Cytokrom P450

Cytokrom P450 -familien (forkortet CYP , P450 og, veldig ofte, CYP450 ) er en enzymatisk superfamilie av hemoproteiner som er tilstede i alle levende domener (mer enn 7700 distinkte CYP-type makromolekyler er kjent), [1] som tilhører underklassen enzym av blandet funksjon oksidase (eller monooksygenase). [2] Cytokromer P450 er de viktigste aktørene involvert i avgiftning av organismen, og kan virke på et stort antall forskjellige substrater, både eksogene (legemidler og giftstoffer av ekstern opprinnelse) og endogene (avfallsprodukter fra organismen). De deltar ofte i komplekser som fungerer som en elektrontransportkjede , kjent som P450-holdige systemer .

Reaksjonene katalysert av cytokrom P450 isoformene er varierte. Den vanligste er en klassisk monooksygenase-reaksjon: overføring av et oksygenatom fra molekylært oksygen til et organisk substrat, med reduksjon av det andre oksygenatomet til vann:

RH + O 2 + 2H + + 2e - → ROH + H 2 O

Eksempler på reaksjoner katalysert av cytokrom P450 er hydroksylering av alifatiske eller aromatiske forbindelser , dannelse av epoksider og oksidasjon av alkoholer. Elektronene som trengs for reaksjonen kan tilføres av NADP (H) eller NADH gjennom andre proteinaktører som ferredoksin , cytokrom b5 eller NADPH-hemoproteinreduktase , som inneholder FAD og FMN som protesegrupper . I tillegg til eliminasjonsreaksjonene av eksogene forbindelser, er cytokrom P450 involvert i biosyntesen av kolesterol og i steroidrogenesen av steroidhormoner .

Cytokrom P450 henter navnet sitt fra den karakteristiske Soret-toppen med maksimal absorpsjon ved en bølgelengde på 450  nm , når jernet i hemgruppen er i redusert Fe 2+ -tilstand og bundet til karbonmonoksid [3] .

På cellenivå, i eukaryoter, finnes enzymene til familien hovedsakelig bundet til membranene i det glatte endoplasmatiske retikulum og til den indre mitokondrielle membranen via den hydrofobe N-terminale regionen, spesielt i den mikrosomale fraksjonen av leverceller .

Nomenklatur

De individuelle enzymene som utgjør cytokrom P450-familien identifiseres med den vanlige forkortelsen "CYP" etterfulgt av et arabisk nummer som indikerer familien (> 40 % av sekvenshomologien), en stor bokstav som definerer underfamilien (> 55 % av sekvenshomologien). ) og et andre arabisk tall som spesifiserer enkeltgenet [4] (f.eks . CYP1A1 ). Konvensjonelt er genene som tilsvarer enzymene angitt med samme navn, men med tegn skrevet i kursiv; for eksempel koder CYP2e1 -genet for CYP2E1-enzymet.

Reaksjonsmekanisme

Det katalytiske reaksjonssenteret til cytokrom P450 er hem-tiolatsenteret , sterkt konservert i alle kjente isoformer, og inneholder en hemgruppe der et jernatom er ikke-kovalent bundet til svovelet i en cysteinrest . Dette cysteinet og flere tilstøtende rester er sterkt bevart i kjente CYP-er og har følgende konsensussekvens [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP ] - [GAD]. [5] Virkningsmekanismen til cytokromet er forskjellig avhengig av typen katalysert reaksjon, men kan skjematisk oppsummeres i seks trinn:

1: Substratet binder seg til det aktive stedet til enzymet, i nærheten av hemgruppen, på motsatt side av peptidkjeden. Det bundne substratet induserer en endring i konformasjonen til det aktive stedet, og fjerner ofte et vannmolekyl fra den distale aksiale koordinasjonsposisjonen til jernet [6] , og noen ganger endrer tilstanden til hemjernet fra fundamentalt til eksitert. [7] . Dette forårsaker en endring i enzymets spektrale egenskaper, med en økning i absorbans ved 390 nm og en reduksjon ved 420 nm. Denne variasjonen kan måles ved differensiell spektrometri, og denne variasjonen blir referert til som "Type I" forskjellsspekteret. Noen substrater forårsaker en motsatt endring i spektrale egenskaper, et "anti Type I"-spektrum, med prosesser som ennå ikke er veldig klare. Inhibitorer og spesielle substrater som direkte binder jern fra hemgruppen fører til et "Type II" spektrum, med et maksimum ved 420 nm og et minimum ved 390 nm. Hvis det ikke er tilgjengelige reduserende ekvivalenter, kan dette komplekset forbli stabilt, noe som gjør det mulig å fastslå graden av binding fra "in vitro" absorbansmålinger [8]

Isoformer hos mennesker

Hos mennesker er mer enn 63 gener som koder for cytokrom P450 isoformer blitt identifisert så langt, hvorav 57 komplette gener og 5 pseudogener, delt inn i 18 familier og 43 underfamilier, uttrykt i leveren og annet vev som mage-tarmkanalen, nyrer, lungene, huden og sentralnervesystemet [9] . Funksjonene som utføres av cytokrom P450 hos mennesker er oksidasjon og eliminering av endogene stoffer, slik som bilirubin som følge av metabolismen av hemoglobin , og av eksogene stoffer, som forurensende stoffer og medikamenter, men inkluderer også regulering av konsentrasjonsnivåene av steroidhormoner som østrogen og testosteron , kolesterolbiosyntese og vitamin D- metabolisme . En ytterligere funksjon utført av cytokrom P450 på nivået av blod-hjernebarrieren er vaskulær selvregulering. I de aller fleste tilfeller kan en enkelt cytokrom P450 isoform utvise flere spesifisiteter og katalysere oksidasjonen av flere forskjellige substrater, selv med forskjellige typer reaksjoner.

Legemiddelmetabolisme

Cytokrom P450-familien representerer kroppens viktigste avgiftningsmekanisme for legemidler, og er en av de underliggende årsakene til variasjonen i dose/respons-forholdet hos forskjellige personer som tar samme legemiddel [10] . Det forskjellige responsområdet kan faktisk, i tillegg til fysiologiske faktorer som alder, kjønn og helsetilstanden til individet, stamme fra en annen metaboliseringshastighet av den aktive ingrediensen, som igjen resulterer fra en genetisk polymorfisme i cytokromet P450. En langsommere avhending av det farmakologisk aktive molekylet kan føre til dets overdreven varighet i kroppen, og derfor til forekomsten av bivirkninger på grunn av overdose, mens en overdreven aktivitet av cytokrom øker hastigheten på legemiddelavhending og kan føre til en reduksjon av dens effekt eller til og med mangel på kliniske effekter. Den genetiske studien førte til identifisering av minst tre distinkte fenotypiske klasser assosiert med genetiske polymorfismer i cytokrom P450-familien, nemlig dårlige metaboliserere (PM), raske metaboliserere (EM) og ultrarapid metabolisers (UR) [11] , identifiserbare ved fenotyping eller genetiske typebestemmelsestester, i henhold til hvilke den medikamentelle behandlingen som skal tas i bruk må kalibreres.

Av alle enzymisoformene av cytokrom P450 identifisert så langt, virker bare en liten del som omfatter enzymene CYP3A4 , CYP2D6 , CYP2C9 , CYP1A2 og CYP2E1 i legemiddelmetabolismen [12] ; blant disse er den mest aktive isoformen CYP3A4, som utgjør omtrent 30 % av cytokromene P450 uttrykt i leveren og er ansvarlig for metabolismen av 50 % av eksisterende legemidler [13] . I fase I av eliminering av xenobiotiske forbindelser av organismen, er substratene for reaksjonen hovedsakelig representert av lipofile molekyler der angrepet av oksygen øker hydrofilisiteten og favoriserer virkningen av de påfølgende avgiftende enzymer og den påfølgende deponeringen.

Legemiddelinteraksjoner

Mange medikamenter kan ha en induktiv eller hemmende effekt på aktiviteten til en eller flere cytokrom P450 isoformer, og disse fenomenene er i de fleste tilfeller grunnlaget for de kompromitterende effektene på den terapeutiske virkningen og de toksiske effektene som følger av inntaket. moderne av ulike aktive ingredienser. En hemmende effekt på grunn av interaksjoner mellom to legemidler oppstår når begge er substrater av samme cytokrom P450 isoform; i dette tilfellet vil medikamentet som har lavere bindingsaffinitet bli kastet over lengre tid enn om det tas alene, noe som forårsaker en overdoseeffekt og dermed forekomsten av toksiske bivirkninger. Tilsvarende kan et medikament være i stand til å indusere, over tid, en økning i konsentrasjonen og aktiviteten til en eller flere cytokrom P450 isoformer, og dermed redusere oppholdstiden i kroppen til legemidlene som er substrater, og følgelig deres terapeutiske virkning. Den induktive effekten skjer langsommere enn inhiberingen, da den virker på nivået av gentrankripsjon og derfor krever mer tid for å bli tydelig [14] .

Andre hyppigere interaksjoner forekommer mellom legemidler og matvarer som virker på cytokrom P450: grapefruktjuice, grønn te.

P450 hos dyr

Studien og biokjemisk karakterisering av cytokrom P450-isoformer hos dyr er hovedsakelig rettet mot å definere deres type metabolske respons på fremmedfjernende stress, slik at de kan brukes som modellorganismer i utprøving av nye legemidler og i økotoksikologi . De mest studerte dyrene for dette formålet er mus, rotter og hunder for farmakologiske eksperimenter og ulike arter av elve- og sjøfisk når det gjelder det økotoksikologiske aspektet. Mange studier har også blitt utført på insekter, ettersom cytokrom P450 er involvert i mange tilfeller av resistens mot insektmidler .

Bruk som en biomarkør

Substratspesifisiteten og induserbarhetsegenskapene til cytokromer P450, dvs. deres uttrykk bare i nærvær av et spesifikt substrat, gjør enzymene som tilhører denne familien til gode indikatorer på tilstedeværelsen av fremmedfremmede forurensninger i miljøet, og tillater derfor deres bruk som biomarkører . De mest brukte isoformene for påvisning av vannforurensninger er de som tilhører CYP1-familien i leveren til fisk [15] , som er indusert av de mest utbredte klassene av forurensninger, som polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH), polyaromatiske hydrokarboner nitrater ( NPAH), polyklorerte bifenyler (PCB), dioksiner (TCDD) og noen plantevernmidler. Bruken av cytokrom P450 som biomarkør har fordelen av å kunne senke konsentrasjonsgrensen for den påvisbare forurensningen sammenlignet med tradisjonelle analytiske teknikker, og gjør det også mulig å oppnå en integrert respons i tid og rom for eksponeringen av bioindikatororganismen for forurensningen. Siden effekten av forurensning også kan identifiseres i subletale doser, før uopprettelig skade på organismer og økosystemet, kan variasjonen i nivåene av cytokrom P450 representere en første alarmklokke for et behov for sanering av stedet. undersøkte.

Induksjonen av cytokrom P450 kan indirekte bestemmes gjennom aktivitetsanalyser av andre enzymer som tilhører monooksygenasesystemet med blandet funksjon , og den mest brukte for dette formålet i fisk er 7-ethoxyresoruphine-O-diethylase (EROD), som katalyserer hydrolysen av etoksyresoruphin. til 7-hydroksyresoruphin, en forbindelse hvis fluorescens kan påvises gjennom fluorimetrisk spektrofluorimetrisk analyse . Den fluorimetriske deteksjonsmetoden er akseptert som en ISO -standard [16] for vurdering av vannforurensning med TCDD, PAH og PCB, men det er også mulig å direkte påvise cytokrom P450 ved immunanalyser som ELISA ved bruk av spesifikke antistoffer for CYP1A-isoformen [17 ] .

Merknader

  1. ^ Data oppdatert til september 2007, på nettstedet til P450 Nomenclature Committee , på cypalleles.ki.se . Hentet 4. oktober 2008 .
  2. ^ Danielson P, The cytochrome P450 superfamily: biochemistry, evolution and drug metabolism in humans , i Curr Drug Metab , vol. 3, nei. 6, 2002, s. 561-97, DOI : 10.2174 / 1389200023337054 , PMID  12369887 .
  3. ^ Garfinkel D, Studier av griselevermikrosomer. Enzymisk og pigmentsammensetning av forskjellige mikrosomale fraksjoner , i Arch Biochem Biophys , vol. 77, 1958, s. 493-509, PMID.
  4. ^ Nelson DR, Kamataki T, Waxman DJ, Guengerich FP, Estabrook RW, Feyereisen R, et al., P450-superfamilien: oppdatering om nye sekvenser, genkartlegging, tiltredelsesnummer, tidlige trivielle navn på enzymer og nomenklatur , i DNA-celle Biol , vol. 12, 1993, s. 1-51, PMID.
  5. ^ [1] Arkivert 18. oktober 2019 på Internet Archive . PROSITE konsensusmønster for P450
  6. ^ Bernard Meunier, Samuël P. de Visser og Sason Shaik, Mechanism of Oxidation Reactions Catalyzed by Cytochrome P450 Enzymes , i Chemical Reviews , vol. 104, n. 9, 2004, s. 3947-3980.
  7. ^ Thomas L. Poulos, Barry C. Finzel og Andrew J. Howard, Høyoppløselig krystallstruktur av cytokrom P450- kamera , i Journal of Molecular Biology , vol. 195, n. 3, 1987, s. 687-700.
  8. ^ PR Ortiz de Montellano (Red.), Cytochrome P450: struktur, mekanisme og biokjemi, 2. utgave. , New York, Plenum, 1995.
  9. ^ Philpot RM, Karakterisering av cytokrom P450 i ekstrahepatisk vev , i Meth Enzymology , vol. 206, 1991, s. 623-631, PMID.
  10. ^ Parkinson A, En oversikt over gjeldende cytokrom P450-teknologi for å vurdere sikkerheten og effekten av nye materialer , i Toxicol Phatol , vol. 24, 1996, s. 45-57, PMID.
  11. ^ Meyer UA, Farmakogenetikk - det langsomme, det raske og det ultraraske , i Proc Natl Acad Sci USA , vol. 91, 1994, s. 1983-1984, PMID.
  12. ^ Gonzalez FJ, Human cytochromes P450: problems and prospects , i Trends Pharmacol Sci , vol. 13, 1992, s. 346-352, PMID.
  13. ^ Guengerich FP, Cytochrome P-450 3A4: regulering og rolle i legemiddelmetabolisme , i Annual Review of Pharmacology & Toxicology , vol. 39, 1999, s. 1-17, PMID.
  14. ^ Lin JH, Lu AYH, Inhibering og induksjon av cytokrom P450 og de kliniske implikasjonene , i Arch Clin Pharmacokinet , vol. 35, 1998, s. 361-390, PMID.
  15. ^ D Schlenk, Di Giulio, RT, Biokjemiske responser som indikatorer for akvatiske økosystemhelse , i Adams SM (red.), Biologiske indikatorer for stress i akvatisk økosystem , Bethesda, AFS, 2002, s. 14-17.
  16. ^ ISO / TS 23893-2: 2007 Vannkvalitet - Biokjemiske og fysiologiske målinger på fisk - Del 2: Bestemmelse av etoksyresorufin-O-deetylase (EROD)
  17. ^ Tom M., Myers CR., Waterman MR., Evaluering av molart CYP1A-nivå i fiskehepatiske mikrosomer ved konkurrerende ELISA ved bruk av rekombinant membranfritt CYP1A-standardprotein , i Aquat Toxicol , vol. 59, 2002, s. 101-114, PMID.

Bibliografi

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker