Citohromi P450 ir enzīmu virsģimene, kas satur hēmu kā kofaktoru, kas galvenokārt, bet ne tikai, darbojas kā monooksigenāzes. Tomēr tie nav visuresoši; piemēram, Escherichia coli tie nav atrasti. Zīdītājiem šie fermenti oksidē steroīdus, taukskābes, ksenobiotikas un piedalās daudzās biosintēzēs. Ar hidroksilēšanu, CY

Citohromi P450 (P450s vai CYPs) ir enzīmu virsģimene, kas satur hēmu kā kofaktoru, kas galvenokārt, bet ne tikai, darbojas kā monooksigenāzes.[1] Tomēr tie nav visuresoši; piemēram, Escherichia coli tie nav atrasti.[2] Zīdītājiem šie fermenti oksidē steroīdus, taukskābes, ksenobiotikas un piedalās daudzās biosintēzēs.[1] Hidroksilējot, CYP450 enzīmi pārvērš ksenobiotikas par hidrofiliem atvasinājumiem, kas tiek vieglāk izvadīti.

P450 parasti ir terminālie oksidāzes enzīmi elektronu pārneses ķēdēs, ko plaši klasificē kā P450 saturošas sistēmas. Termins “P450” ir atvasināts no spektrofotometriskā maksimuma fermenta absorbcijas maksimuma viļņa garumā (450 nm), kad tas ir reducētā stāvoklī un ir kompleksā ar oglekļa monoksīdu. Lielākajai daļai P450 ir nepieciešams proteīna partneris, lai piegādātu vienu vai vairākus elektronus, lai samazinātu dzelzi (un galu galā molekulāro skābekli).

Visizplatītākā reakcija, ko katalizē citohromi P450, ir monooksigenāzes reakcija, piemēram, viena skābekļa atoma ievietošana organiskā substrāta (RH) alifātiskajā pozīcijā, bet otrs skābekļa atoms tiek reducēts par ūdeni:

Klasifikācija

Nomenklatūra

Gēni, kas kodē P450 enzīmus, un paši enzīmi ir apzīmēti ar virsdzimtas saknes simbolu CYP, kam seko cipars, kas norāda gēnu saimi, lielais burts, kas norāda apakšģimeni, un cits cipars atsevišķam gēnam. Atsaucoties uz gēnu, nosaukums ir jāraksta slīprakstā. Piemēram, CYP2E1 ir gēns, kas kodē enzīmu CYP2E1 — vienu no fermentiem, kas iesaistīti paracetamola (acetaminofēna) metabolismā. CYP nomenklatūra ir oficiālā nosaukumu piešķiršanas metode, lai gan reizēm CYP450 vai CYP450 tiek lietoti kā sinonīmi. Šos nosaukumus nekad nevajadzētu lietot saskaņā ar nomenklatūras konvenciju (jo tie apzīmē P450 saimes numurā 450). Tomēr daži P450 gēnu vai enzīmu nosaukumi tiek apzīmēti arī ar vēsturiskiem nosaukumiem (piemēram, P450BM3 CYP102A1) vai funkcionālajiem nosaukumiem, kas apzīmē katalītisko aktivitāti un savienojuma nosaukumu, ko izmanto kā substrātu. Piemēri: CYP5A1, tromboksāna A2 sintāze, saīsināta ar TBXAS1 (tromboksāna A2 sintāze 1), un CYP51A1, lanosterīna 14-α-demetilāze, dažkārt neoficiāli saīsināta kā [tā metilola substrāta aktivitāte (atbilstoši LDMoster])

Nomenklatūras vadlīnijas liecina, ka jauno CYP ģimeņu locekļiem ir vismaz 40% aminoskābju identitātes, savukārt apakšģimenes locekļiem ir jābūt vismaz 55% aminoskābju identitātei. Nomenklatūras komitejas piešķir un izseko gan bāzes gēnu nosaukumus (Cytochrome P450 Mājas lapa arhivēta 2010.06.27. vietnē Wayback Machine), gan alēļu nosaukumus (CYP alēļu nomenklatūras komiteja).[4][5] Šīs uz līdzību balstītās grupas bieži tiek atgūtas filoģenētiskajā analīzē, un dalībniekiem parasti ir kopīgas iezīmes to katalītiskajās darbībās. Dažreiz ieteiktie līdzības sliekšņi precīzi neatbilst tam, ko parāda filoģenētiskie modeļi (piemēram, jauns loceklis, kas ir tuvu ģimenei, bet tikai 39% ir identisks), izraisot tā saukto "ģimenes slieksni", jo līdzības slieksnis tiek samazināts, vai ik pa laikam ģimeņu sadalīšanos.[6]

Pastāv universāla nomenklatūra P450 ģimenes numuru piešķiršanai visās taksonomiskajās grupās:[7]

    • CYP440–446: rezervēts CYP74 klana locekļiem, kas atrasti dzīvniekos
    • CYP6001–CYP6099: P450 sēnīšu saplūšana ar citiem enzīmiem, piem. dioksigenāzes vai peroksigenāzes vai izomerāzes.
  • CYP71–99, CYP701–CYP999, ...: augi (Archaeplastida)
  • CYP101–299, ... Baktērijas

Taksonomisko grupu bloki ir definēti CYP1001–CYP69999, izstiepjot CYP101–999 definētos taksonomiskos blokus. Piemēram, CYP3001–4999 un CYP30001–CYP49999 ir piešķirti dzīvniekiem. Šajās grupās noteiktās atrunas nav izstieptas.[7] Ir pieejamas vairākas datu bāzes, lai izsekotu definētus P450 ģimenes numurus, apakšģimenes burtus un ortoloģisko grupu numurus, lai ne tikai nebūtu neskaidrības par to, ko nozīmē katras ģimenes-apakšģimenes prefikss [9], bet arī lai identiski nosaukti gēni dažādās sugās būtu ortoloģiski viens otram. No 2026. gada aprīļa [atjauninājums] vispilnīgākā datubāze ir P450 Atlas (versija 1.3.0), kas aptver 11068 ģimenes, 26037 apakšģimenes, 79577 ortologu grupas un 164068 ortologu grupu piemēru secības.[10]

Salīdzinot daudzus dažādu ģimeņu P450 enzīmus, rodas klanu jēdziens, ģimeņu evolucionārs grupējums. Precīza līdzības robežvērtība ir vāji definēta, taču parasti tiek saprasts, ka tai vajadzētu iegūt no dažiem filoģenētiskā koka pirmajiem atšķirīgajiem mezgliem.[11] Dažiem klaniem ir tikai viena ģimene, savukārt citi ir ļoti daudzveidīgi ar daudzām ģimenēm (piemēram, CYP71 klans un CYP85 klans). Izsekojot klanu un ģimeņu rašanos daudzās taksonomiskajās grupās, var iegūt spilgtu priekšstatu par vielmaiņas spēju attīstību.[6][12]

Ar elektronu pārneses sistēmu

Pamatojoties uz elektronu pārneses proteīnu raksturu, P450 var iedalīt vairākās grupās:

    • Mikrosomālās P450 sistēmas, kurās elektroni tiek pārnesti no NADPH, izmantojot CPR (dažādi CPR, POR vai CYPOR).
    • Atrodas arī baktērijās, piemēram, P450meg (CYP106A2) no Bacillus megaterium.[13]
    • Mitohondriju P450 sistēmas, kas izmanto adrenodoksīna reduktāzi un adrenodoksīnu (ferrodoksīnu), lai pārnestu elektronus no NADPH uz P450.
    • FMN/Fd/P450 sistēmas: sākotnēji atrastas Rhodococcus sugās, kurās FMN domēnu saturoša reduktāze ir sapludināta ar CYP.
  • CYB5R/cyb5/P450 sistēmas, kurās abi CYP nepieciešamie elektroni nāk no citohroma b5, ko savukārt samazina citohroma b5 reduktāze (CYB5R).
  • Tikai P450 sistēma, kurai nav nepieciešama ārēja samazināšanas jauda. Nozīmīgākās ir tromboksāna sintāze (CYP5), prostaciklīna sintāze (CYP8) un CYP74A (alēna oksīda sintāze).

Mehānisms

Struktūra

Citohroma P450 aktīvā vieta satur heme-dzelzs centru. Dzelzs ir piesaistīts proteīnam caur cisteīna tiolāta ligandu. Šis cisteīns un vairāki blakus esošie atlikumi ir ļoti konservēti zināmos P450, un tam ir formāls PROSITE paraksta vienprātības modelis [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD].[14] Kopumā P450 katalītiskais cikls notiek šādi:

Katalītiskais cikls

  1. Substrāts saistās hema grupas tuvumā, aksiālajam tiolātam pretējā pusē. Substrāta saistīšanās izraisa izmaiņas aktīvās vietas konformācijā, bieži izspiežot ūdens molekulu no hēma dzelzs distālās aksiālās koordinācijas pozīcijas[15] un mainot hēma dzelzs stāvokli no zema spina uz augstu spinu.[16]
  2. Substrāta saistīšanās inducē elektronu pārnesi no NAD(P)H caur citohroma P450 reduktāzi vai citu saistītu reduktāzi[17], pārvēršot Fe(III) par Fe(II).
  3. Molekulārais skābeklis saistās ar iegūto dzelzs hēma centru distālās aksiālās koordinācijas pozīcijā, sākotnēji veidojot oksi-mioglobīnam līdzīgu dioksīda adduktu.
  4. Otrs elektrons tiek pārnests no citohroma P450 reduktāzes, ferredoksīniem vai citohroma b5, samazinot Fe-O2 aduktu, lai iegūtu īslaicīgu perokso stāvokli.
  5. 4. solī izveidotā peroksogrupa tiek ātri protonēta divas reizes, atbrīvojot vienu ūdens molekulu un veidojot ļoti reaktīvas sugas, kas apzīmētas kā P450 savienojums 1 (vai tikai savienojums I). Šis ļoti reaģējošais starpprodukts tika izolēts 2010. gadā,[18] P450 1. savienojums ir dzelzs (IV) okso (vai ferila) suga ar papildu oksidēšanas ekvivalentu, kas delokalizēts virs porfirīna un tiolāta ligandiem. Trūkst pierādījumu par alternatīvu perferildzelzs(V)-okso[15].[18]

Atkarībā no iesaistītā substrāta un enzīma, P450 enzīmi var katalizēt jebkuru no dažādām reakcijām. Ir ilustrēta hipotētiskā hidroksilēšana. Pēc tam, kad hidroksilētais produkts ir atbrīvots no aktīvās vietas, ferments atgriežas sākotnējā stāvoklī, ūdens molekulai atgriežoties, lai ieņemtu dzelzs kodola distālo koordinācijas pozīciju.

Alternatīvs monooksigenācijas ceļš ir "peroksīda šunts" (ceļš "S" attēlā). Šis ceļš ietver dzelzs-substrāta kompleksa oksidēšanu ar skābekļa atomu donoriem, piemēram, peroksīdiem un hipohlorītiem.[19] Diagrammā ir parādīts hipotētisks peroksīds "XOOH".

Mehāniskās detaļas, tostarp skābekļa atsitiena mehānisms, ir pētītas ar sintētiskiem analogiem, kas sastāv no dzelzs oksohēma kompleksiem.[20]