miniatura| Citocrom P450 Oxidasa (CYP2C9)
IDENTIFICADORS Símbol p450 Pfram PF001128 InterPro IPR001128 PROSITE PDOC00081 SCOP 2cpp Familia TOPM 41 Proteïna OPM 1w0f La súper família dels citocroms p450 (abreviat sovint com CYP) forma part d'un gran i divers grup d'enzims. La funció de la majoria dels enzims CYP consisteix a catalitzar les reaccions d'oxidació de les substàncies orgàniques. Els substrats que s'uneixen als enzims CYP inclou intermediaris metabòlics com per exemple els lípids i les hormones esteroides, i també xenobiòtics, tal com alguns fàrmacs s o altres substàncies químiques tòxiques com l'etanol. Les CYP són el grup més gran d'enzims que intervenen en el metabolisme dels fàrmacs i en la bioactivació, ja que representen aproximadament el 75% del total de les diferents reaccions metabòliques.Guengerich FP (January 2008). "Cytochrome p450 and chemical toxicology". Chem. Res. Toxicol. 21 (1): 70–83. (En aquest context, metabolisme és la modificació química o degradació dels fàrmacs) La reacció més comuna catalitzada pel citocrom p450 correspon a les reaccions de monooxigenasa. Com per exemple, la inserció d'un àtom d'oxigen dins d'un substrat orgànic (RH) a la vegada que un altre àtom d'oxigen és reduït a aigua: RH + O2 + 2H+ + 2e- → ROH + H2O
Els citocroms P450 forma part de la súper família de les proteïnes que contenen un cofactor del grup Hemo, per la qual cosa es considera que són Hemoproteïnes. CYPs utilitzen una ampla varietat de molècules, tant grans com petites, com a substrat en les reaccions enzimàtiques. Normalment, formen part de multi-components de la cadena de transferència d'electrons, és a dir, de la cadena respiratòria, anomenats P450-containing systems. Els citocroms P450 han estat anomenats partint de la seva base cel·lular (cito), la seva localització i les seves característiques espectrofotomètriques (cromo): quan la forma reduïda del grup hemo del ferro forma un adduct amb el CO, el citocrom P450 absorbeix una llum amb una longitud d'ona que s'aproxima als 450 nm, fent que es pugui obtenir un pic d'absorció característic. Els enzims CYP s'han identificat en tots els dominis taxonòmics de vida, ja sigui en els animals, les plantes, els protistes, els fongs, els bacteris, en el domini archaea i fins i tot en els virus.Roland Sigel; Sigel, Astrid; Sigel, Helmut (2007). The Ubiquitous Roles of Cytochrome P450 Proteins: Metal Ions in Life Sciences. Nova York: Wiley. Danielson PB (December 2002). "The cytochrome P450 superfamily: biochemistry, evolution and drug metabolism in humans". Curr. Drug Metab. 3 (6): 561–97. Actualment es coneixen més d'11.500 proteïnes CYP diferents.Nelson D. "Cytochrome P450 Homepage". University of Tennessee
Nomenclatura Els gens que estan relacionats amb els enzims CYP, i també els mateixos enzims, es designen amb l'abreviació CYP, seguit d'un nombre aràbic que identifica la família gènica, una lletra majúscula indicant la subfamília, i un altre nombre que indica el gen individual. Per conveni el nom s'escriu en cursiva quan es refereix al gen. Per exemple, CYP2E1 és el gen que codifica l'enzim CYP2E1 – un dels enzims que intervé en el metabolisme del paracetamol (acetaminofèn). La Nomenclatura del CYP és el nom oficial que se li dona per conveni, encara que ocasionalment (i de manera errònia) s'utilitza CYP450 o CYP450. Tot i així, alguns gens o enzims de CYP's difereixen d'aquesta nomenclatura, indicant l'activitat catalítica i el nom del component que utilitza com a substrat. Alguns exemples inclouen CYP5A1, la sintetasa A2 del tromboxà, abreviat TBXAS1 (de les sigles del nom en anglès ThromBoXane A2 Synthase 1) i CYP51A1, lanoesterol 14-α-dimetilasa, el qual de vegades s'anomena de manera extraoficial a partir de la seva abreviatura, LDM d'acord amb el seu substrat (Lanosterol) i la seva activitat, la Desmetilació. "NCBI sequence viewer"
Les directrius actuals de la nomenclatura suggereixen que els membres d'una nova família de CYP comparteixen >40% dels aminoàcids, mentre que les subfamílies només haurien de compartir >55% dels aminoàcids. Els comitès que s'encarreguen de la nomenclatura que s'atribueix i que segueix tant el nom gènic base (CYtochome P450 Homepage) com el nom dels al·lels (Comitè de nomenclatura al·lèlica del CYP).
Mecanisme miniatura|Cicle catalític del citocrom P450 El centre actiu del citocrom P450 conté un àtom de ferro unit a un grup hemo. El ferro està lligat a la proteïna P450 per mitjà d'un lligand de tiol derivat del residu de la cisteïna. Aquesta cisteïna i altres residus d'acompanyament són altament conservats en CYPs coneguts i tenen un patró formal que consta en la base de dades PROSITE. Aquest patró és: [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD].PROSITE consensus pattern for P450 Degut a la gran varietat de reaccions que estan catalitzades pels CYP, les activitats i les propietats de molts del CYPs difereixen en molts aspectes. En general, el cicle catalític del citocrom P450 es desenvolupa de la següent manera:
El substrat en qüestió s'uneix al centre actiu de l'enzim, molt pròxim al grup hemo, que es troba a la banda oposada de la cadena peptídica. Aleshores, el substrat indueixun canvien la conformació del centre actiu, sovint provocant el desplaçament d'una molècula d'aigua des de la posició de coordinació distal axial de l'àtom de ferro del grup hemoMeunier B, de Visser SP, Shaik S (September 2004). "Mechanism of oxidation reactions catalyzed by cytochrome p450 enzymes". Chem. Rev. 104 (9): 3947–80. canviant de vegades l'estat de l'àtom de baix spin a alt spin.Poulos TL, Finzel BC, Howard AJ (June 1987). "High-resolution crystal structure of cytochrome P450cam". J. Mol. Biol. 195 (3): 687–700. Això dona lloc a un canvi en les propietats espectrals de l'enzim, amb un increment en l'absorbància a 390 nm i una disminució a 420 nm. Aquest fenomen se'l coneix com a fenomen de "Tipus I" de l'espectre diferencial, i es pot mesurar a través de l'espectrometria de diferència (vegeu el gràfic inserit en la figura). No obstant, cal dir que alguns substrats causen un canvi oposat en les propietats espectrals quan s'uneixen al centre actiu de l'enzim. A aquest fenomen se'l coneix com a "Tipus I invers" de l'espectre, i els processos que el desenvolupen encara no són gaire clars. Alguns inhibidors i determinats substrats que s'uneixen directament a l'àtom de ferro del grup hemo donen lloc a tot l'espectre de diferència de Tipus II, amb un màxim de 430 nm i un mínim de 390 nm (vegeu el gràfic inserit en la figura). Si no hi ha equivalents de reducció disponibles, aquest complex pot romandre estable permetent un grau d'unió, el qual serà determinat per les mesures d'absorbància in vitro.Ortiz de Montellano, Paul R.; Paul R. Ortiz de Montellano (2005). Cytochrome P450: structure, mechanism, and biochemistry (3rd ed.). New York: Kluwer Academic/Plenum Publishers. El canvi de l'estat electrònic del centre actiu afavoreix la transferència d'un electró del NADPH al ferro del grup hemo, reduint-lo de l'estat fèrric a l'estat ferrós a través del citocrom P450 reductasa o bé d'una altra reductasa associada.Sligar SG, Cinti DL, Gibson GG, Schenkman JB (October 1979). "Spin state control of the hepatic cytochrome P450 redox potential". Biochem. Biophys. Res. Commun. 90 (3): 925–32. Aquest procés es duu a terme a la cadena de transferència d'electrons. L'oxigen molecular s'uneix covalentment a l'àtom de ferro en la seva posició axial de coordinació distal. El lligand, que és la cisteïna, resulta ser un millor donant d'electrons que no pas la histidina, que és l'aminoàcid que es troba normalment en les proteïnes que contenen grups hemo. Com a conseqüència d'aquest fet, l'oxigen s'activa en major mesura en comparació amb altres proteïnes que contenen grups hemo. No obstant, a vegades aquest fet permet que el llaç format entre l'oxigen i el ferro es dissociï, tot causant l'anomenada "reacció de dissociació", que interromp el cicle catalític i al final de la qual s'allibera un radical superòxid. Un segon electró del citocrom P450 reductasa, de la ferredoxina o del citocrom B5 es transfereix a través del sistema de transport d'electrons reduint el dioxígen “adduct” a un grup peròxid de càrrega negativa a un estat intermedi que té una durada molt curta. El grup peròxid (format en el pas 4) és protonat doblementper transferència local des de l'aigua o des dels voltants de les cadenes laterals dels aminoàcids, alliberant així una molècula d'aigua i formant una espècie altament reactiva. A aquesta espècie reactiva en llenguatge comú se la coneix com a Compost P450 I (o simplement Compost I). De fet, ningú va descobrir com actuava aquesta espècie fins al 2010,Rittle J, Green MT (November 2010). "Cytochrome P450 Compound I: Capture, Characterization, and C-H Bond Activation Kinetics". Science 330 (6006): 933–937. tot i que havia estat estudiada durant molts anys. El Compost P450 I és semblant a un ferro IV oxi (o Ferro). Les dues espècies tenen un equivalent oxidant addicional que es troba deslocalitzat a sobre la porfirina i els lligands tiolat. No hi ha indicis de l'existència d'un grup preferril hemo(V)-oxo alternatiu. Depenent del substrat i de l'enzim implicat en el procés, els enzims del citocrom P450 poden catalitzar una gran quantitat de reaccions. Per exemple, en aquesta il·lustració es pot veure com catalitzen una hidroxilació hipotètica. Un cop el producte ha estat alliberat del centre actiu de l'enzim, aquest torna a la seva configuració inicial i una molècula d'aigua torna a ocupar la posició de coordinació distal del nucli de ferro.
Aclariments de la imatge:
S: Mostra una ruta alternativa per a la mono-oxigenació a través de la “derivació del peròxid”. La interacció amb donadors d'un sol oxigen com els peròxids i els hipoclorits pot conduir directament a la formació dels intermedis de ferro-oxo, permetent que el cicle catalític es completi sense necessitat que s'esdevinguin els passos 3,4 i 5. El peròxid amb el qual hipotèticament es fa aquesta reacció (“XOOH”) es mostra al diagrama. C: Si l'òxid de carboni (CO) s'uneix al P450 reduït, el cicle catalític queda interromput. D'aquesta reacció s'obté l'espectre clàssic del CO amb un màxim de 450 nm.
Com que la majoria de CIPs requereixen una altra proteïna per repartir un o més electrons amb la finalitat de reduir el ferro (i de vegades també l'oxigen molecular), es consideren part de la família de proteïnes P450. Es coneixen cinc tipus d'aquesta classe de P450: CPR/cyb/P450: Són aquells sistemes de proteïnes emprats per la majoria de CIPs d'eucariotes microsomals. Aquests impliquen la reducció de la citocromP450-reductasa gràcies al NADPH, i per tant, la transferència de poder reductor al CIP. El citocrom b5 (cyb5) també pot contribuir transferint poder reductor a aquest sistema després d'haver estat reduït al seu torn pel citocrom b5 reductasa (CYBB5R). FR/fd/P450: Són sistemes utilitzats per CIPs que es troben en mitocondris i en alguns bacteris. CYB5R/cyb5/P450: Són sistemes on els dos electrons que es necessiten per al CIP provenen del citocrom b5. FMN/Fd/P450: Són sistemes trobats originalment en Rhodococcus spen els quals es fusiona una FMN reductasa amb un CIP. Només P450: Sistemes que no requereixen una font de poder reductor externa. Aquests contenen CIP5 (tromboxà sintasa), CIP8 (prostaciclina sintasa) i CIP74A (sintasa d'òxid alena).
P450 en humans