Cytochróm C oxidáza

Cytochróm c oxidáza (skratka CCO, tiež komplex IV) je posledný a z pohľadu terapie červeným svetlom najdôležitejší enzým dýchacieho reťazca v mitochondriách. Je to transmembránový proteínový komplex, ktorý prijíma elektróny od cytochrómu c, prenáša ich na molekulárny kyslík a vytvára metabolickú vodu. Zároveň prečerpáva protóny a prispieva k tvorbe ATP. A práve CCO je chromofórom, teda molekulou, ktorá absorbuje červené a blízke infračervené svetlo. Na tomto fakte stojí celá fotobiomodulácia.

Čo je cytochróm c oxidáza a kde sa nachádza?

Cytochróm c oxidáza je veľký transmembránový enzým zabudovaný vo vnútornej membráne mitochondrií. Je to štvrtý a posledný komplex elektrónového transportného (dýchacieho) reťazca. U cicavcov sa skladá z 13 podjednotiek, z ktorých tri najväčšie (I, II a III) sú kódované mitochondriálnou DNA a zvyšných desať jadrovým genómom.

Richter a Ludwig (2003) popísali CCO ako terminálny člen elektrónových transportných reťazcov mitochondrií aj mnohých baktérií, poskytujúci efektívny mechanizmus na redukciu kyslíka a súčasné prečerpávanie protónov (Richter & Ludwig, 2003).

CCO je prítomná v každej bunke s mitochondriami, teda prakticky vo všetkých bunkách Vášho tela (s výnimkou červených krviniek, ktoré mitochondrie nemajú). Nachádza sa v svalových bunkách, neurónoch, keratinocytoch pokožky, bunkách srdca, pečene aj imunitného systému. Všade, kde bunky potrebujú energiu.

Aká je štruktúra CCO a prečo absorbuje svetlo?

CCO obsahuje štyri redoxne aktívne kovové centrá, ktoré sú kľúčové pre jej funkciu aj pre schopnosť absorbovať svetlo:

• CuA (meďnaté centrum A) – binukleárne meďnaté centrum v podjednotke II. Je to prvé miesto, kam prichádzajú elektróny od cytochrómu c. CuA absorbuje svetlo predovšetkým v NIR rozsahu (760 až 850 nm).
• Hém a – hémová prostetická skupina v podjednotke I. Prenáša elektróny z CuA na binukleárne centrum. Absorbuje svetlo v červenom rozsahu (620 až 680 nm).
• Hém a3 – druhý hém v podjednotke I, súčasť binukleárneho centra. Tu sa kyslík viaže a redukuje na vodu.
• CuB (meďnaté centrum B) – spolupracuje s hémom a3 v binukleárnom centre na redukcii kyslíka. Absorbuje v NIR oblasti.

Ishigami et al. (2023) vo svojej štúdii o štruktúrnom základe funkčných vlastností CCO podrobne popísali, ako tieto štyri centrá spolupracujú pri prenose elektrónov a redukcii kyslíka (Ishigami et al., 2023).

Práve tieto kovové centrá obsahujúce meď a železo robia z CCO chromofór, teda molekulu schopnú absorbovať fotóny. Červené a infračervené svetlo má dostatočnú energiu na interakciu s d-orbitálmi kovových iónov v týchto centrách, čím mení redoxný stav enzýmu a ovplyvňuje jeho aktivitu.

Akú funkciu plní CCO v dýchacom reťazci?

CCO je posledná „stanica" elektrónového transportného reťazca. Jej úlohy sú:

1. Prijíma elektróny od cytochrómu c – malého rozpustného proteínu, ktorý prenáša elektróny od komplexu III
2. Redukuje molekulárny kyslík na vodu – štyri elektróny a štyri protóny sa spájajú s jednou molekulou O₂ za vzniku dvoch molekúl H₂O. Toto je metabolická voda (deutéria zbavená voda, DDW)
3. Prečerpáva protóny – pri prenose elektrónov CCO transponuje 2 protóny z matrixu do medzimembránového priestoru, čím prispieva k protónovému gradientu poháňajúcemu ATP-syntázu

Bez funkčnej CCO by sa celý dýchací reťazec zastavil. Elektróny by sa hromadili v predchádzajúcich komplexoch, kyslík by nebol redukovaný, ATP by nevznikalo a bunka by prešla na menej efektívnu anaeróbnu glykolýzu.

CCO spotrebuje viac ako 95 % kyslíka, ktorý dýchate. Keď sa nadýchnete, väčšina toho kyslíka skončí práve tu, na binukleárnom centre hém a3/CuB, kde sa premení na vodu a energiu.

Prečo je CCO chromofórom pre červené a infračervené svetlo?

CCO je jediný enzým dýchacieho reťazca, ktorý výrazne absorbuje svetlo v červenom a blízkom infračervenom spektre (600 až 900 nm). Ostatné komplexy (I, II, III) absorbujú predovšetkým v UV a modrej oblasti, ktorá do hlbších tkanív nepreniká.

To robí z CCO primárny fotoacceptor (fotorecipient) pre fotobiomoduláciu. Keď fotóny červeného alebo NIR svetla preniknú cez pokožku a tkanivo do mitochondrií, sú absorbované kovovými centrami CCO. Táto absorpcia mení redoxný stav enzýmu a spúšťa kaskádu bunkových reakcií.

Michael Hamblin z Harvard Medical School vo svojej prelomovej review (2018) popísal tento mechanizmus: fotóny absorbované CCO vedú k disociácii inhibičného oxidu dusnatého (NO) z binukleárneho centra, čím sa enzým „odblokuje" a celý dýchací reťazec zrýchli (Hamblin, 2018).

Aké vlnové dĺžky CCO absorbuje?

Ruská vedkyňa Tiina Karu, priekopníčka výskumu fotobiomodulácie, identifikovala štyri absorpčné (akčné) píky CCO v červenom a NIR rozsahu:

• ~620 nm – absorbcia hému a (oxidovaná forma)
• ~680 nm – absorbcia hému a (redukovaná forma)
• ~760 nm – absorbcia CuB
• ~820 až 830 nm – absorbcia oxidovaného CuA

Karu (2005) vo svojich absorpčných meraniach potvrdila, že spektrálna oblasť 710 až 790 nm je charakteristická pre relatívne redukovaný fotoacceptor, zatiaľ čo oblasť nad 800 nm zodpovedá oxidovanému stavu (Karu, 2005).

Wong-Riley et al. (2005) experimentálne potvrdili, že z testovaných vlnových dĺžok (670, 728, 770, 830 a 880 nm) boli najúčinnejšie 830 nm a 670 nm, čo presne zodpovedá absorpčnému spektru CCO (Wong-Riley et al., 2005).

Naše infrapanely Mitochondriak® emitujú vlnové dĺžky 630, 670, 760, 810 830, 850 a 940 nm. Tieto boli zvolené tak, aby pokrývali oba hlavné absorpčné rozsahy CCO: červený (hém a, okolo 620 až 680 nm) a NIR (CuA, okolo 820 až 850 nm). Vlnové dĺžky 630 a 670 nm cielene pokrývajú červenú oblasť hému a, zatiaľ čo 830 a 850 nm cielene pokrývajú NIR oblasť meďnatých centier.

Ako oxid dusnatý blokuje CCO a ako ho svetlo uvoľňuje?

Oxid dusnatý (NO) je dôležitý signálny plyn, ktorý v tele plní mnoho funkcií (rozšírenie ciev, regulácia krvného tlaku, imunitná obrana). Ale v mitochondriách má aj temnú stránku: kompetitívne inhibuje CCO.

NO sa viaže na binukleárne centrum hém a3/CuB na rovnakom mieste, kde sa normálne viaže kyslík. Keď je NO naviazaný, kyslík sa nemôže redukovať, elektrónový transport sa spomalí a produkcia ATP klesá.

Poyton a Ball (2011) navrhli, že práve uvoľnenie NO z CCO pôsobením červeného a NIR svetla je jedným z primárnych mechanizmov fotobiomodulácie. Fotóny „vytlačia" NO z väzbového miesta, čím sa CCO odblokuje a celý dýchací reťazec sa rozbehne na plný výkon (Poyton & Ball, 2011).

Uvoľnený NO sa následne šíri do okolitého tkaniva, kde pôsobí ako vazodilatátor (rozširuje cievy a zlepšuje mikrocirkuláciu). Takže fotobiomodulácia má dvojitý efekt: rozbehne dýchací reťazec v mitochondriách a zlepší prietok krvi v okolí.

V Mitochondriak® využívame aj pulzáciu (10 Hz), ktorá podľa nášho testovania a dostupných dát efektívnejšie odpájä NO z CCO, pretože opakované krátke svetelné impulzy zabraňujú jeho opätovnému naviazaniu. Viac o pulzácii a NO nájdete v našom blogu o pulzácii RLT, oxide dusnatom a hydratácii.

Čo sa deje v bunke po absorpcii svetla v CCO?

Keď fotóny červeného alebo NIR svetla interagujú s CCO, spúšťa sa kaskáda bunkových reakcií:

1. Zvýšenie produkcie ATP – odblokovaná CCO rýchlejšie prenáša elektróny, protónový gradient sa zosilňuje, ATP-syntáza pracuje efektívnejšie
2. Zvýšenie tvorby metabolickej vody (DDW) – viac elektrónov redukuje kyslík na vodu s nízkym deutériom
3. Krátkodobý nárast ROS – mierne zvýšenie reaktívnych foriem kyslíka aktivuje Nrf2 dráhu, čo je hlavný regulátor antioxidačnej obrany bunky (hormetický efekt)
4. Uvoľnenie NO – vazodilatácia, zlepšenie mikrocirkulácie, signalizácia
5. Aktivácia transkripčných faktorov – NF-κB, AP-1 a ďalšie faktory, ktoré regulujú génovú expresiu spojenú s regeneráciou, protizápalovou odpoveďou a proliferáciou buniek
6. Zvýšenie membránového potenciálu mitochondrie – ukazovateľ mitochondriálneho zdravia

Karu (2008) zdôraznila, že zmeny v redoxnom stave CCO vedú k „retrográdnej mitochondriálnej signalizácii", teda signálom z mitochondrií do jadra bunky, ktoré menia génovú expresiu a ovplyvňujú celkový stav bunky (Karu, 2008).

Prečo na CCO záleží pre Vaše zdravie?

CCO nie je len biochemická kuriozita. Je to jediný enzým v ľudskom tele, ktorý dokážete cielene aktivovať svetlom bez akéhokoľvek farmakologického zásahu. To z nej robí most medzi prostredím (svetlom) a bunkovým metabolizmom.

Keď CCO funguje správne:

• Mitochondrie produkujú dostatok ATP – máte energiu
• Vzniká kvalitná metabolická voda s nízkym deutériom
• Oxidačný stres je pod kontrolou
• Bunky sa efektívne regenerujú a opravujú

Keď je CCO inhibovaná (nadmerným NO, nedostatkom svetla, toxínmi, chronickým stresom):

• Klesá produkcia ATP – únava, slabý výkon
• Hromadia sa ROS – poškodenie DNA, proteínov a lipidov
• Spomaľuje sa regenerácia – pomalšie hojenie, chronické zápaly
• Zhoršuje sa celková mitochondriálna funkcia – základ mnohých chronických ochorení

Moderný životný štýl (nedostatok slnečného svetla, život v interiéri, chronický stres) vytvára podmienky, v ktorých je CCO chronicky podstimulovaná. Terapia červeným a NIR svetlom je najdostupnejší a vedecky najlepšie podložený spôsob, ako túto situáciu napraviť. Presne na to sú navrhnuté infrapanely Mitochondriak® s vlnovými dĺžkami 630, 670, 760, 810, 830, 850 a 940 nm.

Súvisiace pojmy v slovníku

• Mitochondrie – bunkové organely, v ktorých sa CCO nachádza
• ATP – energia, ktorej produkciu CCO priamo ovplyvňuje
• Fotobiomodulácia – terapia červeným svetlom pôsobiaca primárne cez CCO
• Cirkadiánny rytmus – biologický rytmus ovplyvňujúci cyklickú aktivitu mitochondrií a CCO
• Melatonín – mitochondriálny antioxidant chrániaci CCO pred oxidačným poškodením v noci

Zdroje a referencie

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