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Citocromo P450

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] Mediante 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 forma complejo con monóxido de carbono . La mayoría de los 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 número 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 implicadas en el metabolismo del paracetamol (acetaminofén). La nomenclatura CYP es la convención de nomenclatura oficial, aunque ocasionalmente se utiliza CYP450 o CYP 450 como sinónimos. Estos nombres nunca deben usarse según la convención de nomenclatura (ya que denotan un P450 en la familia número 450). Sin embargo, algunos nombres de genes o enzimas para P450 también reciben 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 , abreviada como TBXAS1 ( T hrom Box ane A 2 Synthase 1 ) , y CYP51A1 , lanosterol 14-α-desmetilasa, a veces abreviada 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 compartan 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 los nombres de los genes base (página de inicio del citocromo P450 archivada el 27 de junio de 2010 en Wayback Machine ) y 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 NADPH a través de la citocromo P450 reductasa (diversamente CPR, POR o CYPOR). El citocromo b 5 (cyb 5 ) también puede contribuir al poder reductor de 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
Se encontró originalmente en especies de Rhodococcus , en las que una reductasa que contiene un dominio FMN está fusionada al CYP.
Sistemas solo P450
que no requieren poder reductor externo. Los más notables incluyen 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 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 +

Enzimas de hidroxilación relacionadas

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 intermedio Fe=O pero carecen de hemo. La metano monooxigenasa, que convierte el metano en metanol, son enzimas no hemo a base de hierro y hierro-cobre. [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 radical hemo .

Estructura

El sitio activo del citocromo P450 contiene un centro de hierro hemo. El hierro está unido a la proteína mediante 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 cerca 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 bajo a alto giro. [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 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 desde la citocromo P450 reductasa , las ferredoxinas o el citocromo b 5 , lo que reduce el aducto Fe-O 2 para dar un estado peroxo de vida corta.
  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 Compuesto 1 P450 (o simplemente Compuesto I). Este intermedio altamente reactivo se aisló en 2010, [12] El compuesto 1 P450 es una especie de oxo (o ferril ) de hierro (IV) con un equivalente oxidante adicional deslocalizado sobre los ligandos de porfirina y tiolato. Falta evidencia sobre la alternativa perferril hierro (V)-oxo [9] . [12]
  6. Dependiendo del sustrato y la enzima involucrados, las enzimas P450 pueden catalizar cualquiera de una amplia variedad de reacciones. Se ilustra una hipotética hidroxilación. 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 mediante 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 sustrato férrico con donantes de átomos de oxígeno, como peróxidos e hipocloritos. [13] En el diagrama se muestra un peróxido hipotético "XOOH".

Los detalles mecánicos, incluido el mecanismo de rebote del oxígeno , se han investigado con análogos sintéticos compuestos por complejos de hierro oxo-hemo. [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 espectroscopías diferenciales y se denomina espectro diferencial "tipo I" (consulte el gráfico insertado en la figura). Algunos sustratos provocan un cambio opuesto en las propiedades espectrales, un espectro de "tipo I inverso", mediante procesos que aún no están claros. Los inhibidores y ciertos sustratos que se unen directamente al hierro hemo dan lugar al espectro diferencial de tipo II, con un máximo a 430 nm y un mínimo a 390 nm (consulte el 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 clásico espectro diferencial de CO con un máximo a 450 nm. Sin embargo, los efectos disruptivos e inhibidores del CO varían según los diferentes CYP, de modo que la familia CYP3A se ve relativamente menos afectada. [15] [16]

Ver también

Otras lecturas

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". Metabolismo de fármacos actual . 3 (6): 561–597. doi :10.2174/1389200023337054. PMID  12369887.
  3. ^ "Visor de secuencias NCBI" . Consultado el 19 de noviembre de 2007 .
  4. ^ Nelson DR (octubre de 2009). "La página de inicio del citocromo p450". Genómica humana . 4 (1): 59–65. doi : 10.1186/1479-7364-4-1-59 . PMC 3500189 . PMID  19951895. 
  5. ^ Nelson DR (enero de 2011). "Avances en el rastreo de los caminos evolutivos 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. Biol celular . 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 metano monooxigenasas dependientes de cobre y hierro". Reseñas químicas . 124 (3): 1288-1320. doi : 10.1021/acs.chemrev.3c00727. PMC 10923174 . PMID  38305159. 
  8. ^ [1] Archivado el 18 de octubre de 2019 en el patrón de consenso PROSITE de Wayback Machine 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". Reseñas químicas . 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". Revista de biología molecular . 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 giro 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". Ciencia . 330 (6006): 933–937. Código Bib : 2010 Ciencia... 330.. 933R. doi : 10.1126/ciencia.1193478. PMID  21071661. S2CID  206528205.
  13. ↑ ab Ortiz de Montellano PR (2005). Citocromo P450: estructura, mecanismo y bioquímica (3ª ed.). Nueva York: Kluwer Academic/Plenum Publishers. ISBN 978-0-306-48324-0.
  14. ^ Huang X, Groves JT (marzo de 2018). "Activación de oxígeno y transformaciones radicales en proteínas hemo y metaloporfirinas". Reseñas químicas . 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 proteínas hemotiolato: una clasificación basada en atributos espectroscópicos". Reseñas químicas . 115 (7): 2532–2558. doi :10.1021/cr500056m. PMID  25763468.