cytochrom c oxidáza

Cytochrom c oxidáza (zkratka CCO, také komplex IV) je poslední a z pohledu terapie červeným světlem nejdůležitější enzym dýchacího řetězce v mitochondriích. Je to transmembránový proteinový komplex zabudovaný ve vnitřní membráně mitochondrií, který přijímá elektrony od cytochromu c, přenáší je na molekulární kyslík a vytváří metabolickou vodu. Zároveň přečerpává protony a přispívá k tvorbě ATP. A právě CCO je chromoforem, tedy molekulou, která absorbuje červené a blízké infračervené světlo. Na tomto faktu stojí celá fotobiomodulace.

Co je cytochrom c oxidáza a kde se nachází?

Cytochrom c oxidáza je velký transmembránový enzym zabudovaný ve vnitřní membráně mitochondrií. Je to čtvrtý a poslední komplex elektronového transportního (dýchacího) řetězce. U savců se skládá z 13 podjednotek, z nichž tři největší (I, II a III) jsou kódovány mitochondriální DNA a zbývajících deset jaderným genomem.

Richter a Ludwig (2003) popsali CCO jako terminální člen elektronových transportních řetězců mitochondrií i mnoha bakterií, poskytující efektivní mechanismus na redukci kyslíku a současné přečerpávání protonů (Richter & Ludwig, 2003).

CCO je přítomna v každé buňce s mitochondriemi, tedy prakticky ve všech buňkách Vašeho těla (s výjimkou červených krvinek, které mitochondrie nemají). Nachází se ve svalových buňkách, neuronech, keratinocytech pokožky, buňkách srdce, jater i imunitního systému. Všude, kde buňky potřebují energii.

Jaká je struktura CCO a proč absorbuje světlo?

CCO obsahuje čtyři redoxně aktivní kovová centra, která jsou klíčová pro její funkci i pro schopnost absorbovat světlo:

• CuA (měďnaté centrum A) – binukleární měďnaté centrum v podjednotce II. Je to první místo, kam přicházejí elektrony od cytochromu c. CuA absorbuje světlo především v NIR rozsahu (760 až 850 nm).
• Hém a – hémová prostetická skupina v podjednotce I. Přenáší elektrony z CuA na binukleární centrum. Absorbuje světlo v červeném rozsahu (620 až 680 nm).
• Hém a3 – druhý hém v podjednotce I, součást binukleárního centra. Zde se kyslík váže a redukuje na vodu.
• CuB (měďnaté centrum B) – spolupracuje s hémem a3 v binukleárním centru na redukci kyslíku. Absorbuje v NIR oblasti.

Ishigami et al. (2023) ve své studii o strukturním základu funkčních vlastností CCO podrobně popsali, jak tato čtyři centra spolupracují při přenosu elektronů a redukci kyslíku (Ishigami et al., 2023).

Právě tato kovová centra obsahující měď a železo dělají z CCO chromofor, tedy molekulu schopnou absorbovat fotony. Červené a infračervené světlo má dostatečnou energii na interakci s d-orbitaly kovových iontů v těchto centrech, čímž mění redoxní stav enzymu a ovlivňuje jeho aktivitu.

Jakou funkci plní CCO v dýchacím řetězci?

CCO je poslední „stanicí" elektronového transportního řetězce. Její úlohy jsou:

1. Přijímá elektrony od cytochromu c – malého rozpustného proteinu, který přenáší elektrony od komplexu III
2. Redukuje molekulární kyslík na vodu – čtyři elektrony a čtyři protony se spojují s jednou molekulou O₂ za vzniku dvou molekul H₂O. Toto je metabolická voda (voda zbavená deuteria, DDW)
3. Přečerpává protony – při přenosu elektronů CCO transponuje 2 protony z matrixu do mezimembránového prostoru, čímž přispívá k protonovému gradientu pohánějícímu ATP-syntázu

Bez funkční CCO by se celý dýchací řetězec zastavil. Elektrony by se hromadily v předchozích komplexech, kyslík by nebyl redukován, ATP by nevznikalo a buňka by přešla na méně efektivní anaerobní glykolýzu.

CCO spotřebuje více než 95 % kyslíku, který dýcháte. Když se nadechnete, většina toho kyslíku skončí právě zde, na binukleárním centru hém a3/CuB, kde se přemění na vodu a energii.

Proč je CCO chromoforem pro červené a infračervené světlo?

CCO je jediný enzym dýchacího řetězce, který výrazně absorbuje světlo v červeném a blízkém infračerveném spektru (600 až 900 nm). Ostatní komplexy (I, II, III) absorbují především v UV a modré oblasti, která do hlubších tkání neproniká.

To dělá z CCO primární fotoacceptor (fotorecipient) pro fotobiomodulaci. Když fotony červeného nebo NIR světla proniknou přes pokožku a tkáň do mitochondrií, jsou absorbovány kovovými centry CCO. Tato absorpce mění redoxní stav enzymu a spouští kaskádu buněčných reakcí.

Michael Hamblin z Harvard Medical School ve své průlomové review (2018) popsal tento mechanismus: fotony absorbované CCO vedou k disociaci inhibičního oxidu dusnatého (NO) z binukleárního centra, čímž se enzym „odblokuje" a celý dýchací řetězec zrychlí (Hamblin, 2018).

Jaké vlnové délky CCO absorbuje?

Ruská vědkyně Tiina Karu, průkopnice výzkumu fotobiomodulace, identifikovala čtyři absorpční (akční) píky CCO v červeném a NIR rozsahu:

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

Karu (2005) ve svých absorpčních měřeních potvrdila, že spektrální oblast 710 až 790 nm je charakteristická pro relativně redukovaný fotoacceptor, zatímco oblast nad 800 nm odpovídá oxidovanému stavu (Karu, 2005).

Wong-Riley et al. (2005) experimentálně potvrdili, že z testovaných vlnových délek (670, 728, 770, 830 a 880 nm) byly nejúčinnější 830 nm a 670 nm, což přesně odpovídá absorpčnímu spektru CCO (Wong-Riley et al., 2005).

Naše infrapanely Mitochondriak® emitují vlnové délky 630, 670, 760, 810, 830, 850 a 940 nm. Tyto byly zvoleny tak, aby pokrývaly oba hlavní absorpční rozsahy CCO: červený (hém a, okolo 620 až 680 nm) a NIR (CuA, okolo 820 až 850 nm). Vlnové délky 630 a 670 nm cíleně pokrývají červenou oblast héma a, zatímco 830 a 850 nm cíleně pokrývají NIR oblast měďnatých center.

Jak oxid dusnatý blokuje CCO a jak ho světlo uvolňuje?

Oxid dusnatý (NO) je důležitý signální plyn, který v těle plní mnoho funkcí (rozšíření cév, regulace krevního tlaku, imunitní obrana). Ale v mitochondriích má i temnou stránku: kompetitivně inhibuje CCO.

NO se váže na binukleární centrum hém a3/CuB na stejném místě, kde se normálně váže kyslík. Když je NO navázán, kyslík se nemůže redukovat, elektronový transport se zpomalí a produkce ATP klesá.

Poyton a Ball (2011) navrhli, že právě uvolnění NO z CCO působením červeného a NIR světla je jedním z primárních mechanismů fotobiomodulace. Fotony „vytlačí" NO z vazebného místa, čímž se CCO odblokuje a celý dýchací řetězec se rozběhne na plný výkon (Poyton & Ball, 2011).

Uvolněný NO se následně šíří do okolní tkáně, kde působí jako vazodilatátor (rozšiřuje cévy a zlepšuje mikrocirkulaci). Takže fotobiomodulace má dvojitý efekt: rozběhne dýchací řetězec v mitochondriích a zlepší průtok krve v okolí.

V Mitochondriak® využíváme také pulzaci (10 Hz), která podle našeho testování a dostupných dat efektivněji odpojuje NO z CCO, protože opakované krátké světelné impulzy zabraňují jeho opětovnému navázání. Více o pulzaci a NO najdete v našem blogu o pulzaci RLT, oxidu dusnatém a hydrataci.

Co se děje v buňce po absorpci světla v CCO?

Když fotony červeného nebo NIR světla interagují s CCO, spouští se kaskáda buněčných reakcí:

1. Zvýšení produkce ATP – odblokovaná CCO rychleji přenáší elektrony, protonový gradient se zesiluje, ATP-syntáza pracuje efektivněji
2. Zvýšení tvorby metabolické vody (DDW) – více elektronů redukuje kyslík na vodu s nízkým deuteriem
3. Krátkodobý nárůst ROS – mírné zvýšení reaktivních forem kyslíku aktivuje dráhu Nrf2, což je hlavní regulátor antioxidační obrany buňky (hormetický efekt)
4. Uvolnění NO – vazodilatace, zlepšení mikrocirkulace, signalizace
5. Aktivace transkripčních faktorů – NF-κB, AP-1 a další faktory, které regulují genovou expresi spojenou s regenerací, protizánětlivou odpovědí a proliferací buněk
6. Zvýšení membránového potenciálu mitochondrie – ukazatel mitochondriálního zdraví

Karu (2008) zdůraznila, že změny v redoxním stavu CCO vedou k „retrográdní mitochondriální signalizaci", tedy signálům z mitochondrií do jádra buňky, které mění genovou expresi a ovlivňují celkový stav buňky (Karu, 2008).

Proč na CCO záleží pro Vaše zdraví?

CCO není jen biochemická kuriozita. Je to jediný enzym v lidském těle, který dokážete cíleně aktivovat světlem bez jakéhokoli farmakologického zásahu. To z ní dělá most mezi prostředím (světlem) a buněčným metabolismem.

Když CCO funguje správně:

• Mitochondrie produkují dostatek ATP – máte energii
• Vzniká kvalitní metabolická voda s nízkým deuteriem
• Oxidační stres je pod kontrolou
• Buňky se efektivně regenerují a opravují

Když je CCO inhibována (nadměrným NO, nedostatkem světla, toxiny, chronickým stresem):

• Klesá produkce ATP – únava, slabý výkon
• Hromadí se ROS – poškození DNA, proteinů a lipidů
• Zpomaluje se regenerace – pomalejší hojení, chronické záněty
• Zhoršuje se celková mitochondriální funkce – základ mnoha chronických onemocnění

Moderní životní styl (nedostatek slunečního světla, život v interiéru, chronický stres) vytváří podmínky, ve kterých je CCO chronicky podstimulována. Terapie červeným a NIR světlem je nejdostupnější a vědecky nejlépe podložený způsob, jak tuto situaci napravit. Přesně na to jsou navrženy infrapanely Mitochondriak® s vlnovými délkami 630, 670, 760, 810, 830, 850 a 940 nm.

Související pojmy ve slovníku

• Mitochondrie – buněčné organely, ve kterých se CCO nachází
• ATP – energie, jejíž produkci CCO přímo ovlivňuje
• Fotobiomodulace – terapie červeným světlem působící primárně přes CCO
• Cirkadiánní rytmus – biologický rytmus ovlivňující cyklickou aktivitu mitochondrií a CCO
• Melatonin – mitochondriální antioxidant chránící CCO před oxidačním poškozením v noci

Zdroje a reference

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