Цитохромы P450 ( P450 или CYP ) представляют собой суперсемейство ферментов , содержащих гем в качестве кофактора , которые в основном, но не исключительно, функционируют как монооксигеназы . [1] Однако они не вездесущи; например, они не обнаружены в Escherichia coli . [2] У млекопитающих эти ферменты окисляют стероиды , жирные кислоты , ксенобиотики и участвуют во многих биосинтезах. [1] Путем гидроксилирования ферменты CYP450 превращают ксенобиотики в гидрофильные производные, которые легче выводятся из организма.
Гены , кодирующие ферменты P450, и сами ферменты обозначаются корневым символом CYP , обозначающим суперсемейство , за которым следует число, обозначающее семейство генов , заглавная буква, обозначающая подсемейство, и еще одна цифра, обозначающая отдельный ген. Принято выделять имя курсивом , когда речь идет о гене. Например, CYP2E1 — это ген, который кодирует фермент CYP2E1 — один из ферментов, участвующих в метаболизме парацетамола (ацетаминофена). Номенклатура CYP является официальным соглашением об именах, хотя иногда CYP450 или CYP 450 используются как синонимы. Эти имена никогда не следует использовать в соответствии с номенклатурой (поскольку они обозначают P450 в семействе номер 450). Однако некоторые названия генов или ферментов для P450 также называются историческими названиями (например, P450 BM3 для CYP102A1) или функциональными названиями, обозначающими каталитическую активность и название соединения, используемого в качестве субстрата. Примеры включают CYP5A1 , тромбоксан А2 - синтазу, сокращенно TBXAS1 ( Throm B o Xane A 2 Синтаза 1 ) , и CYP51A1 , ланостерин - 14-α-деметилазу, иногда неофициально сокращенно LDM в зависимости от ее субстрата ( L- аностерин) и активность ( Д е метилирование ). [3]
Текущие рекомендации по номенклатуре предполагают, что члены новых семейств CYP имеют как минимум 40% аминокислотной идентичности, тогда как члены подсемейств должны иметь как минимум 55% аминокислотной идентичности. Комитеты по номенклатуре присваивают и отслеживают как названия базовых генов (домашняя страница Cytochrome P450, архивировано 27 июня 2010 г. в Wayback Machine ), так и названия аллелей (Комитет по номенклатуре аллелей CYP). [4] [5]
Классификация
В зависимости от природы белков-переносчиков электронов P450 можно разделить на несколько групп: [6]
в котором оба электрона, необходимые для CYP, происходят от цитохрома b 5 .
Системы FMN/Fd/P450
Первоначально обнаружен у видов Rhodococcus , у которых редуктаза , содержащая FMN -домен , слита с CYP.
Только системы P450
которые не требуют внешней восстанавливающей мощности. Известные из них включают тромбоксансинтазу (CYP5), простациклинсинтазу (CYP8) и CYP74A (алленоксидсинтаза).
Наиболее распространенной реакцией, катализируемой цитохромами Р450, является монооксигеназная реакция, например, внедрение одного атома кислорода в алифатическое положение органического субстрата (RH), при этом другой атом кислорода восстанавливается до воды:
RH + O 2 + НАДФН + H + → ROH + H 2 O + НАДФ +
Родственные ферменты гидроксилирования
Во многих реакциях гидроксилирования (вставки гидроксильных групп) используются ферменты CYP, но существует множество других гидроксилаз. Альфа-кетоглутарат-зависимые гидроксилазы также основаны на промежуточном соединении Fe=O, но не имеют гема. Метанмонооксигеназа, которая превращает метан в метанол, представляет собой негемовые ферменты на основе железа и меди. [7]
Механизм
«Промежуточное соединение Fe(V)» внизу слева представляет собой упрощение: это Fe(IV) с радикальным гемовым лигандом .
Состав
Активный центр цитохрома Р450 содержит гем-железный центр. Железо связано с белком через тиолатный лиганд цистеина . Этот цистеин и несколько фланкирующих остатков высококонсервативны в известных P450 и имеют формальный консенсусный паттерн подписи PROSITE [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [ ЛИВМФАП] - [ГАД]. [8] В целом каталитический цикл P450 протекает следующим образом:
Каталитический цикл
Субстрат связывается вблизи гемовой группы , на стороне, противоположной аксиальному тиолату. Связывание с субстратом вызывает изменение конформации активного центра, часто смещая молекулу воды из дистального аксиального координационного положения железа гема [9] и изменяя состояние железа гема с низкоспинового на высокоспиновое. [10]
Связывание с субстратом индуцирует перенос электронов от НАД(P)H через редуктазу цитохрома P450 или другую ассоциированную редуктазу , [11] превращая Fe(III) в Fe(II).
Молекулярный кислород связывается с образовавшимся центром гема железа в дистальном аксиальном координационном положении, первоначально образуя дикислородный аддукт, аналогичный оксимиоглобину.
Пероксогруппа, образовавшаяся на этапе 4, дважды быстро протонируется, высвобождая одну молекулу воды и образуя высокореактивную разновидность, называемую Соединением 1 P450 (или просто Соединением I). Это высокореактивное промежуточное соединение было выделено в 2010 году. [12] P450 Соединение 1 представляет собой оксо- (или феррил ) железо(IV) с дополнительным окислительным эквивалентом, делокализованным над порфириновыми и тиолатными лигандами. Доказательства существования альтернативного перферрил- железо(V)-оксо [9] отсутствуют. [12]
В зависимости от субстрата и фермента ферменты P450 могут катализировать любую из самых разнообразных реакций. Проиллюстрировано гипотетическое гидроксилирование. После того, как гидроксилированный продукт высвобождается из активного центра, фермент возвращается в исходное состояние, при этом молекула воды возвращается и занимает дистальную координационную позицию ядра железа.
Механизм отскока кислорода , используемый цитохромом P450 для превращения углеводородов в спирты под действием «соединения I», оксида железа (IV), связанного с катион-радикалом гема.
Альтернативный путь монооксигенации - через «перекисный шунт» (путь «S» на рисунке). Этот путь влечет за собой окисление комплекса железо-субстрат донорами атомов кислорода, такими как пероксиды и гипохлориты. [13] Гипотетический пероксид «XOOH» показан на схеме.
Детали механизма, включая механизм отскока кислорода , были исследованы с использованием синтетических аналогов, состоящих из оксогемовых комплексов железа. [14]
Спектроскопия
Связывание субстрата отражается на спектральных свойствах фермента с увеличением оптической плотности при 390 нм и уменьшением при 420 нм. Его можно измерить с помощью разностной спектроскопии, и он называется разностным спектром «типа I» (см. врезной график на рисунке). Некоторые субстраты вызывают противоположное изменение спектральных свойств, спектр «обратного типа I», посредством процессов, которые пока неясны. Ингибиторы и некоторые субстраты, которые непосредственно связываются с железом гема, вызывают разностный спектр типа II с максимумом при 430 нм и минимумом при 390 нм (см. врезной график на рисунке). Если восстанавливающие эквиваленты недоступны, этот комплекс может оставаться стабильным, что позволяет определить степень связывания на основе измерений поглощения in vitro [13]
C: Если оксид углерода (CO) связывается с восстановленным P450, каталитический цикл прерывается. Эта реакция дает классический разностный спектр CO с максимумом при 450 нм. Однако прерывающее и ингибирующее действие CO варьируется в зависимости от разных CYP, так что семейство CYP3A подвергается относительно меньшему воздействию. [15] [16]
Эстабрук Р.В. (декабрь 2003 г.). «Страсть к P450 (Воспоминания о ранней истории исследований цитохрома P450)». Метаболизм и распределение лекарств . 31 (12): 1461–1473. дои : 10.1124/dmd.31.12.1461. PMID 14625342. S2CID 43655270.
Рекомендации
^ ab «Цитохром P450». ИнтерПро .
^ Дэниэлсон П.Б. (декабрь 2002 г.). «Суперсемейство цитохрома P450: биохимия, эволюция и метаболизм лекарств у человека». Современный метаболизм лекарств . 3 (6): 561–597. дои : 10.2174/1389200023337054. ПМИД 12369887.
^ "Просмотр последовательностей NCBI" . Проверено 19 ноября 2007 г.
^ Нельсон Д.Р. (январь 2011 г.). «Прогресс в отслеживании путей эволюции цитохрома P450». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1814 (1): 14–18. дои : 10.1016/j.bbapap.2010.08.008. ПМИД 20736090.
^ Ханукоглу I (1996). «Белки-переносчики электронов систем цитохрома P450» (PDF) . Адв. Мол. Клеточная Биол . Достижения молекулярной и клеточной биологии. 14 :29–55. дои : 10.1016/S1569-2558(08)60339-2. ISBN978-0-7623-0113-3.
^ Туччи FJ, Розенцвейг AC (февраль 2024 г.). «Прямое окисление метана медь- и железозависимыми метанмонооксигеназами». Химические обзоры . 124 (3): 1288–1320. doi : 10.1021/acs.chemrev.3c00727. ПМЦ 10923174 . ПМИД 38305159.
^ [1] Архивировано 18 октября 2019 г. в консенсусном шаблоне PROSITE Wayback Machine для P450.
^ Аб Менье Б., де Виссер С.П., Шайк С. (сентябрь 2004 г.). «Механизм реакций окисления, катализируемых ферментами цитохрома p450». Химические обзоры . 104 (9): 3947–3980. дои : 10.1021/cr020443g. PMID 15352783. S2CID 33927145.
^ Пулос Т.Л., Финзель BC, Ховард AJ (июнь 1987 г.). «Кристаллическая структура цитохрома P450cam высокого разрешения». Журнал молекулярной биологии . 195 (3): 687–700. дои : 10.1016/0022-2836(87)90190-2. ПМИД 3656428.
^ Слайгар С.Г., Синти Д.Л., Гибсон Г.Г., Шенкман Дж.Б. (октябрь 1979 г.). «Контроль спинового состояния окислительно-восстановительного потенциала цитохрома P450 печени». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 90 (3): 925–932. дои : 10.1016/0006-291X(79)91916-8. ПМИД 228675.
^ ab Rittle J, Green MT (ноябрь 2010 г.). «Соединение I цитохрома P450: захват, характеристика и кинетика активации связи CH». Наука . 330 (6006): 933–937. Бибкод : 2010Sci...330..933R. дои : 10.1126/science.1193478. PMID 21071661. S2CID 206528205.
^ аб Ортис де Монтеллано PR (2005). Цитохром P450: структура, механизм и биохимия (3-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Kluwer Academic/Plenum. ISBN978-0-306-48324-0.
^ Хуан X, Groves JT (март 2018 г.). «Активация кислорода и радикальные превращения в гем-белках и металлопорфиринах». Химические обзоры . 118 (5): 2491–2553. doi : 10.1021/acs.chemrev.7b00373. ПМИД 29286645.
^ Хоппер CP, Замбрана ПН, Гебель Ю, Уолборн Дж (июнь 2021 г.). «Краткая история угарного газа и его терапевтического происхождения». Оксид азота . 111–112: 45–63. doi : 10.1016/j.niox.2021.04.001. PMID 33838343. S2CID 233205099.