ミトコンドリアシトクロムCオキシダーゼの詳細な動態のモデリング：触媒メカニズムと一酸化窒素阻害

シトクロムCオキシダーゼ（CCO）は、シトクロムCの電子を使用してO2の発熱性をH2Oに触媒し、したがってATP産生に重要な役割を果たします。O2の還元に関与する酵素構造と酸化還元中心の詳細は知られていますが、たとえば、各触媒ステップでO2に寄付された連続した電子の数、プロトン化およびプロトンポンピングの部位、および窒素オキシド（NO）阻害機構など、その作用メカニズムにかなりのあいまいさが残っています。この作業では、利用可能な運動データに基づいてCCOの触媒作用のための熱力学的に制約された機械的数学モデルを開発しました。このモデルは、プロトン動機（PMF）によって駆動されるCCOおよびカップルの電子移動とプロトンポンピングの最小数のレドックスセンターを考慮し、反応速度に対するNOの阻害効果を説明します。このモデルは、生理学的に現実的な一意のパラメーターセットを使用して、多様な実験条件下で利用可能なすべての動力学データをうまく適合させることができます。モデルの予測は、次のことを示しています。1）O2の見かけのkmは、pHとミトコンドリアのエネルギー状態に応じて、完全に還元されて完全に酸化されたシトクロムCに大きく変化し、2）中間酵素状態はpHおよびシトクロムCレドックスの割合に依存し、COUPLING MITOCHONDRIAL RESPIRENTにおいて中心的な役割を果たします。開発されたCCOモデルは、既存のミトコンドリアの生体エネルギーモデルに簡単に統合して、正常および疾患の状態で酸化的リン酸化を制御する酵素の役割を理解できます。

Cytochrome c oxidase (CcO) catalyzes the exothermic reduction of O2 to H2O by using electrons from cytochrome c, and hence plays a crucial role in ATP production. Although details on the enzyme structure and redox centers involved in O2 reduction have been known, there still remains a considerable ambiguity on its mechanism of action, e.g., the number of sequential electrons donated to O2 in each catalytic step, the sites of protonation and proton pumping, and nitric oxide (NO) inhibition mechanism. In this work, we developed a thermodynamically constrained mechanistic mathematical model for the catalytic action of CcO based on available kinetic data. The model considers a minimal number of redox centers on CcO and couples electron transfer and proton pumping driven by proton motive force (PMF), and accounts for the inhibitory effects of NO on the reaction kinetics. The model is able to fit well all the available kinetic data under diverse experimental conditions with a physiologically realistic unique parameter set. The model predictions show that: 1) the apparent Km of O2 varies considerably and increases from fully reduced to fully oxidized cytochrome c depending on pH and the energy state of mitochondria, and 2) the intermediate enzyme states depend on pH and cytochrome c redox fraction and play a central role in coupling mitochondrial respiration to PMF. The developed CcO model can easily be integrated into existing mitochondrial bioenergetics models to understand the role of the enzyme in controlling oxidative phosphorylation in normal and disease conditions.