oksydaza cytochromu c

Cytochrom c oksydaza (skrót CCO, zwana też kompleksem IV) to ostatni i z perspektywy terapii czerwonym światłem najważniejszy enzym łańcucha oddechowego w mitochondriach. Jest to transbłonowy kompleks białkowy, który przyjmuje elektrony od cytochromu c, przenosi je na tlen cząsteczkowy i tworzy wodę metaboliczną. Jednocześnie przepompowuje protony i przyczynia się do wytwarzania ATP. I właśnie CCO jest chromoforem, czyli cząsteczką, która absorbuje czerwone i bliskie podczerwone światło. Na tym fakcie opiera się cała fotobiomodulacja.

Czym jest cytochrom c oksydaza i gdzie się znajduje?

Cytochrom c oksydaza to duży transbłonowy enzym wbudowany w wewnętrzną błonę mitochondriów. Jest to czwarty i ostatni kompleks łańcucha transportu elektronów (oddechowego). U ssaków składa się z 13 podjednostek, z których trzy największe (I, II i III) są kodowane przez mitochondrialny DNA, a pozostałych dziesięć przez genom jądrowy.

Richter i Ludwig (2003) opisali CCO jako terminalny element łańcuchów transportu elektronów mitochondriów i wielu bakterii, zapewniający efektywny mechanizm redukcji tlenu z jednoczesnym przepompowywaniem protonów (Richter i Ludwig, 2003).

CCO jest obecna w każdej komórce posiadającej mitochondria, czyli praktycznie we wszystkich komórkach Twojego ciała (z wyjątkiem czerwonych krwinek, które mitochondriów nie mają). Znajduje się w komórkach mięśniowych, neuronach, keratynocytach skóry, komórkach serca, wątroby i układu odpornościowego. Wszędzie tam, gdzie komórki potrzebują energii.

Jaka jest struktura CCO i dlaczego absorbuje światło?

CCO zawiera cztery aktywne redoksowo centra metalowe, które są kluczowe zarówno dla jej funkcji, jak i dla zdolności absorpcji światła:

• CuA (centrum miedziowe A) – binuklearne centrum miedziowe w podjednostce II. Jest to pierwsze miejsce, do którego docierają elektrony od cytochromu c. CuA absorbuje światło przede wszystkim w zakresie NIR (760 do 850 nm).
• Hem a – hemowa grupa prostetyczna w podjednostce I. Przenosi elektrony z CuA na centrum binuklearne. Absorbuje światło w zakresie czerwonym (620 do 680 nm).
• Hem a3 – drugi hem w podjednostce I, część centrum binuklearnego. Tu tlen wiąże się i ulega redukcji do wody.
• CuB (centrum miedziowe B) – współpracuje z hemem a3 w centrum binuklearnym przy redukcji tlenu. Absorbuje w zakresie NIR.

Ishigami i wsp. (2023) w swoim badaniu strukturalnych podstaw właściwości funkcjonalnych CCO szczegółowo opisali, jak te cztery centra współpracują przy przenoszeniu elektronów i redukcji tlenu (Ishigami i wsp., 2023).

To właśnie te centra metalowe zawierające miedź i żelazo czynią z CCO chromofor, czyli cząsteczkę zdolną do absorpcji fotonów. Czerwone i podczerwone światło ma wystarczającą energię do interakcji z orbitalami d jonów metalicznych w tych centrach, zmieniając stan redoksowy enzymu i wpływając na jego aktywność.

Jaką funkcję pełni CCO w łańcuchu oddechowym?

CCO jest ostatnią „stacją" łańcucha transportu elektronów. Jej zadania to:

1. Przyjmowanie elektronów od cytochromu c – małego rozpuszczalnego białka, które przenosi elektrony od kompleksu III
2. Redukcja tlenu cząsteczkowego do wody – cztery elektrony i cztery protony łączą się z jedną cząsteczką O₂, tworząc dwie cząsteczki H₂O. To jest woda metaboliczna (woda zubożona w deuter, DDW)
3. Przepompowywanie protonów – podczas przenoszenia elektronów CCO transportuje 2 protony z matrix do przestrzeni międzybłonowej, przyczyniając się do gradientu protonowego napędzającego syntazę ATP

Bez sprawnej CCO cały łańcuch oddechowy by się zatrzymał. Elektrony gromadziłyby się w poprzednich kompleksach, tlen nie byłby redukowany, ATP nie powstawałoby, a komórka przeszłaby na mniej efektywną glikolizę beztlenową.

CCO zużywa ponad 95% tlenu, który wdychasz. Gdy się wdychasz, większość tego tlenu trafia właśnie tutaj, do centrum binuklearnego hem a3/CuB, gdzie zamienia się w wodę i energię.

Dlaczego CCO jest chromoforem dla czerwonego i podczerwonego światła?

CCO jest jedynym enzymem łańcucha oddechowego, który wyraźnie absorbuje światło w czerwonym i bliskim podczerwonym spektrum (600 do 900 nm). Pozostałe kompleksy (I, II, III) absorbują głównie w obszarze UV i niebieskim, który nie przenika do głębszych tkanek.

To czyni z CCO główny fotoacceptor (fotoreceptor) dla fotobiomodulacji. Gdy fotony czerwonego lub NIR światła przenikają przez skórę i tkankę do mitochondriów, są absorbowane przez centra metalowe CCO. Ta absorpcja zmienia stan redoksowy enzymu i uruchamia kaskadę reakcji komórkowych.

Michael Hamblin z Harvard Medical School w swojej przełomowej pracy przeglądowej (2018) opisał ten mechanizm: fotony absorbowane przez CCO prowadzą do dysocjacji hamującego tlenku azotu (NO) z centrum binuklearnego, przez co enzym zostaje „odblokowany" i cały łańcuch oddechowy przyspiesza (Hamblin, 2018).

Jakie długości fal CCO absorbuje?

Rosyjska uczona Tiina Karu, pionierka badań nad fotobiomodulacją, zidentyfikowała cztery piki absorpcyjne (akcji) CCO w zakresie czerwonym i NIR:

• ~620 nm – absorpcja hemu a (forma utleniona)
• ~680 nm – absorpcja hemu a (forma zredukowana)
• ~760 nm – absorpcja CuB
• ~820 do 830 nm – absorpcja utlenionego CuA

Karu (2005) w swoich pomiarach absorpcyjnych potwierdziła, że obszar spektralny 710 do 790 nm jest charakterystyczny dla stosunkowo zredukowanego fotoacceptora, podczas gdy obszar powyżej 800 nm odpowiada stanowi utlenionemu (Karu, 2005).

Wong-Riley i wsp. (2005) eksperymentalnie potwierdzili, że z testowanych długości fal (670, 728, 770, 830 i 880 nm) najskuteczniejsze były 830 nm i 670 nm, co dokładnie odpowiada spektrum absorpcyjnemu CCO (Wong-Riley i wsp., 2005).

Nasze panele Mitochondriak® emitują długości fal 630, 670, 760, 810, 830, 850 i 940 nm. Zostały one dobrane tak, aby pokrywać oba główne zakresy absorpcyjne CCO: czerwony (hem a, okolice 620 do 680 nm) i NIR (CuA, okolice 820 do 850 nm). Długości fal 630 i 670 nm celowo pokrywają czerwony obszar hemu a, podczas gdy 830 i 850 nm celowo pokrywają NIR obszar centrów miedziowych.

Jak tlenek azotu blokuje CCO i jak światło go uwalnia?

Tlenek azotu (NO) jest ważnym gazem sygnałowym, który w organizmie pełni wiele funkcji (rozszerzanie naczyń, regulacja ciśnienia krwi, obrona immunologiczna). Ale w mitochondriach ma też ciemną stronę: kompetycyjnie hamuje CCO.

NO wiąże się z centrum binuklearnym hem a3/CuB w tym samym miejscu, gdzie normalnie wiąże się tlen. Gdy NO jest przyłączony, tlen nie może ulec redukcji, transport elektronów spowalnia i produkcja ATP spada.

Poyton i Ball (2011) zaproponowali, że właśnie uwolnienie NO z CCO pod wpływem czerwonego i NIR światła jest jednym z głównych mechanizmów fotobiomodulacji. Fotony „wypychają" NO z miejsca wiązania, przez co CCO zostaje odblokowana i cały łańcuch oddechowy rusza na pełnych obrotach (Poyton i Ball, 2011).

Uwolniony NO następnie rozprzestrzenia się do otaczającej tkanki, gdzie działa jako wazodylatator (rozszerza naczynia i poprawia mikrokrążenie). Fotobiomodulacja ma zatem podwójny efekt: uruchamia łańcuch oddechowy w mitochondriach i poprawia przepływ krwi w otoczeniu.

W Mitochondriak® wykorzystujemy także pulsację (10 Hz), która według naszych testów i dostępnych danych efektywniej odłącza NO od CCO, ponieważ powtarzające się krótkie impulsy świetlne zapobiegają jego ponownemu przyłączeniu.

Co dzieje się w komórce po absorpcji światła przez CCO?

Gdy fotony czerwonego lub NIR światła oddziałują z CCO, uruchamia się kaskada reakcji komórkowych:

1. Zwiększenie produkcji ATP – odblokowana CCO szybciej przenosi elektrony, gradient protonowy się wzmacnia, syntaza ATP pracuje efektywniej
2. Zwiększenie wytwarzania wody metabolicznej (DDW) – więcej elektronów redukuje tlen do wody o niskim deuterze
3. Krótkotrwały wzrost ROS – umiarkowane zwiększenie reaktywnych form tlenu aktywuje szlak Nrf2, który jest głównym regulatorem obrony antyoksydacyjnej komórki (efekt hormetyczny)
4. Uwolnienie NO – wazodylatacja, poprawa mikrokrążenia, sygnalizacja
5. Aktywacja czynników transkrypcyjnych – NF-κB, AP-1 i inne czynniki, które regulują ekspresję genów związanych z regeneracją, odpowiedzią przeciwzapalną i proliferacją komórek
6. Wzrost potencjału błonowego mitochondrium – wskaźnik zdrowia mitochondrialnego

Karu (2008) podkreśliła, że zmiany stanu redoksowego CCO prowadzą do „retrogradnej sygnalizacji mitochondrialnej", czyli sygnałów z mitochondriów do jądra komórki, które zmieniają ekspresję genów i wpływają na ogólny stan komórki (Karu, 2008).

Dlaczego CCO ma znaczenie dla Twojego zdrowia?

CCO to nie tylko biochemiczna ciekawostka. Jest to jedyny enzym w ludzkim ciele, który możesz celowo aktywować światłem bez żadnej interwencji farmakologicznej. To czyni z niej pomost między otoczeniem (światłem) a metabolizmem komórkowym.

Gdy CCO działa prawidłowo:

• Mitochondria produkują wystarczająco ATP – masz energię
• Powstaje wysokiej jakości woda metaboliczna o niskim deuterze
• Stres oksydacyjny jest pod kontrolą
• Komórki efektywnie się regenerują i naprawiają

Gdy CCO jest zahamowana (nadmiernym NO, brakiem światła, toksynami, przewlekłym stresem):

• Spada produkcja ATP – zmęczenie, niska wydolność
• Kumulują się ROS – uszkodzenie DNA, białek i lipidów
• Spowalnia się regeneracja – wolniejsze gojenie, przewlekłe stany zapalne
• Pogarsza się ogólna funkcja mitochondrialna – podstawa wielu chorób przewlekłych

Współczesny styl życia (brak światła słonecznego, życie w pomieszczeniach, przewlekły stres) tworzy warunki, w których CCO jest chronicznie niedostymulowana. Terapia czerwonym i NIR światłem jest najdostępniejszym i naukowo najlepiej potwierdzonym sposobem, aby tę sytuację naprawić. Dokładnie do tego zaprojektowane są panele Mitochondriak® z długościami fal 630, 670, 760, 810, 830, 850 i 940 nm.

Powiązane pojęcia w słowniku

• Mitochondria – organelle komórkowe, w których CCO się znajduje
• ATP – energia, na której produkcję CCO bezpośrednio wpływa
• Fotobiomodulacja – terapia czerwonym światłem działająca głównie przez CCO
• Rytm dobowy – rytm biologiczny wpływający na cykliczną aktywność mitochondriów i CCO
• Melatonina – antyoksydant mitochondrialny chroniący CCO przed uszkodzeniem oksydacyjnym w nocy

Źródła i literatura

1. Hamblin, M. R. (2018). Mechanisms and Mitochondrial Redox Signaling in Photobiomodulation. Photochemistry and Photobiology, 94(2), 199–212. PubMed 29164625
2. Karu, T. I. (2005). Absorption measurements of a cell monolayer relevant to the mechanisms of laser phototherapy: reduction or oxidation of cytochrome c oxidase under laser radiation at 632.8 nm. Photomedicine and Laser Surgery, 23(6), 571–577. PubMed 16125966
3. Karu, T. I. (2008). Mitochondrial Signaling in Mammalian Cells Activated by Red and Near-IR Radiation. Photochemistry and Photobiology, 84(5), 1091–1099. Wiley doi:10.1111/j.1751-1097.2008.00394.x
4. Wong-Riley, M. T. T. et al. (2005). Photobiomodulation Directly Benefits Primary Neurons Functionally Inactivated by Toxins: Role of Cytochrome c Oxidase. Journal of Biological Chemistry, 280(6), 4761–4771. ScienceDirect S0021925820761259
5. Poyton, R. O., Ball, K. A. (2011). Therapeutic photobiomodulation: nitric oxide and a novel function of mitochondrial cytochrome c oxidase. Discovery Medicine, 11(57), 154–159. PubMed 21356170
6. Ishigami, I. et al. (2023). Structural basis for functional properties of cytochrome c oxidase. PNAS, 120(14), e2216966120. PMC10055264
7. Richter, O. M. H., Ludwig, B. (2003). Cytochrome c oxidase – structure, function, and physiology of a redox-driven molecular machine. Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology, 147, 47–74. PubMed 12783267