stringtranslate.com

Цитохром P450

Цитохромы P450 ( P450s или CYPs ) 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 были 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.

P450, в общем, являются терминальными оксидазными ферментами в цепях переноса электронов , в целом классифицируемыми как системы, содержащие P450 . Термин «P450» происходит от спектрофотометрического пика на длине волны максимума поглощения фермента (450  нм ), когда он находится в восстановленном состоянии и образует комплекс с оксидом углерода . Большинству P450 требуется партнер-белок для доставки одного или нескольких электронов для восстановления железа (и в конечном итоге молекулярного кислорода ).

Номенклатура

Гены, кодирующие ферменты P450, и сами ферменты обозначаются корневым символом CYP для суперсемейства , за которым следует число, указывающее семейство генов , заглавная буква, указывающая подсемейство, и еще одна цифра для отдельного гена. Принято выделять название курсивом при ссылке на ген. Например, CYP2E1 — это ген, кодирующий фермент CYP2E1 — один из ферментов, участвующих в метаболизме парацетамола (ацетаминофена). Номенклатура CYP является официальным соглашением об именовании, хотя иногда CYP450 или CYP 450 используются как синонимы. Эти названия никогда не следует использовать в соответствии с соглашением о номенклатуре (так как они обозначают P450 в семействе номер 450). Однако некоторые названия генов или ферментов для P450 также ссылаются на исторические названия (например, P450 BM3 для CYP102A1) или функциональные названия, обозначающие каталитическую активность и название соединения, используемого в качестве субстрата. Примерами являются CYP5A1 , тромбоксан А 2 синтаза , сокращенно TBXAS1 ( Throm B o X ane A 2 S ynthase 1 ), и CYP51A1 , ланостерол 14-α-деметилаза, иногда неофициально сокращенно LDM в соответствии с его субстратом ( L anosterol) и активностью ( D e M ethylation). [3]

Текущие руководящие принципы номенклатуры предполагают, что члены новых семейств CYP разделяют по крайней мере 40% аминокислотной идентичности, в то время как члены подсемейств должны разделять по крайней мере 55% аминокислотной идентичности. Номенклатурные комитеты назначают и отслеживают как базовые названия генов (Cytochrome P450 Homepage Archived 2010-06-27 at the Wayback Machine ), так и названия аллелей (CYP Allele Nomenclature Committee). [4] [5]

Классификация

На основании природы белков переноса электронов P450 можно разделить на несколько групп: [6]

Микросомальные системы P450
в котором электроны переносятся от НАДФН через цитохром P450 редуктазу (по-разному CPR, POR или CYPOR). Цитохром b 5 (cyb 5 ) также может вносить восстановительный вклад в эту систему после восстановления цитохромом b 5 редуктазой (CYB 5 R).
Митохондриальные системы P450
которые используют адренодоксинредуктазу и адренодоксин для переноса электронов от НАДФН к Р450.
Бактериальные системы P450
которые используют ферредоксинредуктазу и ферредоксин для переноса электронов на P450.
Системы CYB 5 R/cyb 5 /P450
в котором оба электрона, необходимые CYP, поступают из цитохрома b 5 .
Системы FMN/Fd/P450
Первоначально обнаружен у видов Rhodococcus , в которых редуктаза , содержащая домен FMN , слита с CYP.
P450 только системы
которые не требуют внешней восстанавливающей силы. Известные из них включают тромбоксансинтазу (CYP5), простациклинсинтазу (CYP8) и CYP74A (алленоксидсинтаза).

Наиболее распространенной реакцией, катализируемой цитохромами P450, является монооксигеназная реакция, например, внедрение одного атома кислорода в алифатическое положение органического субстрата (RH), в то время как другой атом кислорода восстанавливается до воды:

RH + O 2 + НАДФН + H + → ROH + H 2 O + НАДФ +

Родственные ферменты гидроксилирования

Многие реакции гидроксилирования (введение гидроксильных групп) используют ферменты CYP, но существует много других гидроксилаз. Альфа-кетоглутарат-зависимые гидроксилазы также полагаются на промежуточное соединение Fe=O, но не имеют гемов. Метанмонооксигеназа, которая превращает метан в метанол, является негемовым железо- и железо-медным ферментом. [7]

Механизм

Каталитический цикл P450
«Промежуточное соединение Fe(V)» в левом нижнем углу является упрощением: это Fe(IV) с радикальным гемовым лигандом .

Структура

Активный сайт цитохрома P450 содержит центр гем-железо. Железо связано с белком через тиолатный лиганд цистеина . Этот цистеин и несколько фланкирующих остатков высококонсервативны в известных P450 и имеют формальный консенсусный шаблон сигнатуры PROSITE [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD]. [8] В целом, каталитический цикл P450 протекает следующим образом:

Каталитический цикл

  1. Субстрат связывается в непосредственной близости от гемовой группы , на стороне, противоположной аксиальному тиолату. Связывание субстрата вызывает изменение конформации активного центра, часто вытесняя молекулу воды из дистального аксиального координационного положения гемового железа, [9] и изменяя состояние гемового железа с низкоспинового на высокоспиновое. [10]
  2. Связывание субстрата вызывает перенос электронов от НАД(Ф)Н через цитохром P450 редуктазу или другую связанную редуктазу , [11] превращая Fe(III) в Fe(II).
  3. Молекулярный кислород связывается с образовавшимся железистым гемовым центром в дистальном аксиальном координационном положении, первоначально образуя дикислородный аддукт, аналогичный оксимиоглобину.
  4. Второй электрон переносится либо от цитохрома P450-редуктазы , либо от ферредоксинов , либо от цитохрома b5 , восстанавливая аддукт Fe-O2 с образованием кратковременного пероксо-состояния.
  5. Пероксогруппа, образованная на этапе 4, быстро протонируется дважды, высвобождая одну молекулу воды и образуя высокореакционноспособные виды, называемые P450 Compound 1 (или просто Compound I). Этот высокореакционноспособный промежуточный продукт был выделен в 2010 году [12] P450 Compound 1 представляет собой оксо (или феррил ) железо(IV) с дополнительным окислительным эквивалентом, делокализованным по порфириновым и тиолатным лигандам. Доказательства альтернативного перферрила железа(V)-оксо [9] отсутствуют. [12]
  6. В зависимости от субстрата и фермента, участвующего в реакции, ферменты P450 могут катализировать любую из множества реакций. Проиллюстрировано гипотетическое гидроксилирование. После того, как гидроксилированный продукт высвобождается из активного центра, фермент возвращается в исходное состояние, при этом молекула воды возвращается, чтобы занять дистальное координационное положение ядра железа.
Механизм отскока кислорода, используемый цитохромом P450 для превращения углеводородов в спирты посредством действия «соединения I», оксида железа (IV), связанного с катион-радикалом гема.
  1. Альтернативный путь монооксигенации — через «пероксидный шунт» (путь «S» на рисунке). Этот путь подразумевает окисление комплекса субстрата железа с донорами атомов кислорода, такими как пероксиды и гипохлориты. [13] Гипотетический пероксид «XOOH» показан на схеме.

Механистические детали, включая механизм отскока кислорода , были исследованы с использованием синтетических аналогов, состоящих из комплексов железа и оксогема. [14]

Спектроскопия

Связывание субстрата отражается в спектральных свойствах фермента с увеличением поглощения при 390 нм и уменьшением при 420 нм. Это можно измерить с помощью дифференциальной спектроскопии и это называется дифференциальным спектром «типа I» (см. вложенный график на рисунке). Некоторые субстраты вызывают противоположное изменение спектральных свойств, спектр «обратного типа I», с помощью процессов, которые пока неясны. Ингибиторы и некоторые субстраты, которые связываются непосредственно с железом гема, приводят к дифференциальному спектру типа II с максимумом при 430 нм и минимумом при 390 нм (см. вложенный график на рисунке). Если восстанавливающие эквиваленты недоступны, этот комплекс может оставаться стабильным, что позволяет определить степень связывания из измерений поглощения in vitro [13] C: Если оксид углерода (CO) связывается с восстановленным P450, каталитический цикл прерывается. Эта реакция дает классический дифференциальный спектр CO с максимумом при 450 нм. Однако прерывающее и ингибирующее действие CO различается в зависимости от различных CYP, так что семейство CYP3A затронуто относительно меньше. [15] [16]

Смотрите также

Дальнейшее чтение

Ссылки

  1. ^ ab "Цитохром P450". InterPro .
  2. ^ Danielson PB (декабрь 2002 г.). «Суперсемейство цитохрома P450: биохимия, эволюция и метаболизм лекарств у людей». Current Drug Metabolism . 3 (6): 561–597. doi :10.2174/1389200023337054. PMID  12369887.
  3. ^ "Просмотрщик последовательностей NCBI" . Получено 2007-11-19 .
  4. ^ Nelson DR (октябрь 2009 г.). "The cytochrome p450 homepage". Human Genomics . 4 (1): 59–65. doi : 10.1186/1479-7364-4-1-59 . PMC 3500189 . PMID  19951895. 
  5. ^ Nelson DR (январь 2011 г.). «Прогресс в отслеживании эволюционных путей цитохрома P450». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1814 (1): 14–18. doi :10.1016/j.bbapap.2010.08.008. PMID  20736090.
  6. ^ Ханукоглу I (1996). "Электрон-транспортные белки систем цитохрома P450" (PDF) . Adv. Mol. Cell Biol . Достижения в молекулярной и клеточной биологии. 14 : 29–55. doi :10.1016/S1569-2558(08)60339-2. ISBN 978-0-7623-0113-3.
  7. ^ Tucci FJ, Rosenzweig AC (февраль 2024 г.). «Прямое окисление метана зависимыми от меди и железа метанмонооксигеназами». Chemical Reviews . 124 (3): 1288–1320. doi :10.1021/acs.chemrev.3c00727. PMC 10923174 . PMID  38305159. 
  8. ^ [1] Архивировано 18 октября 2019 г. на Wayback Machine Консенсусная модель PROSITE для P450
  9. ^ ab Meunier B, de Visser SP, Shaik S (сентябрь 2004 г.). «Механизм окислительных реакций, катализируемых ферментами цитохрома p450». Chemical Reviews . 104 (9): 3947–3980. doi :10.1021/cr020443g. PMID  15352783. S2CID  33927145.
  10. ^ Poulos TL, Finzel BC, Howard AJ (июнь 1987). «Высокоразрешающая кристаллическая структура цитохрома P450cam». Журнал молекулярной биологии . 195 (3): 687–700. doi :10.1016/0022-2836(87)90190-2. PMID  3656428.
  11. ^ Sligar SG, Cinti DL, Gibson GG, Schenkman JB (октябрь 1979). «Контроль спинового состояния окислительно-восстановительного потенциала цитохрома P450 печени». Biochemical and Biophysical Research Communications . 90 (3): 925–932. doi :10.1016/0006-291X(79)91916-8. PMID  228675.
  12. ^ ab Rittle J, Green MT (ноябрь 2010 г.). «Cytochrome P450 Compound I: Capture, Characterization, and CH Bond Activation Kinetics». Science . 330 (6006): 933–937. Bibcode :2010Sci...330..933R. doi :10.1126/science.1193478. PMID  21071661. S2CID  206528205.
  13. ^ ab Ortiz de Montellano PR (2005). Цитохром P450: структура, механизм и биохимия (3-е изд.). Нью-Йорк: Kluwer Academic/Plenum Publishers. ISBN 978-0-306-48324-0.
  14. ^ Хуан X, Гроувс JT (март 2018 г.). «Активация кислорода и радикальные превращения в гемовых белках и металлопорфиринах». Chemical Reviews . 118 (5): 2491–2553. doi :10.1021/acs.chemrev.7b00373. PMC 5855008 . PMID  29286645. 
  15. ^ Hopper CP, Zambrana PN, Goebel U, Wollborn J (июнь 2021 г.). «Краткая история оксида углерода и его терапевтического происхождения». Оксид азота . 111–112: 45–63. doi :10.1016/j.niox.2021.04.001. PMID  33838343. S2CID  233205099.
  16. ^ Smith AT, Pazicni S, Marvin KA, Stevens DJ, Paulsen KM, Burstyn JN (апрель 2015 г.). «Функциональное расхождение гем-тиолятных белков: классификация на основе спектроскопических атрибутов». Chemical Reviews . 115 (7): 2532–2558. doi :10.1021/cr500056m. PMID  25763468.