Cytochrom-Oxidase, katalysiert den letzten Schritt des Elektronentransports in der Atmungskette und katalysiert den Elektronentransfer vom Cytochrom c zum molekularen Sauerstoff. Die Cytochrom-Oxidase kann durch CN- (Cyanide) oder CO inhibiert werden. Ihre prosthetische Gruppe ist das Häm A, das eine lipophile C₁₂-Seitenkette sowie eine Aldehyd- und eine Vinylgruppe am Porphyrinring trägt. An der Reaktion mit O₂ sind die Redoxsysteme des Hämeisens und des Kupfers (Fe²⁺/Fe³⁺; Cu²⁺/Cu⁺) beteiligt. Elektronenmikroskopische Untersuchungen haben gezeigt, dass der Proteinteil des Moleküls während des Redoxprozesses Konformationsänderungen durchläuft. Die oxidierte Form ist kristallin, die reduzierte Form dagegen amorph. Im nativen Zustand ist die C. ein Bestandteil eines phospholipidhaltigen Supermoleküls (M_r 3·10⁶Da), das an die Mitochondrienmembran gebunden ist. Dieser Komplex kann nur durch Behandlung mit Detergenzien (2% Desoxycholat) dissoziiert werden. Die isolierte C. (pI 4-5) bildet einen stabilen, nichtkovalenten Komplex mit Cytochrom c (pI 10,1), aus dem es durch Behandlung mit einem Detergens (0,1% Emasol) und durch Gelfiltration abgetrennt werden kann.
Die beiden Häm A-Gruppen sind an verschiedenen Stellen der Cytochrom-Oxidase gebunden, und unterscheiden sich daher in funktioneller und spektroskopischer Hinsicht. Sie werden als Häm a und Häm a₃ bezeichnet. Der a-Zustand ist nicht autoxidierbar und reagiert – im Gegensatz zur a₃-Form – weder mit O₂ noch mit CO oder CN-. Auch die beiden Cu-Ionen sind unterschiedlich gebunden. Sie heißen Cu_A und Cu_B. Die Oxidations-Reduktions-Einheiten der C. sind Cytochrom a und Cytochrom a₃. In der Atmungskette überträgt Cytochrom c ein Elektron auf das Häm-a-Cu_A-Zentrum. Anschließend wird ein Elektron zum Häm-a₃-Cu_B-Zentrum transferiert und O₂ in mehreren Schritten zu H₂O reduziert. Das O₂-Molekül wird zwischen Fe²⁺ und Cu⁺ des Häm-a₃-Cu_B-Zentrums gebunden, so dass keine unvollständig reduzierten Zwischenprodukte (Wasserstoffperoxid, Hydroxylradikale) freigesetzt werden, die die Zelle stark schädigen könnten.
Die gereinigte C. aus dem Herzmuskel ist ein tetrameres Hämlipoprotein, das vier Häm- und vier Kupferchromophore je lipidhaltigem (M_r 440 kDa) oder lipidfreiem (M_r 350 kDa) Molekül enthält. In Gegenwart niedriger Guanidin- (1M) oder Dodecylsulfatkonzentrationen (0,5%) wird das tetramere Molekül in eine dimere Form umgewandelt (M_r 190 kDa), die 2-3mal so aktiv ist wie die tetramere. Das Monomer kann durch Erhöhung des pH-Werts erhalten werden. Es ist wie das Tetramer nicht sehr aktiv. Höhere Konzentrationen an Dodecylsulfat (1-5%) veranlassen das Cytochrom-Oxidase-Monomer (M_r 90-100 kDa) in vier bis sechs nicht identische Polypeptidketten (Hauptarten M_r 11,5kDa, 14kDa, 20 kDa, 39kDa) zu dissoziieren.
Im Gegensatz zur C. des Herzmuskels besteht das Cytochrom-Oxidase-Monomer der Bakterien, z.B. von Pseudomonas, das autoxidierbare und kupferfreie Cytochrom a₂ (M_r 120 kDa), nur aus zwei Untereinheiten (M_r 58kDa). Es ist nicht bekannt, welche der Ketten die prosthetische Gruppe trägt.