Cytochrome c oxydase

Les 4 électrons servant à la réduction complète du dioxygène en eau sont transférés à l'enzyme par quatre cytochromes[3] - [4] - [5] :

4 ferrocytochrome c + O₂ + 8 H⁺_matriciel ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ 4 ferricytochrome c + 2 H₂O + 4 H⁺_{intermembranaire}.

Le complexe IV de la chaîne respiratoire, également appelé cytochrome a₃, est une grosse protéine membranaire intégrale possédant plusieurs groupes prosthétiques métalliques et 14 sous-unités protéiques chez les mammifères[6], 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 a₃, ainsi que deux centres à cation de cuivre, notés centres Cu_A et Cu_B[7].

Le cytochrome a₃ et le centre Cu_B forment un centre binucléaire qui est le site de réduction de l'oxygène O₂ en H₂O[3]. À l'état le plus oxydé, les cations métalliques Fe³⁺ et Cu²⁺ 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 a₃-Cu_B. Les cations métalliques de ce dernier sont réduits à l'état Fe²⁺ 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 Fe²⁺ pour former un dérivé oxo Fe⁴⁺=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 a₃-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 H₂O, qui est libérée. Un quatrième ferrocytochrome c cède alors son électron au centre Cu_A, ce qui a pour effet de dissocier le complexe Fe⁴⁺=O en Fe³⁺ et en anion hydroxyde HO⁻ lié au centre Cu_B oxydé à l'état Cu²⁺, 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 C⁶ 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 a₃-Cu_B de recevoir quatre électrons afin de pouvoir réduire une molécule d'oxygène O₂ en deux molécules d'eau H₂O. 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 O₂^•−, 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.

Les anions cyanure CN⁻, sulfure S²⁻, azoture N₃⁻ ainsi que le monoxyde de carbone CO sont des inhibiteurs compétitifs du complexe IV[8], ce qui conduit à l'asphyxie de la cellule. Le méthanol CH₃OH 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[9].