Цитохром P450 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Структура ланостерин 14α-деметилазы (CYP51 ) | |||||||||
Идентификаторы | |||||||||
Symbol | p450 | ||||||||
Pfam | PF00067 | ||||||||
InterPro | IPR001128 | ||||||||
PROSITE | PDOC00081 | ||||||||
SCOPe | 2cpp / SUPFAM | ||||||||
суперсемейство OPM | 39 | ||||||||
белок OPM | 2bdm | ||||||||
Мембранома | 265 | ||||||||
|
Цитохромы P450 (CYPs ) являются суперсемейство из ферментов, содержащих гем в качестве кофактора, которые функционируют как монооксигеназы. У млекопитающих эти белки окисляют стероиды, жирные кислоты и ксенобиотики, и они важны для очистки различных соединений, а также для синтеза и распада гормонов. У растений, эти белки важны для биосинтеза защитных соединений, жирных кислот и гормонов.
Ферменты CYP были идентифицированы во всех царствах жизни: животных, растений, грибов, простейших, бактерий и архей, а также в вирусах. Однако они не вездесущи; например, они не были обнаружены в Escherichia coli. По состоянию на 2018 год известно более 300000 различных белков CYP.
CYP, как правило, являются концевыми оксидазными ферментами в цепях переноса электрона, широко классифицируемых как Системы, содержащие P450. Термин «P450» происходит от спектрофотометрического пика на длине волны от максимума поглощения фермента (450 нм ), когда он находится в восстановленном состоянии и образует комплекс с монооксидом углерода. Большинству CYP требуется, чтобы белок-партнер доставил один или несколько электронов для восстановления железа (и, в конечном итоге, молекулярного кислорода ).
Гены, кодирующие ферменты CYP, и сами ферменты обозначены корневым символом CYP для суперсемейства, за которым следует число, обозначающее семейство генов, заглавная буква, указывающая подсемейство, и другая цифра для отдельного гена. Принято выделить имя 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 именах, хотя иногда CYP450 или CYP450используется как синоним. Однако названия некоторых генов или ферментов для CYP могут отличаться от этой номенклатуры, указывая на каталитическую активность и название соединения, используемого в качестве субстрата. Примеры включают CYP5A1, тромбоксан A2синтазу, сокращенно TBXAS1 (Throm BoXane A2Synthase 1 ) и CYP51A1, ланостерин 14-α-деметилаза, иногда неофициально сокращенно LDM в соответствии с его субстратом (L аностерин) и активностью (DeMэтилирование).
Текущие рекомендации по номенклатуре предполагают, что члены новых семейств CYP имеют по крайней мере 40% идентичности аминокислот, тогда как члены подсемейств должны иметь по крайней мере 55% идентичности аминокислот. Существуют номенклатурные комитеты, которые присваивают и отслеживают как названия основных генов (Домашняя страница Cytochrome P450 ), так и названия аллелей (Комитет по номенклатуре CYP Allele ).
В зависимости от природы белков, переносящих электрон, CYP можно разделить на несколько групп:
Наиболее распространенной реакцией, катализируемой цитохромами P450, является монооксигеназа реакции, например, внедрение одного атома кислорода в алифатическое положение органического субстрата (RH), в то время как другой атом кислорода восстанавливается до воды:
RH + O 2 + NADPH + H → ROH + H 2 O + NADP
Многие реакции гидроксилирования (внедрение гидроксильных групп) используют ферменты CYP.
Активный центр цитохрома P450 содержит гем -железный центр. Железо связано с белком через лиганд цистеина тиолат . Этот цистеин и несколько фланкирующих остатков являются высококонсервативными в известных CYP и имеют формальный шаблон консенсуса сигнатуры PROSITE [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P } - C - [LIVMFAP] - [GAD]. Из-за огромного разнообразия реакций, катализируемых CYP, активность и свойства многих CYP различаются во многих аспектах. В общем, каталитический цикл P450 протекает следующим образом:
Связывание субстрата отражается на спектральных свойствах фермента с увеличением поглощения при 390 нм и уменьшением при 420 нм. Это можно измерить с помощью разностной спектроскопии и называется разностным спектром «типа I» (см. График на вставке на рисунке). Некоторые подложки вызывают противоположное изменение спектральных свойств, спектр «обратного типа I», в результате процессов, которые пока не ясны. Ингибиторы и некоторые субстраты, которые связываются непосредственно с гемовым железом, вызывают разностный спектр типа II с максимумом при 430 нм и минимумом при 390 нм (см. График на вставке на рисунке). Если восстановительные эквиваленты недоступны, этот комплекс может оставаться стабильным, что позволяет определить степень связывания на основе измерений оптической плотности in vitro C. Если окись углерода (CO) связывается с восстановленным P450, каталитический цикл прерывается. Эта реакция дает классический разностный спектр CO с максимумом при 450 нм.
CYP человека - это в первую очередь связанные с мембраной белки, расположенные либо во внутренней мембране митохондрий, либо в эндоплазматическом ретикулуме клеток. CYP метаболизируют тысячи эндогенных и экзогенных химических веществ. Некоторые CYP метаболизируют только один (или очень мало) субстратов, например CYP19 (ароматаза ), в то время как другие могут метаболизировать несколько субстратов. Обе эти характеристики определяют их центральное значение в медицине. Ферменты цитохрома P450 присутствуют в большинстве тканей организма и играют важную роль в синтезе и распаде гормона (включая синтез и метаболизм эстрогена и тестостерона ), синтез холестерина и метаболизм витамина D. Ферменты цитохрома P450 также участвуют в метаболизме потенциально токсичных соединений, включая лекарства и продукты эндогенного метаболизма, такие как билирубин, в основном в печени.
Геном человека В рамках проекта было идентифицировано 57 генов человека, кодирующих различные ферменты цитохрома P450.
CYP являются основными ферментами, участвующими в метаболизм наркотиков, что составляет около 75% от общего метаболизма. Большинство лекарств дезактивируются CYP либо напрямую, либо за счет облегченного выведения из организма. Кроме того, многие вещества биоактивированы с помощью CYP с образованием своих активных соединений, таких как антиагрегантное лекарство клопидогрель.
Многие препараты могут увеличивать или уменьшать активность различных изоферментов CYP либо путем индукции биосинтеза изофермента (индукция фермента ), либо путем прямого ингибирования активности CYP (ингибирование фермента ). Классический пример включает противоэпилептические препараты, такие как фенитоин, который индуцирует CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, и CYP3A4.
Влияние на активность изофермента CYP является основным источником неблагоприятных лекарственных взаимодействий, поскольку изменения в активности фермента CYP могут влиять на метаболизм и клиренс различных наркотиков. Например, если один препарат подавляет метаболизм другого препарата, опосредованный CYP, второе лекарство может накапливаться в организме до токсичных уровней. Следовательно, эти лекарственные взаимодействия могут потребовать корректировки дозировки или выбора лекарств, которые не взаимодействуют с системой CYP. Такие лекарственные взаимодействия особенно важно учитывать при использовании жизненно важных для пациента лекарств, лекарств со значительными побочными эффектами или лекарств с узким терапевтическим индексом, но любое лекарство может быть при изменении концентрации в плазме из-за изменения метаболизма лекарственного средства.
Многие субстраты для CYP3A4 представляют собой препараты с узким терапевтическим индексом, такие как амиодарон или карбамазепин. Поскольку эти препараты метаболизируются CYP3A4, средние уровни этих препаратов в плазме могут увеличиваться из-за ингибирования ферментов или уменьшаться из-за индукции ферментов.
Встречающиеся в природе соединения могут также индуцировать или ингибировать активность CYP. Например, биоактивные соединения, обнаруженные в грейпфрутовом соке и некоторых других фруктовых соках, включая бергамоттин, дигидроксибергамоттин и, как было обнаружено, подавляют опосредованный CYP3A4 метаболизм некоторых лекарств, что приводит к повышенной биодоступности и, таким образом, к высокой вероятности передозировки. Из-за этого риска обычно рекомендуется полностью избегать грейпфрутового сока и свежих грейпфрутов во время приема наркотиков.
Другие примеры:
Подгруппа ферментов цитохрома P450 играет важную роль в синтезе стероидных гормонов (стероидогенез ) надпочечниками, гонады и периферическая ткань:
Определенные ферменты цитохрома P450 имеют решающее значение для метаболизма полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) в биологически активные межклеточные клеточные сигналы молекул (эйкозаноидов ) и / или метаболизируют биологически активные метаболиты ПНЖК до менее активных или неактивных продуктов. Эти CYP обладают ферментативной активностью омега-гидроксилазы цитохрома P450 и / или эпоксигеназы.
У людей 57 генов и более 59 псевдогенов разделены на 18 семейств генов цитохрома P450 и 43 подсемейства. Это сводка генов и белков, которые они кодируют. Для получения подробной информации см. Домашнюю страницу Комитета по номенклатуре цитохрома P450.
Семейство | Функция | Члены | Гены | псевдогены |
CYP1 | лекарство и стероид (особенно эстроген ) метаболизм, бензо [a] пирен отравление (образование (+) - бензо [a] пирен-7,8-дигидродиол-9,10-эпоксид ) | 3 подсемейства, 3 гены, 1 псевдоген | CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1 | |
CYP2 | лекарство и стероид метаболизм | 13 подсемейств, 16 генов, 16 псевдогенов | CYP2A6, CYP2A7, CYP2A13, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C18, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP2F1, CYP2J2, CYP2R1, CYP2S1, CYP2U1, CYP2W1 | Слишком много, чтобы перечислить |
препарат CYP3 | и стероид (включая тестостерон ) метаболизм | 1 подсемейство, 4 гена, 4 псевдогена | CYP3A4, CYP3A5, CYP3A7, CYP3A43 | CYP3A51P, CYP3A52P, CYP3A54P, CYP3A137P |
CYP4 | арахидоновая кислота или метаболизм жирных кислот | 6 подсемейств, 12 генов, 10 псевдогенов | CYP4A11, CYP4A22, CYP4B1, CYP4F2, CYP4F3, CYP4F8, CYP4F11, CYP4F12, CYP4F22, CYP4V2, CYP4X1, CYP4Z1 | Слишком много для перечисления |
CYP5 | тромбоксан A2синтаза | 1 подсемейство, 1 ген | CYP5A1 | |
CYP7 | желчная кислота биосинтез 7-альфа-гидроксилазы стероидного ядра | 2 подсемейства, 2 гена | CYP7A1, CYP7B1 | |
CYP8 | различных | 2 подсемейства, 2 гена | CYP8A1 (простациклин синтаза), CYP8B1 (биосинтез желчных кислот) | |
CYP11 | стероид биосинтез | 2 подсемейства, 3 гена | CYP11A1, CYP11B1, CYP11B2 | |
CYP17 | стероид биосинтез, 17-альфа-гидроксилаза | 1 подсемейство, 1 ген | CYP17A1 | |
CYP19 | s биосинтез тероида : ароматаза синтезирует эстроген | 1 подсемейство, 1 ген | CYP19A1 | |
CYP20 | неизвестная функция | 1 подсемейство, 1 ген | CYP20A1 | |
CYP21 | стероид биосинтез | 1 подсемейство, 1 ген, 1 псевдоген | CYP21A2 | |
CYP24 | витамин D деградация | 1 подсемейство, 1 ген | CYP24A1 | |
CYP26 | ретиноевая кислота гидроксилаза | 3 подсемейства, 3 гена | CYP26A1, CYP26B1, CYP26C1 | |
CYP27 | варьировал | 3 подсемейства, 3 гена | CYP27A1 (желчная кислота биосинтез), CYP27B1 (витамин D 3 1-альфа-гидроксилаза, активирует витамин D 3), CYP27C1 (функция неизвестна) | |
CYP39 | 7-альфа-гидроксилирование 24-гидроксихолестерина | 1 подсемейство, 1 ген | CYP39A1 | |
CYP46 | холестерин 24-гидроксилаза | 1 подсемейство, 1 ген, 1 псевдоген | CYP46A1 | CYP46A4P |
CYP51 | холестерин биосинтез | 1 подсемейство, 1 ген, 3 pseudogenes | CYP51A1 (ланостерин 14-альфа-деметилаза) | CYP51P1, CYP51P2, CYP51P3 |
Многие животные имеют столько же или больше генов CYP, чем люди. Сообщаемое количество варьируется от 35 генов у губки Amphimedon queenslandica до 235 генов у цефалохордовых Branchiostoma floridae. Мыши имеют гены для 101 CYPs, а море ежи имеют даже больше (возможно, целых 120 генов). Предполагается, что большинство ферментов CYP обладают монооксигеназной активностью, как и в случае большинства исследованных CYP млекопитающих (за исключением, например, CYP19 и CYP5 ). Секвенирование генов и геномов намного превосходит биохимические характеристики ферментативной функции, хотя многие гены с близкой гомологией к CYP с известной функцией были найдено, что дает представление об их функциональности.
Классы CYP, которые наиболее часто исследуются у животных, кроме человека, - это те, которые участвуют в развитии (например, метаболизм ретиноевой кислоты или гормона ) или участвуют в метаболизме токсичных соединений (таких как гетероциклические амины или полиароматические углеводороды ). Часто существуют различия в регуляции гена или CYP у родственных животных, которые объясняют наблюдаемые различия в восприимчивости к токсичным соединениям (например, неспособность собак метаболизировать ксантины, такие как кофеин). Некоторые лекарства метаболизируются у обоих видов с помощью разных ферментов, в результате чего образуются разные метаболиты, в то время как другие лекарства метаболизируются у одного вида, но выводятся в неизменном виде у другого вида. По этой причине реакция одного вида на вещество не является надежным показателем воздействия вещества на человека. Вид дрозофилы Sonoran Desert, который использует повышенную экспрессию гена CYP28A1 для детоксикации кактусовой гнили, - это Drosophila mettleri. Мухи этого вида адаптировали повышенную регуляцию этого гена из-за воздействия высоких уровней алкалоидов на растения-хозяева.
CYP были тщательно исследованы на мышах, крысах, собаках и в меньшей степени у рыбок данио, чтобы для облегчения использования этих модельных организмов в открытии лекарств и токсикологии. Недавно CYP были обнаружены у видов птиц, в частности у индеек, которые могут оказаться полезной моделью для исследования рака у людей. а у индеек они были очень похожи на человеческие CYP1A2 и CYP3A4 соответственно с точки зрения их кинетических свойств, а также метаболизма афлатоксина B1.
CYP также были тщательно изучены у насекомых, часто для понимания устойчивости к пестицидам. Например, CYP6G1 связан с устойчивостью к инсектицидам у ДДТ -резистентного Drosophila melanogaster и у комаров малярии переносчика Anopheles gambiae. способен непосредственно метаболизировать пиретроиды.
микробные цитохромы P450 часто являются растворимыми ферментами и участвуют в различных метаболических процессах. Распределение P450 в бактериях очень вариабельно: многие бактерии не имеют идентифицированных P450 (например, кишечная палочка). Некоторые бактерии, преимущественно актиномицеты, имеют многочисленные P450 (например,). Выявленные до сих пор вещества обычно участвуют либо в биотрансформации ксенобиотических соединений (например, CYP105A1 из Streptomyces griseolus метаболизирует гербициды сульфонилмочевины до менее токсичных производных), либо являются частью специализированных путей биосинтеза метаболитов (например CYP170B1 катализирует выработку сесквитерпеноида альбафлавенона в Streptomyces albus ). Хотя еще не было показано, что P450 является важным для микроба, семейство CYP105 является высококонсервативным с представителем в каждом геноме стрептомицетов, секвенированных на данный момент. Из-за растворимости бактериальных ферментов P450 обычно считается, что с ними легче работать, чем с преимущественно мембраносвязанными эукариотическими ферментами P450. Это, в сочетании с замечательной химией, которую они катализируют, привело к множеству исследований с использованием гетерологически экспрессируемых белков in vitro. В нескольких исследованиях изучалось, что делают P450 in vivo, каков природный субстрат (ы) и как P450 вносят вклад в выживание бактерий в естественной среде. Здесь перечислены три примера, которые внесли значительный вклад в структурные и механистические исследования, но много разных семьи существуют.
Обычно используемый азол <281 Противогрибковые препараты этого класса действуют путем ингибирования грибковой цитохрома P450 14α-деметилазы. Это прерывает превращение ланостерола в эргостерин, компонент клеточной мембраны грибов. (Это полезно только потому, что человеческий P450 имеет другую чувствительность; именно так работает этот класс противогрибковых.)
В настоящее время ведутся серьезные исследования грибковых P450, так как ряд грибов патогенные для человека (такие как Candida дрожжи и Aspergillus ) и для растений.
Cunninghamella elegans является кандидатом для использования в качестве модели метаболизма лекарств у млекопитающих.
Цитохромы Р450 растений участвуют в широком спектре биосинтетических реакций и нацелены на широкий круг биомолекул. Эти реакции приводят к получению различных конъюгатов жирных кислот, гормонов растений, вторичных метаболитов, лигнинов и различных защитных соединений. Аннотации генома растений предполагают, что гены цитохрома P450 составляют до 1% генов растений. Количество и разнообразие генов P450 отчасти является причиной множества биоактивных соединений.
Ароматическая O-деметилаза цитохрома P450, которая состоит из двух различных беспорядочных частей: белка цитохрома P450 (GcoA) и трехдоменная редуктаза важна из-за ее способности превращать лигнин, ароматический биополимер, распространенный в стенках растительных клеток, в возобновляемые углеродные цепи в катаболическом наборе реакций. Короче говоря, он способствует важному этапу превращения лигнина.
Замечательная реакционная способность и субстратная неразборчивость P450 уже давно привлекают внимание химиков. Недавний прогресс в реализации потенциала использования P450 для сложных процессов окисления включал: (i) устранение необходимости в естественных кофакторах путем замены их недорогими молекулами, содержащими пероксид, (ii) изучение совместимости P450 с органическими растворителями и (iii)) использование небольших нехиральных вспомогательных веществ для предсказуемого управления окислением P450.
Clozapine, imipramine, paracetamol, phenacetin Heterocyclic aryl amines Inducible and CYP1A2 5-10% deficient oxidize uroporphyrinogen to uroporphyrin (CYP1A2) in heme metabolism, but they may have additional undiscovered endogenous substrates. are inducible by some polycyclic hydrocarbons, some of which are found in cigarette smoke and charred food.
These enzymes are of interest, because in assays, they can activate compounds to carcinogens. High levels of CYP1A2 have been linked to an increased risk of colon cancer. Since the 1A2 enzyme can be induced by cigarette smoking, this links smoking with colon cancer.
Wikimedia Commons has media related to Cytochrome P450. |