller, S. (1980) Alkyl glycoside detergents: a simpler synthesis and their effects on kinetic and physical properties of cytochrome c oxidase, Biochemistry, 19, 4108-4115, doi: 10.1021/bi00558a032.

10. Soltysiak, D., and Kaniuga, Z. (1970) The effect of triton X-100 on the respiratory chain enzymes of a heart-muscle preparation, Eur. J. Biochem., 14, 70-74, doi: 10.1111/j.1432-1033.1970.tb00262.x.

11. Teller, J. K., Ziemnicki, K., and Obuchowicz, L. (1980) The effect of triton X-100 on cytochrome oxidase activity in carp, frog and rat liver mitochondria, Comp. Biochem. Physiol., 65B, 747-750, doi: 10.1016/0305-0491(80)90192-3.

12. Barbero, M. C., Valpuesta, J. M., Rial, E., Gurtubay, J. I., Goñi, F. M., and Macarulla, J. M. (1984) Effect of the nonionic detergent Triton X-100 on mitochondrial succinate-oxidizing enzymes, Arch. Biochem. Bbiophys., 228, 560-568, doi: 10.1016/0003-9861(84)90023-7.

13. Sinjorgo, K. M., Durak, I., Dekker, H. L., Edel, C. M., Bieleman, A. H., et al. (1987) The effect of detergents on bovine cytochrome c oxidase: a kinetic approach, Biochim. Biophys. Acta, 893, 241-250, doi: 10.1016/0005-2728(87)90045-4.

14. Mahapatro, S. N., and Robinson, N. C. (1990) Effect of changing the detergent bound to bovine cytochrome c oxidase upon its individual electron-transfer steps, Biochemistry, 29, 764-770, doi: 10.1021/bi00455a025.

15. Tarasev, M., and Hill, B. C. (2002) Detergent modulation of electron and proton transfer reactions in bovine cytochrome c oxidase, Arch. Biochem. Bbiophys., 400, 162-170, doi: 10.1016/S0003-9861(02)00011-5.

16. Robinson, N. C., and Capaldi, R. A. (1977) Interaction of detergents with cytochrome c oxidase, Biochemistry, 16, 375-381, doi: 10.1021/bi00622a006.

17. Georgevich, G., Darley-Usmar, V. M., Malatesta, F., and Capaldi, R. A. (1983) Electron transfer in monomeric forms of beef and shark heart cytochrome c oxidase, Biochemistry, 22, 1317-1322, doi: 10.1021/bi00275a001.

18. Robinson, N. C., and Talbert, L. (1986) Triton X-100 induced dissociation of beef heart cytochrome c oxidase into monomers, Biochemistry, 25, 2328-2335, doi: 10.1021/bi00357a005.

19. Henderson, R., Capaldi, R. A., and Leigh, J. S. (1977) Arrangement of cytochrome oxidase molecules in two-dimensional vesicle crystals, J. Mol. Biol., 112, 631-648, doi: 10.1016/s0022-2836(77)80167-8.

20. Qin, L., Mills, D. A., Buhrow, L., Hiser, C., and Ferguson-Miller, S. A. (2008) Conserved steroid binding site in cytochrome c oxidase, Biochemistry, 47, 9931-9933, doi: 10.1021/bi8013483.

21. Antalik, M., Jancura, D., Palmer, G., and Fabian, M. (2005) A role for the protein in internal electron transfer to the catalytic center of cytochrome c oxidase, Biochemistry, 44, 14881-14889, doi: 10.1021/bi050824z.

22. Bergmeyer, H. U., Gawehn, K., and Grassl, M. (1970) in Methoden der Enzymatischen Analyze (Bergmeyer, H. U., ed.) Verlag Chemie, Weinheim, p. 440.

23. Fowler, L. R., Richardson, S. H., and Hatefi, Y. (1962) A rapid method for the preparation of highly purified cytochrome oxidase, Biochim. Biophys. Acta, 64, 170-173, doi: 10.1016/0006-3002(62)90770-9.

24. Vygodina, T. V., Kirichenko, A., and Konstantinov, A. A. (2014) Cation binding site of cytochrome c oxidase: progress report, Biochim. Biophys. Acta, 1837, 1188-1195, doi: 10.1016/j.bbabio.2014.02.025.

25. Vygodina, T. V., and Konstantinov, A. A. (2007) Peroxidase activity of mitochondrial cytochrome c oxidase, Biochemistry (Moscow), 72, 1056-1064, doi: 10.1134/s0006297907100045.

26. Bielski, B. H., Shiue, G. G., and Bajuk, S. (1980) Reduction of nitro blue tetrazolium by CO2– and O2-radicals, J. Phys. Chem., 84, 830-833, doi: 10.1021/j100445a006.

27. Hilbers, F., von der Hocht, I., Ludwig, B., and Michel, H. (2013) True wild type and recombinant wild type cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans show a 20-fold difference in their catalase activity, Biochim. Biophys. Acta, 1827, 319-327, doi: 10.1016/j.bbabio.2012.10.008.

28. Nicholls, P., and Chanady, G. A. (1981) Interactions of cytochrome aa3 with oxygen and carbon monoxide. The role of the 607 nm complex, Biochim. Biophys. Acta, 634, 256-265, doi: 10.1016/0005-2728(81)90144-4.

29. Vanneste, W. H. (1966) The stoichiometry and absorption spectra of components a and a-3 in cytochrome c oxidase, Biochemistry, 5, 838-848, doi: 10.1021/bi00867a005.

30. Vygodina, T. V., Dyuba, A. V., and Konstantinov, A. A. (2012) Effect of calcium ions on electron transfer between hemes a and a3 in cytochrome c oxidase, Biochemistry (Moscow), 77, 901-909, doi: 10.1134/S0006297912080111.

31. Moody, A. J. (1996) “As prepared” forms of fully oxidised haem/Cu terminal oxidases, Biochim. Biophys. Acta, 1276, 6-20, doi: 10.1016/0005-2728(96)00035-7.

32. Vygodina, T. V., and Konstantinov, A. A. (1988) H2O2-induced conversion of cytochrome c oxidase peroxy complex to oxoferryl state, Ann. NY Acad. Sci., 550, 124-138, doi: 10.1111/j.1749-6632.1988.tb35329.x.

33. Konstantinov, A. A., Capitanio, N., Vygodina, T. V., and Papa, S. (1992) pH changes associated with cytochrome c oxidase reaction with H2O2. Protonation state of the peroxy and oxoferryl intermediates, FEBS Lett., 312, 71-74, doi: 10.1016/0014-5793(92)81412-f.

34. Konstantinov, A. (1998) Cytochrome c oxidase as a proton-pumping peroxidase: reaction cycle and electrogenic mechanism, J. Bioenerg. Biomembr., 30, 121-130, doi: 10.1023/a:1020571930850.

35. Konstantinov, A. A. (2012) Cytochrome c oxidase: Intermediates of the catalytic cycle and their energy-coupled interconversion, FEBS Lett., 586, 630-639, doi: 10.1016/j.febslet.2011.08.037.

36. Ksenzenko, M. Yu., Vygodina, T. V., Berka, V., Ruuge, E. K., and Konstantinov, A. A. (1992) Cytochrome oxidase-catalyzed superoxide generation from hydrogen peroxide, FEBS Lett., 297, 63-66, doi: 10.1016/0014-5793(92)80328-e.

37. Jancura, D., Stanicova, J., Palmer, G., and Fabian, M. (2014) How hydrogen peroxide is metabolized by oxidized cytochrome c oxidase, Biochemistry, 53, 3564-3575, doi: 10.1021/bi401078b.

38. Bickar, D., Bonaventura, J., and Bonaventura, C. (1982) Cytochrome c oxidase binding of hydrogen peroxide, Biochemistry, 21, 2661-2666, doi: 10.1021/bi00540a013.

39. Bolshakov, I. A., Vygodina, T. V., Gennis, R., Karyakin, A. A., and Konstantinov, A. A. (2010) Catalase activity of cytochrome c oxidase assayed with hydrogen peroxide-sensitive electrode microsensor, Biochemistry (Moscow), 75, 1352-1360, doi: 10.1134/s0006297910110064.

40. Sadoski, R. C., Zaslavsky, D., Gennis, R. B., Durham, B., and Millett, F. (2001) Exposure of bovine cytochrome c oxidase to high triton X-100 or to alkaline conditions causes a dramatic change in the rate of reduction of compound F, J. Biol. Chem., 276, 33616-33620, doi: 10.1074/jbc.M103640200.

41. Ferguson-Miller, S., Hiser, C., and Liu, J. (2012) Gating and regulation of the cytochrome c oxidase proton pump, Biochim. Biophys. Acta (Bioenerg.), 1817, 489-494, doi: 10.1016/j.bbabio.2011.11.018.

42. Hiser, C., Buhrow, L., Liu, J., Kuhn, L., and Ferguson-Miller, S. (2013) A conserved amphipathic ligand binding region influences K-path-dependent activity of cytochrome c oxidase, Biochemistry, 52, 1385-1396, doi: 10.1021/bi3014505.

43. Buhrow, L., Hiser, C., van Voorst, J. R., Ferguson-Miller, S., and Kuhn, L. A. (2013) Computational prediction and in vitro analysis of potential physiological ligands of the bile acid binding site in cytochrome c oxidase, Biochemistry, 52, 6995-7006, doi: 10.1021/bi400674h.

44. Hiser, C., Liu, J., and Ferguson-Miller, S. (2018) The K-path entrance in cytochrome c oxidase is defined by mutation of E101 and controlled by an adjacent ligand binding domain, Biochim. Biophys. Acta (Bioenerg.), 1859, 725-733, doi: 10.1016/j.bbabio.2018.03.017.

45. Yoshikawa, S., Muramoto, K., Shinzawa-Itoh, K., and Mochizuki, M. (2012) Structural studies on bovine heart cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys. Acta (Bioenerg.), 1817, 579-589, doi: 10.1016/j.bbabio.2011.12.012.

46. Oleynikov, I. P., Azarkina, N. V., Vygodina, T. V., and Konstantinov, A. A. (2020) Interaction of cytochrome c oxidase with steroid hormones, Cells, 9, 2211, doi: 10.3390/cells9102211.

47. Madsen, L. L., Korsgaard, B., and Bjerregaard, P. (2003) Estrogenic effects in flounder Platichthys flesus orally exposed to 4-tert-octylphenol, Aquatic Toxicol., 64, 393-405, doi: 10.1016/s0166-445x(03)00106-1.

48. Kennedy, R. H., Pelletier, J. H., Tupper, E. J., Hutchinson, L. M., and Gosse, J. A. (2012) Estrogen mimetic 4-tert-octylphenol enhances IgE-mediated degranulation of RBL-2H3 mast cells, J. Toxicol. Envir. Health., 75, 1451-1455, doi: 10.1080/15287394.2012.722184.

49. Qin, L., Hiser, C., Mulichak, A., Garavito, R. M., and Ferguson-Miller, S. (2006) Identification of conserved lipid/detergent-binding sites in a high-resolution structure of the membrane protein cytochrome c oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 16117-16122, doi: 10.1073/pnas.0606149103.

50. Vygodina, T. V., Pecoraro, C., Mitchell, D., Gennis, R., and Konstantinov, A. A. (1998) Mechanism of inhibition of electron transfer by amino acid replacement K362M in a proton channel of Rhodobacter sphaeroides cytochrome c oxidase, Biochemistry, 37, 3053-3061, doi: 10.1021/bi971876u.

51. Tomson, F. L., Morgan, J. E., Gu, G., Barquera, B., Vygodina, T. V., and Gennis, R. B. (2003) Substitutions for glutamate 101 in subunit II of cytochrome c oxidase from Rhodobacter sphaeroides result in blocking the proton-conducting K-channel, Biochemistry, 42, 1711-1717, doi: 10.1021/bi026750y.