Κυτόχρωμα P450

Τα κυτοχρώματα P450 (CYPs) είναι υπεροικογένεια ενζύμων που περιέχουν αίμη ως συμπαράγοντα και λειτουργούν ως μονοοξυγενάσες. Στα θηλαστικά, αυτές οι πρωτεΐνες οξειδώνουν στεροειδή, λιπαρά οξέα και ξενοβιοτικά, και είναι σημαντικές για την κάθαρση διαφόρων ενώσεων, καθώς και για τη σύνθεση και τη διάσπαση των ορμονών. Στα φυτά, αυτές οι πρωτεΐνες είναι σημαντικές για τη βιοσύνθεση αμυντικών ενώσεων, λιπαρών οξέων και ορμονών.Τα ένζυμα του κυτοχρώματος έχουν εντοπιστεί σε όλα τα βασίλεια της ζωής: ζώα, φυτά, μύκητες, πρώτιστα, βακτήρια και αρχαία, καθώς και σε ιούς. Ωστόσο, δεν είναι πανταχού παρόντα. Για παράδειγμα, δεν έχουν βρεθεί στο Escherichia coli. Όσον αφορά το 2018, είναι γνωστές περισσότερες από 300.000 διακριτές πρωτεΐνες CYP.Τα κυτοχρώματα, γενικά, είναι τα τελικά ένζυμα οξειδάσης σε αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων και γενικά κατηγοριοποιούνται ως συστήματα που περιέχουν Ρ450. Ο όρος "P450" προέρχεται από τη φασματοφωτομετρική κορυφή στο μήκος κύματος της μέγιστης απορρόφησης του ενζύμου (450 nm) όταν βρίσκεται σε ανηγμένη κατάσταση και συμπλοκοποιείται με μονοξείδιο του άνθρακα. Τα περισσότερα CYP απαιτούν μια πρωτεΐνη να παραδώσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια για τη αναγωγή του σιδήρου (και τελικά του μοριακού οξυγόνου).

 Η ενεργή περιοχή του κυτοχρώματος Ρ450 περιέχει ένα κέντρο σιδήρου-αίμης. Ο σίδηρος είναι συζευγμένος με μια πρωτεΐνη μέσω ενός προσδέτη θειόλης κυστεΐνης. Αυτή η κυστεΐνη και άλλα πλευρικά κατάλοιπα είναι σε μεγάλο βαθμό διατηρημένα στα γνωστά κυτοχρώματα και έχουν την υπογραφή [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD]. Εξαιτίας της μεγάλης ποικιλίας αντιδράσεων που καταλύουν τα κυτοχρώματα, οι δράσεις και οι ιδιότητες πολλών κυτοχρωμάτων διαφέρουν σε πολλά σημεία. Γενικά, ο καταλυτικός κύκλος του P450 είναι ο εξής: Το υπόστρωμα συνδέεται κοντά στην ομάδα αίμης, στην πλευρά απέναντι από το αξονικό θειολικό άλας. Η δέσμευση υποστρώματος προκαλεί αλλαγή στη διαμόρφωση της δραστικής θέσης, μετατοπίζοντας συχνά ένα μόριο νερού από την απώτατη αξονική θέση συντονισμού του σίδηρου αίματος, και αλλάζοντας την κατάσταση του σιδήρου αίμης από χαμηλή περιστροφή σε υψηλή περιστροφή. Η δέσμευση υποστρώματος προκαλεί μεταφορά ηλεκτρονίων από το NAD(P)H μέσω της αναγωγάσης του κυτοχρώματος P450 ή άλλης σχετικής αναγωγάσης. Το μοριακό οξυγόνο συνδέεται με το προκύπτον κέντρο σιδήρου αίμης στην άπω αξονική θέση συντονισμού, δίνοντας αρχικά ένα προϊόν προσθήκης διοξυγόνου παρόμοιο με την οξυ-μυοσφαιρίνη. Ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο μεταφέρεται, από αναγωγάσες κυτοχρώματος Ρ450, φερρεδοξίνες, ή το κυτόχρωμα b5, ανάγοντας το πρόσθετο Fe-O2 για να δώσει μια βραχύβια περόξο κατάσταση. Η πέροξυ ομάδα που σχηματίζεται στο στάδιο 4 πρωτονιώνεται ταχέως δύο φορές, απελευθερώνοντας ένα μόριο νερού και σχηματίζοντας το εξαιρετικά αντιδραστικό είδος που αναφέρεται ως ένωση Ρ450 1 (ή απλά ένωση Ι). Αυτό το εξαιρετικά αντιδραστικό ενδιάμεσο απομονώθηκε το 2010. Η ένωση 1 του P450 είναι ένα είδος σιδήρου (IV) οξο (ή φερρυλ ) με ένα επιπλέον ισοδύναμο οξειδωτικό που μετατοπίζεται πάνω από τους προσδέτες πορφυρίνης και θειολικού άλατος. Λείπουν αποδεικτικά στοιχεία για τον εναλλακτικό υπερορυλικό σίδηρο (V) -oxo Ανάλογα με το υπόστρωμα και το ένζυμο που εμπλέκονται, τα ένζυμα Ρ450 μπορούν να καταλύσουν οποιαδήποτε από μια μεγάλη ποικιλία αντιδράσεων. Μια υποθετική υδροξυλίωση φαίνεται σε αυτήν την απεικόνιση. Μετά την απελευθέρωση του προϊόντος από την ενεργή θέση, το ένζυμο επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση, με ένα μόριο νερού να επιστρέφει για να καταλάβει τη άπω θέση συντονισμού του πυρήνα του σιδήρου. Τα ανθρώπινα κυτοχρώματα είναι κυρίως πρωτεΐνες που σχετίζονται με τη μεμβράνη βρίσκονται είτε στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων είτε στο ενδοπλασματικό δίκτυο των κυττάρων. Τα CYP μεταβολίζουν χιλιάδες ενδογενείς και εξωγενείς χημικές ουσίες. Ορισμένα CYP μεταβολίζουν μόνο ένα (ή πολύ λίγα) υποστρώματα, όπως το CYP19 (αρωματάση), ενώ άλλα μπορεί να μεταβολίζουν πολλαπλά υποστρώματα. Και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά δείχνουν την σημασία τους στην ιατρική. Τα ένζυμα του κυτοχρώματος P450 υπάρχουν στους περισσότερους ιστούς του σώματος και παίζουν σημαντικό ρόλο στη σύνθεση και τη διάσπαση των ορμονών (συμπεριλαμβανομένης της σύνθεσης και του μεταβολισμού των οιστρογόνων και της τεστοστερόνης ), στη σύνθεση χοληστερόλης και στον μεταβολισμό της βιταμίνης D. Τα ένζυμα του κυτοχρώματος P450 επίσης λειτουργούν στο μεταβολισμό δυνητικά τοξικών ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων φαρμάκων και προϊόντων ενδογενούς μεταβολισμού όπως η χολερυθρίνη, κυρίως στο ήπαρ. Το Human Genome Project έχει εντοπίσει 57 ανθρώπινα γονίδια που κωδικοποιούν τα διάφορα ένζυμα του κυτοχρώματος P450. Τα CYPs είναι τα κύρια ένζυμα που εμπλέκονται στον μεταβολισμό φαρμάκων, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 75% του συνολικού μεταβολισμού. Τα περισσότερα φάρμακα υφίστανται απενεργοποίηση από CYPs, είτε άμεσα είτε με διευκόλυνση της απέκκρισης από το σώμα. Επίσης, πολλές ουσίες βιοενεργοποιούνται από τα CYPs για να σχηματίσουν τις δραστικές τους ενώσεις, όπως το αντιαιμοπεταλιακό φάρμακο κλοπιδογρέλη. Αλληλεπίδραση φαρμάκων Πολλά φάρμακα μπορεί να αυξήσουν ή να μειώσουν τη δραστηριότητα διαφόρων ισοενζύμων CYP είτε προκαλώντας τη βιοσύνθεση ενός ισοζύμου (επαγωγή ενζύμου) είτε αναστέλλοντας άμεσα τη δραστηριότητα του CYP (αναστολή ενζύμου). Ένα κλασικό παράδειγμα περιλαμβάνει αντιεπιληπτικά φάρμακα, όπως η φαινυτοΐνη, η οποία επάγει τα CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19 και CYP3A4. Οι επιδράσεις στη δραστηριότητα των ισοενζύμων του CYP είναι μια σημαντική πηγή ανεπιθύμητων αλληλεπιδράσεων φαρμάκων, καθώς οι αλλαγές στη δραστικότητα του ενζύμου CYP μπορεί να επηρεάσουν το μεταβολισμό και την κάθαρση διαφόρων φαρμάκων. Για παράδειγμα, εάν ένα φάρμακο αναστέλλει τον μεταβολισμό που προκαλείται από το CYP ενός άλλου φαρμάκου, το δεύτερο φάρμακο μπορεί να συσσωρευτεί στο σώμα σε τοξικά επίπεδα. Ως εκ τούτου, αυτές οι αλληλεπιδράσεις φαρμάκων μπορεί να απαιτούν προσαρμογές της δοσολογίας ή επιλογή φαρμάκων που δεν αλληλεπιδρούν με το σύστημα CYP. Τέτοιες αλληλεπιδράσεις φαρμάκων είναι ιδιαίτερα σημαντικό να ληφθούν υπόψη όταν χρησιμοποιούνται φάρμακα ζωτικής σημασίας για τον ασθενή, φάρμακα με σημαντικές παρενέργειες ή φάρμακα με στενό θεραπευτικό δείκτη, αλλά οποιοδήποτε φάρμακο μπορεί να υπόκειται σε μεταβαλλόμενη συγκέντρωση στο πλάσμα λόγω αλλαγμένου μεταβολισμού φαρμάκων. Πολλά υποστρώματα για το CYP3A4 είναι φάρμακα με στενό θεραπευτικό δείκτη, όπως η αμιωδαρόνη ή η καρβαμαζεπίνη. Επειδή αυτά τα φάρμακα μεταβολίζονται από το CYP3A4, τα μέσα επίπεδα αυτών των φαρμάκων στο πλάσμα μπορεί να αυξηθούν λόγω της αναστολής του ενζύμου ή να μειωθούν λόγω της επαγωγής του ενζύμου. Αλληλεπίδραση άλλων ουσιών Οι φυσικώς απαντώμενες ενώσεις μπορούν επίσης να προκαλέσουν ή να αναστέλλουν τη δραστικότητα των κυτοχρωμάτων Για παράδειγμα, βιοδραστικές ενώσεις που βρίσκονται στο χυμό των γκρέιπφρουτ και μερικούς άλλους χυμούς φρούτων, συμπεριλαμβανομένων των μπεργκαμποτίνης, διϋδροξυμπεργαμοττίνης, και παραδικίνης-Α, έχουν βρεθεί να αναστέλλουν τον μεσολαβούμενο από το CYP3A4 μεταβολισμό ορισμένων φαρμάκων, οδηγώντας σε αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα και, ως εκ τούτου, μεγάλη πιθανότητα υπερδοσολογία. Λόγω αυτού του κινδύνου, συνιστάται συνήθως η αποφυγή του χυμού γκρέιπφρουτ και των φρέσκων γκρέιπφρουτ κατά τη χρήση φαρμάκων.Άλλα παραδείγματα: Το βάλσαμο, ένα συνηθισμένο φυτικό φάρμακο, επάγει το CYP3A4, αλλά επίσης αναστέλλει τα CYP1A1, CYP1B1. Το κάπνισμα επάγει το CYP1A2 (παραδείγματα υποστρωμάτων του CYP1A2 είναι η κλοζαπίνη, η ολανζαπίνη και η φλουβοξαμίνη ) Σε σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις, ο χυμός καραμπόλας έχει επίσης αποδειχθεί ότι αναστέλλει το CYP2A6 και άλλα CYP. Το κάρδαμο είναι επίσης γνωστός αναστολέας του κυτοχρώματος P450 CYP2E1, ο οποίος μπορεί να αλλοιώσει τον μεταβολισμό ορισμένων φαρμάκων (π.χ. χλωροζοξαζόνη ). Έχει αποδειχθεί ότι η τριβουτυλτίνη αναστέλλει τη λειτουργία του κυτοχρώματος P450, οδηγώντας σε αρρενοποίηση των μαλακίων. Η Ύδραστις η καναδική, με τα δύο αξιοσημείωτα αλκαλοειδή βερβερίνη και υδραστίνη, έχει αποδειχθεί ότι μεταβάλλει τις ενζυματικές δραστηριότητες του P450 (που περιλαμβάνουν τα CYP2C9, CYP2D6 και CYP3A4) Οι άνθρωποι έχουν 57 γονίδια και περισσότερα από 59 ψευδογονίδια που χωρίζονται σε 18 οικογένειες γονιδίων κυτοχρώματος P450 και 43 υποοικογένειες. Αυτή είναι μια περίληψη των γονιδίων και των πρωτεϊνών που κωδικοποιούν. Για λεπτομερείς πληροφορίες, ανατρέξτε στην αρχική σελίδα της επιτροπής ονοματολογίας του κυτοχρώματος P450. Πολλά ζώα έχουν τα ίδια πολλά ή περισσότερα γονίδια CYP από αυτά που έχουν οι άνθρωποι. Οι αναφερόμενοι αριθμοί κυμαίνονται από 35 γονίδια στο σπόγγο Amphimedon queenslandica έως 235 γονίδια στο κεφαλόχορδο Branchiostoma floridae. Τα ποντίκια έχουν γονίδια για 101 CYP και οι αχινοί έχουν ακόμη περισσότερα (ίσως και 120 γονίδια). Τα περισσότερα ένζυμα CYP θεωρείται ότι έχουν δραστηριότητα μονοοξυγενάσης, όπως συμβαίνει για τα περισσότερα CYP θηλαστικών που έχουν διερευνηθεί (εκτός, π.χ., των CYP19 και CYP5 ). Η αλληλουχία γονιδίων και γονιδιώματος γίνεται κατά πολύ ταχύτερα από τον βιοχημικό χαρακτηρισμό της ενζυμικής λειτουργίας, αν και έχουν βρεθεί πολλά γονίδια με στενή ομολογία με τα CYP με γνωστή λειτουργία, δίνοντας στοιχεία για τη λειτουργικότητά τους. Τα CYP έχουν εξεταστεί εκτενώς σε ποντίκια, αρουραίους, σκύλους και λιγότερο σε ψάρια ζέμπρα, προκειμένου να διευκολυνθεί η χρήση αυτών των μοντέλων οργανισμών στην ανακάλυψη φαρμάκων και στην τοξικολογία. Πρόσφατα ανακαλύφθηκαν επίσης CYP σε είδη πτηνών, ιδιαίτερα στις γαλοπούλες, που μπορεί να αποδειχθούν χρήσιμο μοντέλο για την έρευνα για τον καρκίνο στον άνθρωπο. Τα CYP1A5 και CYP3A37 στις γαλοπούλες βρέθηκαν να είναι πολύ παρόμοια με τα ανθρώπινα CYP1A2 και CYP3A4 αντίστοιχα, όσον αφορά τις κινητικές τους ιδιότητες καθώς και τον μεταβολισμό της αφλατοξίνης Β1.Τα CYP έχουν επίσης μελετηθεί σε μεγάλο βαθμό στα έντομα, συχνά για να κατανοηθεί η αντοχή στα φυτοφάρμακα. Για παράδειγμα, το CYP6G1 συνδέεται με την αντοχή σε εντομοκτόνα της Drosophila melanogaster που είναι ανθεκτική στο DDT και το CYP6M2 στον φορέα ελονοσίας, τα κουνούπια Anopheles gambiae, είναι ικανό να μεταβολίζει άμεσα πυρεθροειδή. Τα μικροβιακά κυτοχρώματα P450 είναι συχνά διαλυτά ένζυμα και εμπλέκονται σε διάφορες μεταβολικές διεργασίες. Στα βακτήρια η κατανομή των P450s είναι πολύ μεταβλητή με πολλά βακτήρια να μην έχουν ταυτοποιημένα P450 (π.χ. E.coli). Ορισμένα βακτήρια, κυρίως ακτινομύκητες, έχουν πολυάριθμα P450. Αυτά που έχουν εντοπιστεί μέχρι στιγμής εμπλέκονται γενικά είτε στον βιομετασχηματισμό ξενοβιοτικών ενώσεων (π.χ. το CYP105A1 από το Streptomyces griseolus μεταβολίζει τα ζιζανιοκτόνα σουλφονυλουρίας σε λιγότερο τοξικά παράγωγα ) ή αποτελούν μέρος εξειδικευμένων βιοσυνθετικών οδών μεταβολιτών (π.χ. το CYP170B1 καταλύει την παραγωγή του σεσκιτερπενοειδούς αλμπαφλαβενόνη στο Streptomyces albus ). Αν και κανένα P450 δεν έχει ακόμη αποδειχθεί ότι είναι απαραίτητο σε ένα μικρόβιο, η οικογένεια του CYP105 διατηρείται σε μεγάλο βαθμό με έναν εκπρόσωπο σε κάθε γονιδίωμα στρεπτομυκήτα που έχει αναλυθεί μέχρι στιγμής. Τα ευρέως χρησιμοποιούμενα αντιμυκητιακά φάρμακα κατηγορίας αζολών δρουν αναστέλλοντας τη μυκητιακή κυτοχρωματική P450 14α-δεμεθυλάση. Αυτό διακόπτει τη μετατροπή της λανοστερόλης σε εργοστερόλη, ένα συστατικό της κυτταρικής μεμβράνης του μύκητα. (Αυτό είναι χρήσιμο μόνο επειδή το P450 των ανθρώπων έχει διαφορετική ευαισθησία· έτσι λειτουργεί αυτή η κατηγορία αντιμυκητιασικών. ) Το φυτικό κυτόχρωμα P450 εμπλέκεται σε ευρύ φάσμα βιοσυνθετικών αντιδράσεων και στοχεύει ευρύ φάσμα βιομορίων. Αυτές οι αντιδράσεις οδηγούν σε διάφορα συζεύγματα λιπαρών οξέων, φυτικών ορμονών, δευτερογενών μεταβολιτών, λιγνινών και ποικιλίας αμυντικών ενώσεων. Η μελέτη του φυτικού γονιδιώματος δείχνει ότι τα γονίδια του κυτοχρώματος P450 αποτελούν έως και το 1% των φυτικών γονιδίων. Ο αριθμός και η ποικιλία των γονιδίων P450 ευθύνονται, εν μέρει, για το πλήθος των βιοδραστικών ενώσεων.