细胞色素P45001

细胞色素P450单加氧酶CytochromeP450enzymes一、细胞色素P450简介•细胞色素P450（cytochromeP450或CYP450,简称CYP450）为一类亚铁血红素—硫醇盐蛋白的超家族，它参与内源性物质和包括药物、环境化合物在内的外源性物质的代谢•细胞中，细胞色素P450主要分布在内质网和线粒体内膜上，作为一种末端加氧酶，参与了生物体内的甾醇类激素合成等过程。近年来，对细胞色素P450的结构、功能特别是对其在药物代谢中的作用的研究有了较大的进展。最新研究表明细胞色素P450还是药物代谢过程中的关键酶，而且对细胞因子和体温调节都有重要影响。•CYP在哺乳动物主要存在于微粒体和线粒体中。已发现几乎1000种CYP广泛分布于各种生物机体内，在生理上有功能意义的就有约50种，根据氨基酸序列的统一性分为17个家族和许多亚家族。氨基酸序列有40%以上相同者划为同一家族，以阿拉伯数字表示；同一家族内相同达55%以上者为一亚家族，在代表家族的阿拉伯数字之后标以英文字母表示；在同一亚家族的当同工酶则再以阿拉伯数字表示。细胞色素P450酶细胞色素P450（cytochromeP450或CYP450,简称CYP450）为一类亚铁血红素—硫醇盐蛋白的超家族，它参与内源性物质和包括药物、环境化合物在内的外源性物质的代谢。广泛分布于动物、植物和微生物等生物体内P450蛋白与CO的结合在450nm处有特征吸收峰，故将该酶系命名为细胞色素P45O酶系。细胞色素P450的化学本质是蛋白质，它不是一种蛋白，而是分子质量在46-60kDa的结构类似而又不尽相同，性质类似而又有差异的一族蛋白质(血红素蛋白)。在原核生物中，P450酶游离于胞质中，是一种可溶性蛋白；真核生物中，作为一种膜结合蛋白，P450酶主要分布在内质网和线粒体内膜上。P450酶系是自然界中最具有催化作用的广谱生物催化剂。其功能主要有两大类：1、催化内源性物质(如甾醇、脂肪酸及激素等)的生物合成和降解，维持生物体的正常功能；2、针对外源性物质包括人工合成的化学品（农药、致癌物、药物、抗氧化剂、添味剂、溶剂、染料、麻醉剂、石油产品等）起到解毒与活化的作用。CompanyLogoCYP450家族的酶有相似的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-L以及相似的β折叠结构。P450结构的核心是由3条平行螺旋线（D、L和I）和一条反向螺旋线（E）的四个螺旋束构成。不尽相同的过渡螺旋结构,则体现不同的家族个体，另外可能与底物结合的不同机制相关。活性中心由含铁血红素和半胱氨酸组成，其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。细胞色素P450蛋白是P450酶系的末端氧化酶，决定底物和产物的特异性，是酶系的关键组分。细胞色素P450几乎存在于包括细菌、真菌、植物和动物在内的所有有机体中。第一类是细菌/线粒体型，存在于细菌和真核细胞线粒体中第二类是微粒体型，存在于真核细胞微粒体中根据细胞色素P450酶在生物体中的分布可以分为两大类：二、细胞色素P45O的命名(1)以英文缩写CYP代表细胞色素P450(cytochromeP450)，CYP后顺序依次跟有数字、字母、数字，分别代表家族、亚家族、和同功酶。如:CYP6A2，即表示该基因属于细胞色素P450第6家族中A亚族的第二个基因；(2)同源性超过40%的视为同一家族的基因成员；同源性超过55%以上，为同一亚族成员；同源性大于80%，归为等位基因；而大97%的则认为是等位基因的变异体，以末尾加v表示。例如:CYP6A2vl，即CYP6A2的等位基因的第一个突变体;当然，也有例外的情况。如CYP6A1和CYP6B2这两个蛋白虽然其氨基酸相似性小于40%，但由于其保守的半胱氨酸侧翼序列相似的缘故，它们被归为同一家族。三、细胞色素P450的催化机理P450的催化机制可以分为以下几个步骤：（1）三价铁还原和HEM（亚铁血红素）结合氧气分子；活性中心处的还原性黄素蛋白通过共轭平面和肽链将其电子传递给HEM的三价铁，将其还原为二价铁，此时的亚铁血红素易与氧气分子结合形成氧合亚铁血红素复合物[P-Fe(III)＋O2＋e-→P-Fe(II)-O2]或者与过氧化氢反应通过捷径生成Fe(III)-氢过氧化复合物[P-Fe(III)＋H2O2→P-Fe(III)-O-OH＋H+]，进而形成Fe(III)-氢过氧化复合物；[P-Fe(II)-O2＋e-＋H+→P-Fe(III)-O-OH＋H2O](3)高活性氧合铁中间体形成;[P•Fe(III)-O-OH＋H+→[P•Fe(IV)＝O]+＋H2O](4)氧化底物。高价铁具有较高的氧化能力,而细胞色素P450底物上的碳氢键正好接近高价铁原子。氧原子从氧合铁中间体迁移到底物上,形成氧化产物。最后,产物被水或新的底物取代,从复合状态解脱离去,完成循环。至此,细胞色素P450完成了羟基化作用。四、细胞色素P450催化反应的类型（2）催化不饱和烃的氧化（1）催化饱和烃的羟基化CompanyLogo(3)催化N-脱烷基化、S-脱烷基化、O-脱烷基化(4）催化杂原子（N\S）的氧化(5)催化芳环环氧化、羟基化(6)氧化脱氨、氧化脱卤素(7)催化醇、醛氧化(8)脱水、脱氢(9)还原反应(10)裂解反应五、细胞色素P450酶与药物代谢•在人体中，P450广泛分布于肝、肾、脑、皮肤、肺、胃肠道及胎盘等组织器官，其氧化还原反应发生在许多部位，主要在肝脏。•目前发现的人类细胞色素P450共有57种，约有90%的临床药物都是经过这些细胞色素P450酶代谢。其中最重要的是CYP3A4，约占全部药物的50%CYP2D6约占30%CYP2C9约占10%CYP1A2约占4%CYP2A6约占2%CYP2C19约占2%1、细胞色素P450酶药物代谢的一般途径•复合：药物首先与氧化型细胞色素P450Fe3+结合成复合物。•还原：P450Fe3+-药物接受还原辅酶Ⅱ提供的电子，由辅酶Ⅱ细胞色素C还原酶传递，还原成P-450Fe2+药物。•接受一分子氧；P450Fe2+药物中的低铁血红素能与分子氧结合。•再接受电子还原：O2—P—Fe2+—药物再接受两个电子，由NADPH提供或由还原辅酶Ⅰ供给，NADH-细胞色素b5还原酶传递，激活分子氧成两个离子氧。•氧化：一个离子氧使药物氧化，另一个与氢结合成水。同时，P450-Fe2+失去一个电子，而氧化再生成P450-Fe3+。因此可被反复利用用而起催化作用。CompanyLogo复合：药物首先与氧化型细胞色素P450Fe3+结合成复合物。还原：P450Fe3+-药物接受还原辅酶Ⅱ提供的电子，由辅酶Ⅱ细胞色素C还原酶传递，还原成P-450Fe2+药物。接受一分子氧；P450Fe2+药物中的低铁血红素能与分子氧结合。再接受电子还原：O2—P—Fe2+—药物再接受两个电子，由NADPH提供或由还原辅酶Ⅰ供给，NADH-细胞色素b5还原酶传递，激活分子氧成两个离子氧。。氧化：一个离子氧使药物氧化，另一个与氢结合成水。同时，P450-Fe2+失去一个电子，而氧化再生成P450-Fe3+。因此可被反复利用用而起催化作用。。2、药物与P450酶的关系•抑制剂（inhibitors）使酶活性减弱，使其他药物或本身代谢减慢,占代谢性相互作用的70%•诱导剂（inducers）使酶活性增强，使其他药物或本身代谢加速，占代谢性相互作用的23%•药物对P450抑制的情况又分为：竞争性抑制：通常发生在两种药物都是同一个酶的底物时，会产生底物之间的竞争，抑制彼此的代谢。非选择性抑制：指药物对多个CYP同工酶都有抑制作用，缺乏选择性。如西咪替丁可同时抑制CYP3A4、CYP2D6、CYP1A2常见人类P450酶的抑制剂及诱导剂酶底物抑制剂诱导剂1A2茶碱、咖啡因、普萘洛尔、R-华法林中：环丙沙星、美西律、普罗帕酮弱：阿昔洛韦、西咪替丁、法莫替丁、诺氟沙星、维拉帕米吸烟、碳烤肉、奥美拉唑、苯妥因2C9胺碘酮、氯沙坦、厄贝沙坦、氟伐他汀、瑞舒伐他汀、S-华法林、西洛他唑胺碘酮、洛伐他汀、氯吡格雷代谢物、氟康唑巴比妥类利福平2C19普萘洛尔、瑞舒伐他汀、华法林、奥美拉唑、埃索美拉唑、兰索拉唑、泮托拉唑奥美拉唑利福平2D6普罗帕酮、美西律、尼莫地平、卡托普利、普萘洛尔、美托洛尔、比索洛尔、卡维地洛、西洛他唑胺碘酮、普罗帕酮、普萘洛尔、西咪替丁、氟西汀3A4胺碘酮、奎尼丁、利多卡因、钙离子拮抗剂、依那普利、厄贝沙坦、洛尔他汀、辛伐他汀、阿托伐他汀、非诺贝特、吉非罗齐、华法林强：克拉霉素、伊曲康唑、酮康唑中：地尔硫卓、红霉素、氟康唑、维拉帕米、葡萄柚汁弱：西咪替丁苯妥英利福平六、人类细胞色素P450与疾病及治疗CompanyLogoP450酶的体内分布•主要位于肝脏•也见于肠道、肾脏和脑内P450酶功能•催化内源物质(如甾类化合物)的代谢•催化外源物质(如药物)的代谢（结果对机体可能有益也可能有害）P450酶功能与药物的关系•P450酶的功能涉及到体内药物的氧化代谢、生物活化和细胞毒性致活•氧化代谢途径包括羟化、去甲基、去烷基和环氧化等人体药物氧化代谢的P450酶•属于14族，大约510种•CYP1A2•CYP2B6CYP2C9/10CYP2C19CYP2D6CYP2E1•CYP3A3/4P450酶的个体和种族差异（1）许多药物采用同一剂量个体间的血药浓度可以相差很大，如去甲替林同一剂量血药浓度可相差30倍，而P450酶活性的差异是决定其差异的主要因素。P450酶的个体和种族差异（2）•有些P450酶(如CYP2D6和CYP2C19)的活性存在二态性分布，即遗传多态性•酶活性表型(phenotype)•强代谢者(extensivemetabolisers,EM)•弱代谢者(poormetabolisers,PM)•酶的基因型(genotype)•PM的代谢缺陷属于常染色体隐性遗传遗传多态性遗传多态性是一种孟德尔遗传特性，正常群体中至少存在两种表型，每一种的频率均不低于1%。弱或慢代谢者具有纯合的常染色体隐性等位基因（常为突变的等位基因）而强或快代谢者具有杂合的或纯合的显性等位基因。一些细胞色素P450同工酶与遗传多态性有关。最为人知的多态性同工酶是CYP2D6即异喹胍羟化酶。CYP2D6基因位于第22染色体，该基因的突变会导致酶的亲和力减少或降低。5-10%的高加索人或0.9%的亚洲人的异喹胍和CYP2D6其它底物的代谢率明显降低。除了弱和强代谢者，现在还发现一组称为超快速代谢者。这组与活性极高的从基因放大而来的CYP2D6有关。CYP2C19酶首先于S-美芬妥英(s-mephenytoin)的羟化中认识，也与遗传多态性有关。S-美芬妥英慢代谢在高加索人为2-5%，日本人为20%，非洲的美洲人为19%，非洲人为8%。CYP2E1酶也示有遗传多态性，可影响人细胞色素基因CYP2E151-侧面区，（含DNA的非编码基因区，与蛋白质相互作用以促进或抑制转录）。它含有一些多态性长度限制性碎片，可影响转录或蛋白质表达的功能活性，并与酒精性肝病、吸烟引起的肝、肺癌的发展有关。药物代谢遗传多态性的临床重要性取决于药物的活性是依赖于底物还是代谢物，以及影响药物总的消除通路的程度。异喹胍的抗高血压作用存在于药物自身而其消除取决于通路。因此，正常剂量下，弱代谢个体就有更大的可能出现明显的和长期的副作用。相反，可待因的镇痛活性是因为被CYP2D6（异喹胍羟化酶）脱甲基后形成吗啡所致。弱代谢者其镇痛效能就较低。另外，涉及代谢酶抑制或诱导的药物相互作用程度受遗传因素的影响且可以预测。奎尼丁是异喹胍羟化酶的强效抑制剂，它可使正常有效代谢变为表型的弱代谢者，从而增加潜在的副作用，有人建议在口服治疗指数窄的药物前，对病人的特定代谢路径进行表型研究。表型以给予单一剂量的标志物后药物及其代谢物在尿内浓度比率为基础的。金雀花碱(sparteine)、异喹胍(debrisoquine)及右美沙芬(dextromethorp