细胞色素 c

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细胞色素 c (Cytochrome c) 是一种在进化上高度保守的小分子血红素蛋白。作为电子传递链的核心成员,它在正常的生理状态下负责将电子从复合物 III转运至复合物 IV,维持氧化磷酸化的进行。然而,当细胞受到凋亡诱导信号刺激导致线粒体外膜通透化 (MOMP)时,细胞色素 c 会释放到细胞质中,与Apaf-1结合形成凋亡小体,从而启动内源性凋亡途径。其双重生理功能使其成为连接细胞能量代谢与受控死亡的关键分子枢纽。

细胞色素 c
Cytochrome c (Cyt c) · 详细生化参数
核心特性:高度保守的电子穿梭体
氨基酸数目 104 aa (人类/脊椎动物)
分子量 12,384 Da (人)
等电点 (pI) 9.6 - 10.0 (强碱性蛋白)
辅助因子 血红素 c (Heme c)
基因名称 CYCS (7q11.22)
锚定位置 线粒体内膜外侧
关键配体 心磷脂 (Cardiolipin)
凋亡伴侣 Apaf-1, dATP, Casp-9
保守性 极高 (用于系统发育研究)
PDB ID 1J3S (人) / 1HRC (马)

功能机制:从能量代谢到自杀信号


细胞色素 c 是唯一一种需要跨越线粒体外膜释放到胞质中执行死亡功能的蛋白质:

  • 呼吸链电子载体: 作为外周膜蛋白,它在复合物 III (细胞色素 bc1 复合物)复合物 IV (细胞色素 c 氧化酶)之间穿梭。利用血红素中心的铁原子进行氧化还原反应 ($Fe^{2+} \leftrightarrow Fe^{3+}$),驱动 ATP 的生成。
  • 凋亡小体 (Apoptosome) 的组装:Bax/Bak 导致线粒体孔道形成后,释放的细胞色素 c 与胞质中的 Apaf-1 结合。在 dATP 或 ATP 存在下,诱导 Apaf-1 发生构象改变并聚合成轮状的七聚体。
  • Caspase 级联激活: 凋亡小体通过其 CARD 结构域招募并活化 Caspase-9,随后通过蛋白水解作用激活下游的执行者 Caspase-3Caspase-7

生化特性:心磷脂的约束力

细胞色素 c 在淋巴细胞和大部分体细胞中通过静电引力与心磷脂 (Cardiolipin) 结合。在凋亡早期,由于活性氧 (ROS) 的产生,心磷脂发生过氧化。这削弱了其对细胞色素 c 的束缚,使其脱离内膜进入膜间隙,为最终通过 MOMP 释放到胞质做好了准备。

关键相关概念

  • Apaf-1 (凋亡酶激活因子-1): 细胞质中 Cyt c 的受体,没有它,Cyt c 的释放将无法触发凋亡。
  • 氧化磷酸化 线粒体内 Cyt c 的主要职责,将电子传递给氧气生成水。
  • 维奈克拉 (Venetoclax): 通过诱导 MOMP 促进细胞色素 c 释放来杀伤肿瘤细胞。
       学术参考文献与权威点评 [Academic Review]
       

[1] Liu X, et al. (1996). Induction of apoptotic program in cell-free extracts: requirement for dATP and cytochrome c. Cell. 86(1):147-157.
[学术点评]:王晓东实验室的突破性工作,首次阐明了 Cyt c 是激活内源性凋亡的必需生化因子。

[2] Reed JC. (1997). Cytochrome c: Can't live with it; Can't live without it. Cell. 91(5):559-562.
[权威点评]:精辟概括了 Cyt c 作为呼吸作用支柱与细胞死亡信使的双重矛盾性。

[3] Li P, et al. (1997). Cytochrome c and dATP-dependent formation of Apaf-1/caspase-9 complex initiates an apoptotic protease cascade. Cell. 91(4):479-489.
[学术点评]:揭示了“凋亡小体”组装的详细生化步骤,是内源性凋亡机制研究的里程碑。

[4] Kroemer G, et al. (2007). Mitochondrial membrane permeabilization in cell death. Physiological Reviews. 87(1):99-163.
[权威点评]:全面总结了线粒体如何通过控制包括 Cyt c 在内的因子释放来主导细胞命运。

           细胞色素 c · 知识图谱
呼吸链位置 复合物 III细胞色素 c复合物 IV
凋亡轴向 MOMPApaf-1Caspase-9凋亡小体
调控因子 Bcl-2 (抗)•Bax (促)•心磷脂过氧化