Citocromo P450
Clase de enzimas

Citocromo P450
Estructura de la lanosterol 14α-desmetilasa ( CYP51 )
Identificadores
Símbolop450
PfamPF00067
InterprofesionalIPR001128
PROSITIOPDOC00081
SCOP22cpp / ALCANCE / SUPFAM
Superfamilia OPM39
Proteína OPM2 dormitorios
Diligenciamiento de conflictoscd00302
Membranoma265
Estructuras de proteínas disponibles:
Pfam  estructuras / ECOD  
APPDB RCSB; PDBj
PDBsumaResumen de la estructura

Los citocromos P450 ( P450 o CYP ) son una superfamilia de enzimas que contienen hemo como cofactor y que funcionan principalmente, pero no exclusivamente, como monooxigenasas . [1] Sin embargo, no son omnipresentes; por ejemplo, no se han encontrado en Escherichia coli . [2] En los mamíferos, estas enzimas oxidan esteroides , ácidos grasos , xenobióticos y participan en muchas biosíntesis. [1] Por hidroxilación, las enzimas CYP450 convierten los xenobióticos en derivados hidrófilos, que se excretan más fácilmente.

Las P450 son, en general, las enzimas oxidasas terminales en las cadenas de transferencia de electrones , categorizadas ampliamente como sistemas que contienen P450 . El término "P450" se deriva del pico espectrofotométrico en la longitud de onda del máximo de absorción de la enzima (450  nm ) cuando está en estado reducido y formando complejos con monóxido de carbono . La mayoría de las P450 requieren una proteína asociada para entregar uno o más electrones para reducir el hierro (y eventualmente el oxígeno molecular ).

Nomenclatura

Los genes que codifican las enzimas P450, y las enzimas mismas, se designan con el símbolo raíz CYP para la superfamilia , seguido de un número que indica la familia de genes , una letra mayúscula que indica la subfamilia y otro numeral para el gen individual. La convención es poner el nombre en cursiva cuando se hace referencia al gen. Por ejemplo, CYP2E1 es el gen que codifica la enzima CYP2E1 , una de las enzimas involucradas en el metabolismo del paracetamol (acetaminofén). La nomenclatura CYP es la convención de nomenclatura oficial, aunque ocasionalmente CYP450 o CYP 450 se usan como sinónimos. Estos nombres nunca deben usarse según la convención de nomenclatura (ya que denotan un P450 en el número de familia 450). Sin embargo, algunos nombres de genes o enzimas para P450 también se mencionan por nombres históricos (por ejemplo, P450 BM3 para CYP102A1 ) o nombres funcionales, que denotan la actividad catalítica y el nombre del compuesto utilizado como sustrato. Los ejemplos incluyen CYP5A1 , tromboxano A 2 sintasa , abreviado como TBXAS1 ( Trom Boxano A 2 Sintasa 1 ), y CYP51A1 , lanosterol 14-α-desmetilasa, a veces abreviado extraoficialmente como LDM según su sustrato ( L anosterol) y actividad ( D e M etilación ) . [ 3]

Las pautas de nomenclatura actuales sugieren que los miembros de las nuevas familias CYP comparten al menos un 40% de identidad de aminoácidos , mientras que los miembros de las subfamilias deben compartir al menos un 55% de identidad de aminoácidos. Los comités de nomenclatura asignan y rastrean tanto los nombres de los genes base (Página de inicio del citocromo P450 Archivado el 27 de junio de 2010 en Wayback Machine ) como los nombres de los alelos (Comité de nomenclatura de alelos CYP). [4] [5]

Clasificación

Según la naturaleza de las proteínas de transferencia de electrones, las P450 se pueden clasificar en varios grupos: [6]

Sistemas microsomales P450
en el que los electrones se transfieren desde el NADPH a través de la citocromo P450 reductasa (CPR, POR o CYPOR). El citocromo b 5 (cyb 5 ) también puede contribuir con poder reductor a este sistema después de ser reducido por la citocromo b 5 reductasa (CYB 5 R).
Sistemas mitocondriales P450
que emplean adrenodoxina reductasa y adrenodoxina para transferir electrones de NADPH a P450.
Sistemas bacterianos P450
que emplean una ferredoxina reductasa y una ferredoxina para transferir electrones a P450.
Sistemas CYB 5 R/cyb 5 /P450
en el que ambos electrones requeridos por el CYP provienen del citocromo b 5 .
Sistemas FMN/Fd/P450
Originalmente encontrado en especies de Rhodococcus , en las que una reductasa que contiene el dominio FMN está fusionada al CYP.
Sistemas solo P450
que no requieren poder reductor externo. Entre las más notables se encuentran la tromboxano sintasa (CYP5), la prostaciclina sintasa (CYP8) y la CYP74A (óxido de aleno sintasa).

La reacción más común catalizada por los citocromos P450 es una reacción de monooxigenasa, por ejemplo, la inserción de un átomo de oxígeno en la posición alifática de un sustrato orgánico (RH), mientras que el otro átomo de oxígeno se reduce a agua:

RH + O 2 + NADPH + H + → ROH + H 2 O + NADP +

Muchas reacciones de hidroxilación (inserción de grupos hidroxilo ) utilizan enzimas CYP, pero existen muchas otras hidroxilasas. Las hidroxilasas dependientes de alfa-cetoglutarato también dependen de un intermediario Fe=O pero carecen de hemo. La metano monooxigenasa, que convierte el metano en metanol, son enzimas basadas en hierro y hierro-cobre no hemo. [7]

Mecanismo

El ciclo catalítico P450
El "intermedio Fe(V)" en la parte inferior izquierda es una simplificación: es un Fe(IV) con un ligando hemo radical .

Estructura

El sitio activo del citocromo P450 contiene un centro de hierro hemo. El hierro está unido a la proteína a través de un ligando tiolato de cisteína . Esta cisteína y varios residuos flanqueantes están altamente conservados en los P450 conocidos y tienen el patrón de consenso de firma PROSITE formal [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD]. [8] En general, el ciclo catalítico del P450 se desarrolla de la siguiente manera:

Ciclo catalítico

  1. El sustrato se une en la proximidad del grupo hemo , en el lado opuesto al tiolato axial. La unión del sustrato induce un cambio en la conformación del sitio activo, a menudo desplazando una molécula de agua de la posición de coordinación axial distal del hierro hemo, [9] y cambiando el estado del hierro hemo de espín bajo a espín alto. [10]
  2. La unión del sustrato induce la transferencia de electrones desde NAD(P)H a través de la citocromo P450 reductasa u otra reductasa asociada , [11] convirtiendo Fe(III) en Fe(II).
  3. El oxígeno molecular se une al centro del hemo ferroso resultante en la posición de coordinación axial distal, dando inicialmente un aducto de dioxígeno similar a la oximioglobina.
  4. Se transfiere un segundo electrón, ya sea de la citocromo P450 reductasa , ferredoxinas o citocromo b 5 , reduciendo el aducto Fe-O 2 para dar un estado peroxo de corta duración.
  5. El grupo peroxo formado en el paso 4 se protona rápidamente dos veces, liberando una molécula de agua y formando la especie altamente reactiva denominada P450 Compuesto 1 (o simplemente Compuesto I). Este intermediario altamente reactivo se aisló en 2010, [12] El P450 Compuesto 1 es una especie de oxo de hierro (IV) (o ferrilo ) con un equivalente oxidante adicional deslocalizado sobre los ligandos de porfirina y tiolato. Falta evidencia del perferrilo de hierro (V)-oxo alternativo [9] . [12]
  6. Dependiendo del sustrato y la enzima implicados, las enzimas P450 pueden catalizar una amplia variedad de reacciones. Se ilustra una hidroxilación hipotética. Una vez que el producto hidroxilado se ha liberado del sitio activo, la enzima vuelve a su estado original y una molécula de agua vuelve a ocupar la posición de coordinación distal del núcleo de hierro.
Mecanismo de rebote de oxígeno utilizado por el citocromo P450 para la conversión de hidrocarburos en alcoholes a través de la acción del "compuesto I", un óxido de hierro (IV) unido a un catión radical hemo.
  1. Una ruta alternativa para la monooxigenación es a través de la "derivación de peróxido" (ruta "S" en la figura). Esta vía implica la oxidación del complejo férrico-sustrato con donantes de átomos de oxígeno como peróxidos e hipocloritos. [13] En el diagrama se muestra un peróxido hipotético "XOOH".

Se han investigado los detalles mecanísticos, incluido el mecanismo de rebote de oxígeno , con análogos sintéticos, que consisten en complejos de oxohemo de hierro. [14]

Espectroscopia

La unión del sustrato se refleja en las propiedades espectrales de la enzima, con un aumento de la absorbancia a 390 nm y una disminución a 420 nm. Esto se puede medir mediante espectroscopias de diferencia y se conoce como espectro de diferencia de "tipo I" (ver gráfico insertado en la figura). Algunos sustratos causan un cambio opuesto en las propiedades espectrales, un espectro de "tipo I inverso", por procesos que aún no están claros. Los inhibidores y ciertos sustratos que se unen directamente al hierro hemo dan lugar al espectro de diferencia de tipo II, con un máximo a 430 nm y un mínimo a 390 nm (ver gráfico insertado en la figura). Si no hay equivalentes reductores disponibles, este complejo puede permanecer estable, lo que permite determinar el grado de unión a partir de mediciones de absorbancia in vitro [13] C: Si el monóxido de carbono (CO) se une al P450 reducido, se interrumpe el ciclo catalítico. Esta reacción produce el espectro de diferencia de CO clásico con un máximo a 450 nm. Sin embargo, los efectos inhibitorios e inhibitorios del CO varían según los diferentes CYP, de modo que la familia CYP3A se ve relativamente menos afectada. [15] [16]

Véase también

Lectura adicional

  • Estabrook RW (diciembre de 2003). "Una pasión por los P450 (Recuerdos de la historia temprana de la investigación sobre el citocromo P450)". Metabolismo y disposición de fármacos . 31 (12): 1461–1473. doi :10.1124/dmd.31.12.1461. PMID  14625342. S2CID  43655270.

Referencias

  1. ^ ab "Citocromo P450". InterPro .
  2. ^ Danielson PB (diciembre de 2002). "La superfamilia del citocromo P450: bioquímica, evolución y metabolismo de fármacos en humanos". Current Drug Metabolism . 3 (6): 561–597. doi :10.2174/1389200023337054. PMID  12369887.
  3. ^ "Visualizador de secuencias del NCBI" . Consultado el 19 de noviembre de 2007 .
  4. ^ Nelson DR (octubre de 2009). "La página de inicio del citocromo p450". Human Genomics . 4 (1): 59–65. doi : 10.1186/1479-7364-4-1-59 . PMC 3500189 . PMID  19951895. 
  5. ^ Nelson DR (enero de 2011). "Progreso en el rastreo de las rutas evolutivas del citocromo P450". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteínas y proteómica . 1814 (1): 14–18. doi :10.1016/j.bbapap.2010.08.008. PMID  20736090.
  6. ^ Hanukoglu I (1996). "Proteínas de transferencia de electrones de los sistemas del citocromo P450" (PDF) . Adv. Mol. Cell Biol . Avances en biología molecular y celular. 14 : 29–55. doi :10.1016/S1569-2558(08)60339-2. ISBN. 978-0-7623-0113-3.
  7. ^ Tucci FJ, Rosenzweig AC (febrero de 2024). "Oxidación directa de metano por monooxigenasas de metano dependientes de cobre y hierro". Chemical Reviews . 124 (3): 1288–1320. doi :10.1021/acs.chemrev.3c00727. PMC 10923174 . PMID  38305159. 
  8. ^ [1] Archivado el 18 de octubre de 2019 en Wayback Machine Patrón de consenso PROSITE para P450
  9. ^ ab Meunier B, de Visser SP, Shaik S (septiembre de 2004). "Mecanismo de reacciones de oxidación catalizadas por enzimas del citocromo p450". Chemical Reviews . 104 (9): 3947–3980. doi :10.1021/cr020443g. PMID  15352783. S2CID  33927145.
  10. ^ Poulos TL, Finzel BC, Howard AJ (junio de 1987). "Estructura cristalina de alta resolución del citocromo P450cam". Journal of Molecular Biology . 195 (3): 687–700. doi :10.1016/0022-2836(87)90190-2. PMID  3656428.
  11. ^ Sligar SG, Cinti DL, Gibson GG, Schenkman JB (octubre de 1979). "Control del estado de espín del potencial redox del citocromo P450 hepático". Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica . 90 (3): 925–932. doi :10.1016/0006-291X(79)91916-8. PMID  228675.
  12. ^ ab Rittle J, Green MT (noviembre de 2010). "Compuesto I del citocromo P450: captura, caracterización y cinética de activación del enlace CH". Science . 330 (6006): 933–937. Bibcode :2010Sci...330..933R. doi :10.1126/science.1193478. PMID  21071661. S2CID  206528205.
  13. ^ ab Ortiz de Montellano PR (2005). Citocromo P450: estructura, mecanismo y bioquímica (3.ª ed.). Nueva York: Kluwer Academic/Plenum Publishers. ISBN 978-0-306-48324-0.
  14. ^ Huang X, Groves JT (marzo de 2018). "Activación del oxígeno y transformaciones radicales en proteínas hemo y metaloporfirinas". Chemical Reviews . 118 (5): 2491–2553. doi :10.1021/acs.chemrev.7b00373. PMC 5855008 . PMID  29286645. 
  15. ^ Hopper CP, Zambrana PN, Goebel U, Wollborn J (junio de 2021). "Una breve historia del monóxido de carbono y sus orígenes terapéuticos". Óxido nítrico . 111–112: 45–63. doi :10.1016/j.niox.2021.04.001. PMID  33838343. S2CID  233205099.
  16. ^ Smith AT, Pazicni S, Marvin KA, Stevens DJ, Paulsen KM, Burstyn JN (abril de 2015). "Divergencia funcional de las proteínas hemo-tiolato: una clasificación basada en atributos espectroscópicos". Chemical Reviews . 115 (7): 2532–2558. doi :10.1021/cr500056m. PMID  25763468.
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