Cytochrom P450

Molekülstruktur von Cytochrom P450eryF (PDB:1EGY)

Die Cytochrome P450 (CYP) sind Hämproteine mit enzymatischer Aktivität (Oxidoreduktasen), die praktisch in allen Formen des Lebens vorkommen. In Tieren wurden sie in allen Organen, insbesondere in der Leber, nachgewiesen. Beim Menschen wurden 57 verschiedene CYPs gefunden. CYPs reagieren fast ausschließlich als Monooxygenasen (Ein-Sauerstoffatom-Überträger). Der wichtigste Reaktionstyp ist die Hydroxylierung nicht aktivierter C-H-Bindungen:

Als Reduktionsmittel dienen NADH/NADPH (16 Fälle), Flavine oder Flavoproteine (26 Fälle) oder Eisen-Schwefel-Proteine wie Ferredoxin (5 Fälle).[1]

CYPs leisten einen wichtigen Beitrag bei der Verstoffwechselung wasserunlöslicher Stoffe durch Oxidation. Diese werden dadurch besser wasserlöslich und können schneller aus dem Körper ausgeschieden werden (Biotransformation). Als Substrate fungieren sowohl körpereigene als auch körperfremde Stoffe (z. B. Arzneimittel). Daneben sind CYPs an wichtigen Schritten der Synthese von Steroidhormonen, Prostaglandinen, Retinoiden und von Vitamin D3 (z. B. durch das CYP27B1) beteiligt.

Geschichte

Die Cytochrome P450 (P = Pigment) wurden in Ermangelung jeglichen Wissens über ihre Funktion nach der ungewöhnlichen Lage der Soret-Bande des Komplexes mit Kohlenmonoxid bei 450 nm benannt, die erstmals von Martin Klingenberg 1958 bei der Arbeit mit „Cytochrom b5“ beobachtet wurde. Eine erste Funktion im Steroidmetabolismus konnte 1963 von Estabrook, Cooper und Rosenthal gesichert werden.[2]

Struktur

Cytochrom-P450-Enzyme sind Proteine, die üblicherweise aus ca. 500 Aminosäuren bestehen. Das aktive Zentrum des Enzyms, an dem die Katalyse stattfindet, ist ein Eisen(III)-Ion, dessen äquatoriale Koordinationsstellen durch die vier Stickstoffatome eines Protoporphyrin IX besetzt werden. Dieses Häm b ist durch die Koordination eines Cysteinatorestes in einer der beiden axialen Positionen des Eisenzentrums mit dem Proteinrückgrat verknüpft. Die zweite axiale Position wird im Ruhezustand des Enzyms durch einen schwach gebundenen Wasserliganden besetzt.

Cytochrom-P450-Enzyme sind meist Teil eines zwei- oder dreiteiligen Proteinsystems; die Redoxpartner sind für die Übertragung der Elektronen vom Cofaktor NAD(P)H auf P450 zuständig. In Eukaryoten herrschen Zweikomponentsysteme vor, mit einer NADPH-Cytochrom-P450-Oxidoreduktase (CPR) als Partner. Bei den Dreikomponentsystemen in Prokaryoten und Mitochondrien kommt neben einem Flavoprotein meist noch ein Eisen-Schwefel-Protein (Ferredoxin) hinzu.[3]

Typen

Eine eigene Nomenklatur stellt eine Ordnung über die zahlreichen Untertypen von Cytochrom P450 her. Die Vertreter im menschlichen Organismus sind: CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1, CYP2A6, CYP2A7, CYP2A13, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C18, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP2F1, CYP2J2, CYP2R1, CYP2S1, CYP2U1, CYP2W1, CYP3A4, CYP3A5, CYP3A7, CYP3A43, CYP4A11, CYP4A22, CYP4B1, CYP4F2, CYP4F3, CYP4F8, CYP4F11, CYP4F12, CYP4F22, CYP4V2, CYP4X1, CYP4Z2, CYP5A1, CYP7A1, CYP7B1, CYP8A1, CYP8B1, CYP11A1, CYP11B1, CYP11B2, CYP17A1, CYP19A1, CYP20A1, CYP21A1, CYP21A2, CYP24A1, CYP26A1, CYP26B1, CYP26C1, CYP27A1, CYP27B1, CYP27C1, CYP39A1, CYP46A1, CYP51A1.

Wirkungsmechanismus in Grundzügen

Der am weitesten verbreitete Vorschlag für den Reaktionszyklus des Cytochroms P450 nach Groves. Die Existenz der Eisenoxidospezies ist umstritten.

Der Katalysezyklus beginnt mit der Bindung eines Substratmoleküls in der Nähe des aktiven Zentrums. Dadurch wird der labile Wasserligand verdrängt. Nun wird das aktive Zentrum einmal reduziert und anschließend molekularer Sauerstoff an das Eisenzentrum angelagert. Nach Aufnahme eines weiteren Elektrons und zweier Protonen wird die Bindung des Disauerstoffs gespalten. Eines der Sauerstoffatome wird dabei als Wassermolekül abgegeben, das andere auf das Substrat übertragen. Abschließend wird das oxidierte Substrat durch eintretendes Wasser verdrängt und der Ruhezustand wiederhergestellt. Die Reduktionsäquivalente werden hierbei von NADPH und einem Flavoprotein (z. B. NADPH-Cytochrom-P450-Reduktase) bereitgestellt. In Dreikomponentensystemen nimmt meist noch ein Eisen-Schwefel-Protein an der Elektronenübertragung teil.[3] Anstelle des nativen Systems O2/NADPH kann auch Wasserstoffperoxid zur Erzeugung der aktiven Spezies verwendet werden (siehe S in Abb.). Nachteilig ist dabei, dass das Enzym schnell Schaden nimmt und somit seine Aktivität verliert.

Eine Störung kann zum Cytochrom-POR-Mangel führen.

Siehe auch

Literatur

  • JA Hasler: Human Cytochromes P450. In: Mol. Aspects Med. 20. Jahrgang, 1999, S. 1–137, doi:10.1016/S0098-2997(99)00005-9.
  • M. Sono, MP. Roach, ED. Coulter, JH. Dawson: Heme-Containing Oxygenases. In: Chem. Rev. 96. Jahrgang, Nr. 7, November 1996, S. 2841–2888, PMID 11848843.
  • EI. Solomon, TC. Brunold, MI. Davis et al.: Geometric and electronic structure/function correlations in non-heme iron enzymes. In: Chem. Rev. 100. Jahrgang, Nr. 1, Januar 2000, S. 235–350, PMID 11749238.
  • FP Guengerich: Reactions and significance of cytochrome P-450 enzymes. In: J. Biol. Chem. 266. Jahrgang, Nr. 16, Juni 1991, S. 10019–22, PMID 2037557 (jbc.org [PDF]).
  • K. J. McLean, M. Sabri u. a.: Biodiversity of cytochrome P450 redox systems. In: Biochem. Soc. Trans.; Band 33, Pt 4August 2005, S. 796–801, doi:10.1042/BST0330796. PMID 16042601. (Review).
  • I. G. Denisov, A. Y. Shih, S. G. Sligar: Structural differences between soluble and membrane bound cytochrome P450s. In: Journal of Inorganic Biochemistry. Band 108, März 2012, S. 150–158, doi:10.1016/j.jinorgbio.2011.11.026. PMID 22244217.
Commons: Cytochrome P450 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ @1@2Vorlage:Toter Link/www.uniprot.orgSuchergebnis CYP450 (Mensch) nach EC-Nummer (Seite nicht mehr abrufbar. Suche in Webarchiven) UniProt.
  2. ↑ RW Estabrook: A passion for P450s (remembrances of the early history of research on cytochrome P450). In: Drug Metab. Dispos. 31. Jahrgang, Nr. 12, Dezember 2003, S. 1461–73, doi:10.1124/dmd.31.12.1461, PMID 14625342 (aspetjournals.org).
  3. ↑ a b IPR001128:Cytochrome P450. Interpro.

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==The P450 catalytic cycle==

1: The substrate binds to the active site of the enzyme, in close proximity to the heme group, on the side opposite to the peptide chain. The bound substrate induces a change in the conformation of the active site, displacing a water molecule from the distal axial coordination position of the heme iron[1] changing the state of the heme iron from low-spin to high-spin[2]. This gives rise to a change in the spectral properties of the enzyme, with an increase in absorbance at 390~nm and a decrease at 420~nm. This can be measured by difference spectrometry and is referred to as the "type~I" difference spectrum (see inset graph in figure). Some substrates cause an opposite change in spectral properties, a "reverse type~I" spectrum, by processes that are as yet unclear. Inhibitors and certain substrates that bind directly to the heme iron give rise to the type~II difference spectrum, with a maximum at 430~nm and a minimum at 390~nm (see inset graph in figure). If no reducing equivalents are available, this complex remains stable, allowing the degree of binding to be determined from absorbance measurements in vitro[3]

2: The change in the electronic state of the active site favours the transfer of an electron from NAD(P)H[4]. This takes place via the electron transfer chain, as described above, reducing the ferric heme iron to the ferrous state.

3: Molecular oxygen binds covalently to the distal axial coordination position of the heme iron. The cysteine ligand is a better electron donor than histidine, with the oxygen consequently being activated to a greater extent than in other heme proteins. However, this sometimes allows the bond to dissociate, the so-called "decoupling reaction", releasing a reactive superoxide radical, interrupting the catalytic cycle[1].

4: A second electron is transferred via the electron-transport system, reducing the dioxygen adduct to a negatively charged peroxo group. This is a short-lived intermediate state.

5: The peroxo group formed in step 4 is rapidly protonated twice by local transfer from surrounding amino-acid side chains, releasing one mole of water, and forming a highly reactive iron(V)-oxo species[1].

6: Depending on the substrate and enzyme involved, P450 enzymes can catalyse any of a wide variety of reactions. A hypothetical hydroxylation is shown in this illustration. After the product has been released from the active site, the enzyme returns to its original state, with a water molecule returning to occupy the distal coordination position of the iron nucleus. S An alternative route for mono-oxygenation is via the "peroxide shunt": interaction with single-oxygen donors such as peroxides and hypochlorites can lead directly to the formation of the iron-oxo intermediate, allowing the catalytic cycle to be completed without going through steps 3, 4 and 5[3]. A hypothetical peroxide "XOOH" is shown in the diagram.

C: If carbon monoxide (CO) binds to reduced P450, the catalytic cycle is interrupted. This reaction yields the classic CO difference spectrum with a maximum at 450 nm.

  1. ↑ a b c Bernard Meunier, Samuël P. de Visser and Sason Shaik (2004). "Mechanism of Oxidation Reactions Catalyzed by Cytochrome P450 Enzymes". Chemical Reviews 104 (9): 3947 - 3980.
  2. ↑ Thomas L. Poulos, Barry C. Finzel and Andrew J. Howard (1987). "High-resolution crystal structure of cytochrome P450cam". Journal of Molecular Biology 195 (3): 687-700.
  3. ↑ a b P.R. Ortiz de Montellano (Ed.) (1995) Cytochrome P450 : structure, mechanism, and biochemistry, 2nd ed., Category:New York: Plenum
  4. ↑ S. G. Sligar, D. L. Cinti, G. G. Gibson and J. B. Schenkman (1979). "Spin state control of the hepatic cytochrome P450 redox potential". Biochemical and Biophysical Research Communications 90 (3): 925-932.