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细胞色素c氧化酶（cytochrome c oxidase）是一种氧化还原酶，通用名为“细胞色素-c氧化酶”，系统名称为“亚铁细胞色素-c:氧气氧化还原酶”（EC 1.9.3.1）。它是一种存在于细菌或线粒体上的大型跨膜蛋白复合物。由于细胞色素氧化酶是呼吸作用电子传递链的第四个中心酶复合物，因此又被称为复合物IV（Complex IV）。

细胞色素c氧化酶可以接受来自四个细胞色素c的四个电子，并传递到一个氧气分子上，将氧气转化为两个水分子。在这一进程中，它结合来自基质内的四个质子来制造水分子，同时跨膜转运四个质子，从而有助于形成跨膜的质子电化学势能差，而这一势能差可以被三磷酸腺苷合酶用于制造生物体中最基本的能量分子ATP。

结构

细胞色素氧化酶复合物是一个大型蛋白質，位於粒線體內膜（inner-membrane）上，含有多个金属辅因子和13个亚基（在哺乳动物细胞中）。其中，10个亚基是来自细胞核，而另外三个亚基则是在线粒体中合成。复合物还含有两个血红素、一个细胞色素a和细胞色素a₃以及两个铜中心（Cu_A和Cu_B）。^[1]实际上，细胞色素a₃和Cu_B形成了一个双核心中心，作为氧气的还原位点。细胞色素c被呼吸链复合物IV还原后，會结合到Cu_A双核中心，並把一個電子傳遞給雙合中心，细胞色素c本身則恢復氧化状态（细胞色素c上的铁从+2价氧化到+3价）。被还原的Cu_A双核中心再将一个电子通过细胞色素a传递给细胞色素a₃-Cu_B双核中心。在这一双核中心上的两个金属离子相距4.5Å，并通过一个处于完全氧化状态的氢氧根离子相连接。

对牛细胞色素氧化酶的结构研究显示，它发生了特殊的翻译后修饰，即其244位上的酪氨酸（Tyr244）的C6原子和240位上的组氨酸 Nε原子被共价连接。这一修饰作用在细胞色素a₃-Cu_B双核中心接受4个电子来将氧气还原为水分子的过程中发挥了重要作用。过去认为还原机制包括有一个可以导致超氧化物形成的过氧化物中间体。但现在普遍接受的机制是一个快速的四电子还原过程，包括迅速的氧-氧键剪切，以避免任何中间产物形成超氧化物的可能性。^[2]

组装

细胞色素氧化酶是由多个亚基和辅因子组成的，必须要通过组装才能形成完成的活性分子。它的组装位点被认为接近TOM／TIM复合体；在这一位置，复合物中间体可以与来自原生质中的亚基结合。血红素和辅因子被插入到亚基I和II中。亚基I和IV可以启动组装。其他亚基可以先形成亚复合物中间体，然后再与亚基I和IV结合形成完整的细胞色素氧化酶。在组装后修饰中，酶分子发生二聚化以获得有效的酶活性。二聚体是通过一个心磷脂（cardiolipin）分子来连接。整个组装机制的信息已经得到大量的揭示，^[3] 但具体过程还有待进一步的研究。

生物化学性质

细胞色素氧化酶催化的整体反应是：

4 Fe²⁺-细胞色素c + 8 H⁺_进 + O₂ → 4 Fe³⁺-细胞色素c + 2 H₂O + 4 H⁺_出

整个催化过程^[4] 如下：首先两个电子从两个细胞色素c分子通过Cu_A和细胞色素a传递到细胞色素a₃-Cu_B双核中心，将中心的金属还原为Fe⁺²和Cu⁺¹。连接两个金属离子的氢氧根在被质子化后生成水分子而被释放，从而两个金属离子之间产生了一个空腔，这一空腔被一个氧气分子所填充。氧气分子与细胞色素a₃中的铁原子结合形成铁氧结合形式（Fe⁺²-O₂）。结合的氧很快被还原，其中一个氧原子与铁形成Fe⁺⁴=O形式；而另一个接近Cu_B的氧原子接受来自Cu⁺¹的一个电子和来自Tyr244上羟基的一个电子和一个质子，被转化为一个氢氧根，同时Tyr244转变为酪氨酰自由基。来自另一个细胞色素c分子的第三个电子通过相同的途径被传递到细胞色素a₃-Cu_B双核中心，随后这个电子和两个质子将酪氨酰自由基重新还原为酪氨酸，并将结合在Cu_B⁺²上的氢氧根转化为水分子。同样来自细胞色素c分子的第四个电子在进入细胞色素a₃-Cu_B双核中心后，将Fe⁺⁴=O还原为Fe⁺³，同时氧原子接受一个质子转变为一个氢氧根连接于细胞色素a₃-Cu_B中心，从而整个循环回到起始状态。整个反应过程净利用了4个还原的细胞色素c分子（提供4个电子）、4个质子（消耗8个，产生4个），将一个氧气分子还原为两个水分子。

抑制剂

氰化物、硫化氫、叠氮化合物和一氧化碳^[5] 都能够与细胞色素氧化酶结合，并抑制其活性，从而造成细胞的“化学窒息”。

甲酸亦能夠抑制細胞色素氧化酶。

参考资料

^ （英文）Tsukihara T., Aoyama H., Yamashita E., Tomizaki T., Yamaguchi H., Shinzawa-Itoh K., Nakashima R., Yaono R., Yoshikawa S.（1995）Structures of metal sites of oxidized bovine heart cytochrome c oxidase at 2.8 Å. Science 269, 1069-1074
^ （英文）Voet D., Voet JG (2004) Biochemistry, 3rd Edition. John Wiley & Sons, pps. 818-820
^ （英文）Carr HS, Winge DR. Assembly of cytochrome c oxidase within the mitochondrion. Acc Chem Res: 309–16. PMID 12755640.
^ （英文）Wikström, M. Proton Translocation by Cytochrome c Oxidase: A Rejoinder to Recent Criticism (PDF). Biochemistry: 3515–3519. [2009-01-10]. （原始内容存档 (PDF)于2008-10-11）.
^ （英文）Alonso J, Cardellach F, López S, Casademont J, Miró O. Carbon monoxide specifically inhibits cytochrome c oxidase of human mitochondrial respiratory chain. Pharmacol Toxicol. 2003, 93 (3): 142–6. PMID 12969439. doi:10.1034/j.1600-0773.2003.930306.x.
^ （英文）Pecina, P., Houstkova, H., Hansikova, H., Zeman, J., Houstek, J. (2004). Genetic Defects of Cytocrhome c Oxidase Assembly. Physiol. Res. 53(Suppl. 1): S213-S223.
^ （英文）Zee, J.M., and Glerum, D.M. (2006). Defects in cytochrome oxidase assembly in humans: lessons from yeast. Biochem. Cell Biol. 84: 859-869.