Cytochrome c oxydase
# Cytochrome c oxydase

La cytochrome c oxydase, ou complexe IV de la chaîne respiratoire aérobie, est une oxydoréductase membranaire qui catalyse la réaction de réduction du dioxygène. Cette enzyme est située dans la membrane plasmique de nombreuses bactéries et dans la membrane mitochondriale interne chez les eucaryotes aérobies.

## Réaction catalysée

Les 4 électrons servant à la réduction complète du dioxygène en eau sont transférés à l'enzyme par quatre $cytochromes^,^,$ :

    4 ferrocytochrome c + $O_2$ + 8 $H^+_{matriciel}$ $\rightleftharpoons$ 4 ferricytochrome c + 2 $H_2O$ + 4 $H^+_{intermembranaire}.$

## Structure et fonctionnement

Le complexe IV de la chaîne respiratoire, également appelé cytochrome $a_3,$ est une grosse protéine membranaire intégrale possédant plusieurs groupes prosthétiques métalliques et 14 sous-unités protéiques chez les mammifères, dont onze sont encodées par des gènes du noyau cellulaire et trois proviennent du génome mitochondrial. Il contient deux hèmes, l'un appartenant à un cytochrome a et l'autre appartenant à un cytochrome $a_3,$ ainsi que deux centres à cation de cuivre, notés centres $Cu_A$ et $Cu_B.$

Le cytochrome $a_3$ et le centre $Cu_B$ forment un centre binucléaire qui est le site de réduction de l'oxygène $O_2$ en $H_2O.$ À l'état le plus oxydé, les cations métalliques $Fe^{3+}$ et $Cu^{2+}$ de ce centre binucléaire sont distants de 4,5 Å; et sont coordonnés à un anion hydroxyde $HO^−.$

Deux ferrocytochromes c réduits par le complexe III (coenzyme Q-cytochrome c réductase) à l'étape précédente de la chaîne respiratoire, se lient à proximité du centre binucléaire $Cu_A,$ auquel ils cèdent leur électron. $Cu_A$ cède à son tour ces électrons au cytochrome a, qui les transfère au centre binucléaire $a_3-Cu_B.$ Les cations métalliques de ce dernier sont réduits à l'état $Fe^{2+}$ et $Cu^+,$ tandis que l'anion hydroxyde est protoné pour donner une molécule d'eau, qui est éliminée. Le site vacant entre les deux ions métalliques est occupé par une molécule d'oxygène, qui est rapidement réduite en acceptant d'une part deux électrons du $Fe^{2+}$ pour former un dérivé oxo $Fe^{4+}=O,$ d'autre part deux électrons issus pour l'un du $Cu^+$ et pour l'autre de l'hydroxyle ionisé $–O^−$ du résidu de Tyr-244 converti en radical tyrosyle $–O^•,$ pour former, après protionation, un anion hydroxyde $HO^−$ lié au centre $Cu_B.$

Un troisième ferrocytochrome c cède son électron au centre binucléaire $a_3-Cu_B,$ lequel permet de réduire le radical $–O^•$ terminal du résidu tyrosyle en groupe $–O^−$ susceptible de redonner un hydroxyle –OH par protonation, tandis qu'un autre proton est donné à l'hydroxyde $HO^−$ lié au centre $Cu_B$ pour former une seconde molécule d'eau $H_2O,$ qui est libérée. Un quatrième ferrocytochrome c cède alors son électron au centre $Cu_A,$ ce qui a pour effet de dissocier le complexe $Fe^{4+}=O$ en $Fe^{3+}$ et en anion hydroxyde $HO^−$ lié au centre $Cu_B$ oxydé à l'état $Cu^{2+},$ rétablissant l'état initial.

Les études par cristallographie aux rayons X ont mis en évidence une modification post-traductionnelle inhabituelle liant l'atome de carbone $C^6$ du résidu de Tyr-244 à l'atome d'azote ε de la chaîne latérale du résidu d'His-240 (selon la numérotation des résidus de l'enzyme bovine). Cette modification post-traductionnelle joue un rôle déterminant dans la capacité du centre binucléaire $a_3-Cu_B$ de recevoir quatre électrons afin de pouvoir réduire une molécule d'oxygène $O_2$ en deux molécules d'eau $H_2O.$ On avait d'abord pensé que la formation d'eau passait par la formation de peroxyde d'hydrogène, ce qui était susceptible de produire des anions superoxyde $O_2^{•−},$ mais il s'est avéré plus probable que le mécanisme consiste en un transfert direct de quatre électrons à une molécule d'oxygène avec rupture de la liaison O–O, ce qui éviterait la formation d'ions superoxyde.

## Inhibiteurs

Les anions cyanure $CN^−,$ sulfure $S^{2−},$ azoture $N_3^−$ ainsi que le monoxyde de carbone CO sont des inhibiteurs compétitifs du complexe IV, ce qui conduit à l'asphyxie de la cellule. Le méthanol $CH_3OH$ est métabolisé en acide formique HCOOH, lequel est un autre inhibiteur de la cytochrome c oxydase. Des taux élevés d'ATP dans la matrice mitochondriale conduisent également à l'inhibition de cette enzyme.

