细胞色素P450的特性.docx

细胞色素P450的特性及其研究进展 摘要：细胞色素P450是内质网膜上混合功能氧化酶系统的末端氧化酶，在生物体内分布广泛，主要催化机体内源和外源性物质在体内的氧化反应。在临床药物的生物学转化中，它参与大部分药物的生物氧化，因此具有重要的生物学意义。 关键词：细胞色素P450 特性 机理 功能 Characteristics of cytochrome P450 and its research development ABSTRACT: Being the terminal oxidase component of mixed function oxidase system in the membrane of endoplasmic reticulum, cytochrome P450 (CYP450) has been found in all living organisms and can catalyze the oxidation of a variety of endogenous and xenobiotic compounds. This article reviewed the mechanistic explorations on CYP450- catalyzed reactions , especially the recent investigations on the mechanism of ethanol oxidation catalyzed by CYP450, as well as those in CYP450 drug metabolism. Keywords cytochrome P450; structure; catalytic mechanism; function 前言 细胞色素P450是一组结构和功能相关的超家族基因编码的含铁血红素同工酶，主要存在于肝细胞平滑肌内质网内，由血红素蛋白、黄素蛋白及磷脂三部分组成，相对分子质量在40 000—60 000之间，因其具有血色素类似的结构，且其还原态与一氧化碳作用后，在450nm处有一个吸收高峰，因此而被命名为细胞色素氧化酶P450[1]。CYP450家族成员之间的一级结构差异很大，但空间结构却有着较大的相似性，含有由含铁血红素和半胱氨基酸组成的活性中心。 1 分布特点 细胞色素P450酶系统广泛分布于动物、植物和微生物体内，是自然界中含量最丰富、分布最广泛、底物谱最广的Ⅰ相代谢酶系。其分布具有一定的选择性，它分布于外源化合物进入人体内的主要入口组织，这些组织是对经皮肤和口腔进入生物体的外源化合物的第一道防线。微粒体细胞色素P450分布于全身各组织中，但以肝脏细胞含量最丰富，参与药物、致癌物、类固醇激素和脂肪酸的代谢。人体内细胞色素P450主要存在于肝脏和小肠中，此外肾、脑、肺、皮肤、肾上腺、胃肠等脏器组织也有P450存在，不仅存在于内质网，在线粒体或核膜内均有P450的存在，肿瘤组织中也有细胞色素P450存在[2-3]。 [1]李晓宇，刘皋林．CYP450酶特性及其鹿用研究进展．中国临床药理学与治疗学，2008，13(8)：942-946． [2]Sissung TM，Price DK，Sparreboom A，et a1．Pharmacogenetics and regulation of human cytochromeP450 1 BI：implications in hormone mediated tumor metabolism and a novel target for therapeutic intervention．Mol Cancer Res。2006，4(3)：135-150． [3]Oyanul T，Sngio K，lm T，et a1．Expression of cytochromeP450 in non—small cell lung cancer．Front Biosci，2008，13：5787-5793． 2 性质特点 细胞色素有很多种，例如细胞色素a、b、c、d等。细胞色素P450属b类细胞色素，是一种含亚铁的卟啉蛋白，即血红素蛋白，本身具有典型的可见光吸收光谱。在一定条件下，与其他化合物结合时，原有的吸收光谱将发生改变，形成的吸收光谱称为“示差谱”(difference spectrum)。 氧化型细胞色素P450可与多种药物（例如苯巴比妥）、环境污染物和农药（例如滴滴氧化型细胞色素涕）等在CYP的疏水部位结合，形成的吸收光谱称为Ⅰ型示差谱，最大吸收峰在390nm附近(385~390nm)，最低吸收谷在420nm附近（418~427nm）；所结合的化合物称为Ⅰ型配体（ligand），这些配体大的底物，有的对CYP还具有诱导作用。 氧化型细胞色素P450，如与一些含氮的有机化氧化型细胞色素合物（如烟硷、烷基咪唑等）相结合，则形成Ⅱ型示差谱，其结合部位是细胞色素P450的血红素铁，最大吸收峰在430nm附近（430～435nm），最低吸收谷在395nm附近（390～410nm），所结合的化合物称为Ⅱ型配体，其中多数对CYP具有抑制作用。 还原型细胞色素P450可与胡椒基丁醚、SFK-525A、乙基胩等相结合，形成的吸收光谱称为Ⅲ型示差谱，最大吸收峰在430nm，最低吸收谷在390nm；所结合的化合物称为Ⅲ型配体，胡椒基丁醚和SFK-525A两种配体是重要的CYP抑制剂。 还原型细胞色素P450与CO相结合，形成一种特殊的吸收光谱，称为CO示差谱，最大吸收峰为450nm（448～450nm）。 3 结构特点 细胞色素P450与一氧化氮合酶(NOS)一样都是以硫醇盐结合血红素为活性中心催化氧原子转移的氧化还原酶, 都需要亚铁血红素(HEM)活化氧. 活性中心HEM的铁离子一侧与半胱氨酸的硫络合, 另一侧可与水中的氧分子络合. 细胞色素P450中绝对保守的半胱氨酸与催化活性中心亚铁血红素中铁元素形成硫醇盐离子键, 成为铁的一个配体[2]. 这正是细胞色素P450中的铁能与一氧化碳络合, 并在450 nm存在特征吸收的原因, 最初名称也由此而来. 数十个细胞色素P450晶体结构显示不同种属间的序列差异较大, 但其三维结构高度保守. 所有细胞色素P450都基于序列维持整个结构折叠弯曲的相似, 其二级结构用典型细胞色素P450折叠命名法标示, P450 StaP的折叠结构和对应折叠弯曲结构的名称[3]. 从链霉菌分离出的咔唑生物碱星孢菌素(Staurosporine)具有强抗癌作用, 其生物合成的关键步骤是由P450 StaP催化底物色素吡咯(chromopyrrolicacid, CPA)氧化脱氢,形成分子内C—C键成咔唑环, 经氧化脱羧完成. 尽管P450 StaP催化反应不同于常见的细胞色素P450对碳氢键的羟基化, 但是其结构具有细胞色素P450家族的酶特有的相似折叠结构和相同的氧化活性中心(HEM), 从N端到C端包含α螺旋结构为A, B, C, D, F, E, G, H, I, J, K, L以及相似的β折叠结构. 不尽相同的过渡螺旋结构, 则通过标注'区别, 如B', K'等. 晶体结构显示P450 StaP结合底物CPA的三种方式: 一种是位于由Hem, B'2和I螺旋、连接F, G螺旋的回转结构(F/G loop)“缝制”而成的活性中心口袋中, 其它两种结合方式的意义尚不十分清楚, 但可能揭示了底物进入活性中心的可能通道[3]. 从另一角度观察一些细胞色素P450与底物结合的空间构象, 可以明显看到围绕I 螺旋表面形成通向活性位点的开/关运动的通道. 在钌与光敏剂络合后与底物结合, 再与P450 cam酶结合, X 光晶体衍射显示出P450 cam的亚分子结构和隐藏在深处活性位点的立体结构和性质,其中钌到活性中心铁的间距即具有催化活性的大沟的深度为21 Å. 综合几种细胞色素P450的结构显示, 亚铁血红素基团均被限制在末端的螺旋I和邻近的螺旋L之间.接近催化中心的半胱氨酸与邻近主链的氨基形成两个氢键; 长螺旋I形成了亚铁血红素口袋内壁, 并且包含了特征氨基酸序列; 高度保守、具有酸性残基的苏氨酸位于活性位点, 参与催化作用[3～5,8,9]. 尽管细胞色素P450酶系的折叠结构高度保守, 但还是有足够的结构差异, 以便大小不同的底物与不同种类细胞色素P450结合. [2] Wang, B.; Su, X.-S.; Zhang, S.-H. Chin. J. Org. Chem. 2005, 25(3), 342 (in Chinese). (王斌, 苏喜生, 张声华, 有机化学, 2005, 25(3), 342.) [3] Masatomo, M.; Hiroshi, S.; Yoshitsugu, S.; Shumpei, A.; Hiroyasu, O.; Shingo, N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.2007, 104(28), 11591. [4] Ivan, J. D.; Brian, R. C.; Jonathan, J. W.; Jay, R. W.; Harry, B. G. Proc.Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1999, 96(23), 12987. [5] Scott. E. E.; He, Y. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003, 100(23), 13196. [6] Zhao, Y.-H.; White, M. A.; Muralidharaet, B. K.; Sun, L.; Halpert, J. R.; Stout, D. C. J. Biol. Chem. 2006, 281(9), 5973. [7] Muralidhara, B. K.; Negi, S.; Chin, C. C.; Braun, W.; Halpert, J. R. J. Biol. Chem. 2006, 281(12), 8051. [8] Pylypenko, O.; Schlichting, I. Annu. Rev. Biochem. 2004, 73, 991. [9] Wade, R. C.; Winn, P. J.; Schlichting, I. J. Inorg. Biochem. 2004, 98(7), 1175. 4 催化反应特点 细胞色素P450酶系在自然界可能是最具有催化多样性的酶系，已从动物、植物、真菌和细菌等研究表明有多种不同的催化反应归功于细胞色素的作用（Black et al.1987，Gonzalea 1989）。的化学 结 构 是 一 种 含 个 铁 原 子 的叶琳 蛋白。其 参 与氧 化代 谢 的总 反应式如下: RH+O2+NADPH+H+ P450 →ROH+H2O+NADPH+ 4.1 底物识别与结合的诱导-契合机制 细胞色素P450催化的反应在以水为溶剂的环境中进行, 而底物是反应惰性的多种结构不同的脂溶性有机物, 难溶于水. 细胞色素P450在维持其折叠方式的同时, 需要适应和容纳不同结构的底物、兼顾水与有机相, 让底物进入深埋着的活性中心. 细胞色素P450通过诱导-契合机制识别底物是由六个“底物识别位点”(substrate recognition sites, SRS)来执行的: B'螺旋区(SRS1), 螺旋F和G的一部分(SRS2和SRS3), 螺旋I的一部分(SRS4), 螺旋K的β2连接区(SRS6), 以及β发夹区(SRS5). SRS是柔性蛋白质区域, 能够移动到底物, 并