O citocromo P450 é unha superfamilia de encimas monooxixenases (oficialmente abreviadas como CYP) constituída por un grupo grande e diverso de encimas que catalizan a oxidación de compostos orgánicos. Os substratos dos encimas CYP son intermediatos metabólicos como lípidos e hormonas esteroides, ou substancias xenobióticas como fármacos e compostos químicos tóxicos. As CYPs son os principais encimas implicados no metabolismo de fármacos e a bioactivación, e realizan un 75% do total de reaccións metabólicas de degradación e modificación de drogas. Aínda que se chamen citocromos, non intervén nas transferencias de electróns da cadea respiratoria da membrana mitocondrial interna como outros citocromos, senón que as súas transferencias de electróns teñen funcións catalíticas.
A reacción máis común catalizada polos citocromos P450 é a reacción monooxixenase; por exemplo, a inserción dun átomo de oxíxeno na posición alifática dun substrato orgánico (RH) mentres que o outro átomo de oxíxeno é reducido a auga: RH + O2 + NADPH + H+ → ROH + H2O + NADP+
Os citocromos P450 (CYPs) pertencen a unha superfamilia de proteínas que conteñen o cofactor hemo, polo que son hemoproteínas. As CYPs usan como substratos diversas moléculas pequenas e grandes en reaccións encimáticas. Son en xeral os encimas oxidases terminais en cadeas de reaccións de transferencia de electróns, xeralmente denominadas sistemas que conteñen P450. O termo P450 deriva do pico espectrofotométrico do máximo de absorción de luz do encima, que ten unha lonxitude de onda de 450 nm cando está en estado reducido e en complexo co monóxido de carbono (CO).
Os encimas CYP foron identificados en todos os dominios da vida: animais, plantas, fungos, protistas, bacterias, arqueas, e mesmo en virus.Lamb DC, Lei L, Warrilow AG, Lepesheva GI, Mullins JG, Waterman MR, Kelly SL (2009). "The first virally encoded cytochrome P450". Journal of Virology 83 (16): 8266-9. PMID 19515774 Porén, estes encimas non se atoparon nalgunhas bacterias como Escherichia coli. Coñécense máis de 18.000 proteínas CYP distintas.
A maioría das CYPs necesitan unha proteína compañeira para ceder un ou máis electróns para reducir o ferro (e finalmente o oxíxeno molecular). Baseándose na natureza da transferencia de electróns as proteínas CYPs poden ser clasificadas en varios grupos, que son:
Sistemas P450 microsómicos nos cales se transfiren electróns desde o NADPH por medio da citocromo P450 redutase (CPR, POR, ou CYPOR). O citocromo b5 (cyb5) pode tamén contribuír ao poder redutor deste sistema despois de ser reducido pola citocromo b5 redutase (CYB5R). Sistemas P450 mitocondriais, que empregan adrenodoxina redutase e adrenodoxina para transferiren electróns desde o NADPH ao P450. Sistemas P450 bacterianos, que empregan unha ferredoxina redutase e unha ferredoxina para transferiren electróns ao P450. Sistemas CYB5R/cyb5/P450, nos cales ambos os electróns que require a CYP proceden do citocromo b5. Sistemas FMN/Fd/P450, que se encontraron orixinalmente nas bacterias Rhodococcus sp. nos cales unha redutase que contén un dominio FMN se fusiona co CYP. Sistemas P450 sós, que non requiren poder redutor externo. Os máis salientables son o CYP5 (tromboxano sintase), CYP8 (prostaciclina sintase), e CYP74A (alene óxido sintaseUniprot CYP74A (allene oxide synthase, chloroplastic)).
Nomenclatura
Os xenes que codifican os encimas CYP e os propios encimas, desígnanse coa abreviatura CYP, seguida dun número que indica a familia xénica, unha letra maiúscula que indica a subfamilia, e un número para o xene concreto. A convención é poñer en cursivas o nome cando se trata do xene e sen cursivas cando se trata do encima. Por exemplo, CYP2E1 é o xene que codifica o encima CYP2E1 (un dos encimas implicados no metabolismo do paracetamol). A nomenclatura CYP é a convención oficial para nomealos, aínda que ocasionalmente (e non moi correctamente) poden verse nomes como CYP450 ou CYP450. Porén, algúns nomes de xenes ou encimas CYPs poden non seguir esta nomenclatura, para indicar a actividade catalítica e o nome do composto usado como substrato. Exemplos son: CYP5A1, tromboxano A2 sintase, abreviada como TBXAS1 (TromBoXano A2 Sintase 1), e CYP51A1, lanosterol 14-α-desmetilase, ás veces abreviada de forma non oficial como LDM segundo o seu substrato (Lanosterol) e actividade (DesMetilación).
As directrices da nomenclatura actual sinalan que os membros das familias de CYPs comparten >40% de identidade na secuencia de aminoácidos, mentres que os membros das subfamilias deben compartir >55% de identidade de aminoácidos. Hai comités de nomenclatura que asignan os nomes dos xenes base (Páxina do citocromo P450) e dos alelos (Comité de Nomenclatura dos Alelos CYP ).
Mecanismo
O ciclo catalítico do P450.|miniatura|350px O sitio activo do citocromo P450 contén un centro hemo con ferro. O ferro está ligado á proteína P450 por un enlace tiolato derivado dun residuo de cisteína. Esta cisteína e varios residuos que a flanquean están moi conservados en todos os CYPs coñecidos e teñen o patrón de consenso de sinatura PROSITE [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD]. Debido á gran variedade de reaccións que catalizan os CYPs, as actividades e propiedades de moitos CYPs difiren en moitos aspectos. En xeral, o ciclo catalítico do P450 é o seguinte:
O substrato únese ao sitio activo do encima, que está moi próximo do grupo hemo no lado oposto da cadea peptídica. O substrato unha vez unido induce un cambio na conformación do sitio activo, a miúdo desprazando unha molécula de auga da posición de coordinación axial distal do ferro hémico, e ás veces cambiando o estado do ferro hémico de baixo spin a alto spin. Isto dá lugar a un cambio nas propiedades espectrais do encima, cun incremento na absorbancia a 390 nm e unha diminución a 420 nm. Isto pode medirse por espectrometría diferencial e denomínase espectro de diferenza de "tipo I" (ver o gráfico incluído na figura). Algúns substratos causan un cambio oposto nas propiedades espectrais, orixinando o espectro de "tipo I inverso", por procesos que non están aínda claros. Os inhibidores e certos substratos que se unen directamente ao ferro do hemo dan lugar a un espectro de diferenza de "tipo II", cun máximo a 430 nm e un mínimo a 390 nm (ver o gráfico incluído na figura). Se non están dispoñibles equivalentes de redución, este complexo pode permanecer estable, o que permite que o grao de unión sexa determinado a partir de medidas de absorbancia in vitro. O cambio no estado electrónico do sitio activo favorece a transferencia dun electrón do NAD(P)H por medio da citocromo P450 redutase ou outra redutase asociada. Isto ten lugar por medio dunha cadea de transferencia de electróns, como se describiu arriba, reducindo o ferro hémico do estado férrico ao estado ferroso. O oxíxeno molecular únese covalentemente á posición de coordinación axial distal do ferro do hemo. O ligando cisteína é un mellor doante de electróns que a histidina, a cal se encontra normalmente en proteínas que conteñen hemo. Como consecuencia, o oxíxeno é activado en maior medida noutras hemoproteínas. Porén, isto ás veces permite que o enlace ferro-oxíxeno se disocie, causando a chamada "reacción de desacoplamento", que libera un radical superóxido reactivo e interrompe o ciclo catalítico. Transfírese un segundo electrón por medio do sistema de transporte de electróns, desde o citocromo P450 redutase, ou desde ferredoxinas, ou o citocromo b5, reducindo o aduto dioxíxeno a un grupo peroxo cargado negativamente. Este é un estado intermedio de curta vida. O grupo peroxo formado no paso 4 é rapidamente protonado dúas veces por transferencia local desde a auga ou desde as cadeas laterais de amninoácidos que o rodean, liberando unha molécula de auga, e formando unha especie moi reactiva xeralmente chamada P450 Composto 1 ( ou Composto I). Este intermediario moi reactivo non se puido "ver en acción" ata 2010, aínda que fora estudado teoricamente durante moitos anos. O P450 Composto 1 é moi probablemente unha especie ferro(IV)oxo (ou ferril) cun equivalente oxidante adicional deslocalizado sobre a porfirina e os ligandos tiolato. Non hai evidencias da alternativa que sería un perferril ferro(V)-oxo. Dependendo do substrato e encima implicados, os encimas P450 poden catalizar unha ampla variedade de reaccións. Na ilustración móstrase unha hidroxilación hipotética. Despois de que se libera o produto do sitio activo, o encima volve ao seu estado orixinal, e unha molécula de auga volve a ocupar a posición de coordinación distal do núcleo de ferro.
S (da figura): Unha ruta alternativa para a monooxixenación é por medio da "derivación peróxido": A interacción con doantes dun só átomo de oxíxeno como os peróxidos e hipocloritos pode levar directamente á formación do intermediario fero-oxo, permitindo que o ciclo catalítico se complete sen pasar polos pasos 2, 3, 4, e 5. No diagrama móstrase un hipotético peróxido "XOOH".
C (da figura): Se o monóxido de carbono (CO) se une ao P450 reducido, o ciclo catalítico interrómpese. Esta reacción produce o clásico espectro de diferenza de CO cun máximo a 450 nm.
O P450s en humanos Os CYPs humanos son principalmente proteínas asociadas a membranasBerka K et al. J. Phys. Chem. A, 2011 localizadas na membrana mitocondrial interna ou nas membranas do retículo endoplasmático. Os CYPs metabolizan miles de compostos químicos endóxenos e exóxenos. Algúns CYPs metabolizan só un (ou moi poucos) substratos, como é o caso de CYP19 (aromatase), mentres que outros poden metabolizar moitos substratos. Destas dúas características depende a súa importancia central en medicina. Os encimas citocromos P450 están presentes na maioría dos tecidos do corpo, e xogan importantes papeis na síntese de hormonas e a súa degradación (incluíndo a síntese e metabolismo de estróxenos e testosterona), síntese do colesterol, e metabolismo da vitamina D. Os encimas citocromos P450 tamén funcionan metabolizando compostos potencialmente tóxicos, como fármacos e produtos do metabolismo endóxeno como a bilirrubina, principalmente no fígado.
O Proxecto Xenoma Humano identificou 57 xenes humanos que codifican varios encimas citocromos P450.
Metabolismo de fármacos miniatura|400px|Proporción de drogas antifúnxicas metabolizadas por distintas familias de CYPs.doctorfungus > Antifungal Drug Interactions Content Director: Russell E. Lewis, Pharm.D. Consultado o 23 de xaneiro de 2010
Os CYPs son os principais encimas implicados no metabolismo de fármacos (drogas, xenobióticos), que comprende o 75% do total do metabolismo de degradación e modificación de drogas. A maioría dos fármacos son desactivados polos CYPs, quer de forma directa quer por excreción facilitada do corpo. Tamén, moitas substancias son bioactivadas polos CYPs para formaren os seus compostos activos.
Interaccións con fármacos Moitas drogas poden aumentar ou diminuír a actividade de varios isoencimas CYP ao induciren a síntese dun isoencima (indución de encimas) ou por inhibiren directamente a actividade dos CYP (inhibición encimática). Esta é a orixe principal das interaccións adversas entre fármacos, xa que os cambios na actividade dos encimas CYP poden afectar ao metabolismo e á eliminación do corpo de diversos fármacos. Por exemplo, se un fármaco inhibe o metabolismo mediado por CYPs doutro fármaco, o segundo fármaco pode acumularse dentro do corpo ata niveis tóxicos. Por tanto, estas interaccións entre fármacos poden necesitar axustes na dosificación ou a elección de fármacos que non interaccionen co sistema CYP. Estas interaccións entre fármacos son especialmente importantes para telas en conta cando se usan fármacos de vital importancia para o paciente, fármacos con importantes efectos adversos ou con fiestras terapéuticas pequenas, pero calquera fármaco pode estar suxeito a ter unha concentración alterada no plasma debido a unha alteración do metabolismo de fármacos.