Citohromi P450 (CYP) su natporodica enzima koji sadrže hem kao kofaktor koji funkcioniraju kao monooksigenaze. Kod sisara, ovi proteini oksidiraju steroide, masne kiseline i ksenobiotike, a važni su i za klirens različitih spojeva, kao i što se tiče sinteze i raspada hormona. Godine 1963. Estabrook, Cooper i Rosenthal opisali su ulogu CYP kao katalizatora u sintezi steroidnih hormona i metabolizmu lijekova. U biljkama, ovi proteini su važni za biosintezu odbrambenih spojeva, masnih kiselina i hormona.
CYP enzimi su identificirani u svim carstvima života: životinje, biljke, gljive, protisti, bakterije, i archaea, kao i u virusima. Međutim, oni nisu sveprisutni; naprimjer, nisu pronađeni u Escherichia coli. Od 2018., poznato je više od 300.000 različitih CYP proteina.
CYP su, općenito, terminalni enzimi oksidaze u lancima transfera elektrona, široko kategorizirani kao sistemi koji sadrže P450. Termin "P450" je izveden iz spektrofotometrijskog vrha na talasnoj dužini apsorpcionog maksimuma enzima (450 nm) kada je nalazi se u redukovanom stanju i u kompleksu sa ugljik-monoksidom. Većina CYP zahtijeva proteinskog partnera da isporuči jedan ili više elektrona, kako bi se smanjilo gvožđe (i na kraju molekulski kisik).
Nomenklatura Genikoji kodiraju CYP enzime, i sami enzimi, označeni imaju korijenski simbol CYP za natporodicu, nakon čega slijedi broj koji označava porodicu gena, veliko slovo koje označava potporodicu i još jedan broj za pojedinačni gen. Konvencija je da se piše kurzivno ime kada se odnosi na gen. Naprimjer, CYP2E1 je gen koji kodira enzim CYP2E1—jedan od enzima uključenih u metabolizam paracetamola (acetaminofena). Nomenklatura CYP je zvanična konvencija o imenovanju, iako se kao povremeno koristi sinonim CYP450 ili CYP450. Međutim, neki nazivi gena ili enzima za CYP mogu se razlikovati od ove nomenklature, označavajući katalitsku aktivnost i naziv spoja koji se koristi kao supstrat. Primjeri uključuju CYP5A1, tromboksan A2-sintazu, skraćeno TBXAS1 (ThromBoXane A2 Synthase 1), i CYP51A1, lanosterol 14-α-demetilaza, ponekad nezvanično skraćeno LDM, prema njenom supstratu (Lanosterol) i aktivnosti (DeMetilacija).
Sadašnje smjernice za nomenklaturu sugeriraju da članovi novih CYP porodica dijele najmanje 40% aminokiselinskog identiteta, dok članovi potporodica moraju dijeliti najmanje 55% aminokiselinskog identiteta. Nomenklaturne komisije dodjeljuju i prate oba osnovna imena gena (Cytochrome P450 Homepage) i alelna imena (CYP Komitet za alelnu nomenklaturu).
Klasifikacija thumb|left|Citohrom 1R9O thumb|Citohrom CYPC9
Na osnovu prirode proteina za prijenos elektrona, CYP se mogu klasificirati u nekoliko grupa:
Mikrosomni P450 sistemi u kojima se elektroni prenose sa nikotinamid adenin dinukleotid-fosfat preko citohrom P450-reduktaze (različito CPR, POR ili CYPOR). Citohrom b5 (cyb5) također može doprinijeti smanjenju snage ovog sistema nakon što je reduciran putem citohrom b5-reduktaze (CYB5R). Mitohondrijski P450 sistemi koji koriste adrenodoksin-reduktazu i adrenodoksin za prijenos elektrona sa NADPH na P450. Bakterijski P450 sistemi koji koriste feredoksin-reduktazu i feredoksin za prijenos elektrona na P450. CYB5R/cyb5/P450 sistemi u kojima oba elektrona potrebna za CYP dolaze iz citohroma b5. FMN/Fd/P450 sistemi izvorno pronađeni u vrstama roda Rhodococcus, kod kojih je FMN-domen koji sadrži reduktazu spojen sa CYP. P450 sami sistemi koji ne zahtijevaju eksternu redukcijsku snagu. Značajne su tromboksan-sintaza (CYP5), prostaciklin-sintaza (CYP8) i CYP74A (alen-oksid sintaza).
Najčešća reakcija koju kataliziraju citohromi P450 je reakcija monooksigenaze, npr. umetanje jednog atoma kisika u alifatski položaj organskog supstrata (RH), dok se drugi atom kisika reducira u vodu: <centar> RH + O2 + NADPH + H+ → ROH + H2O + NADP+ </center> Mnoge reakcije hidroksilacija (ubacivanje hidroksil grupa) koriste CYP enzime.
Mehanizam alt=The P450 catalytic cycle|thumb|400px| "Fe(V) intermedijer" u donjem lijevom uglu je pojednostavljenje: to je Fe(IV) sa radikalnim hem ligandom.
Struktura Aktivno mjesto citohroma P450 sadrži centar hemskog gvožđa. Gvožđe je vezano za protein preko cistein tiolatskog liganda. Ovaj cistein i nekoliko pratećih ostataka su visoko konzervirani u poznatim CYP-ima i imaju formalni PROSITE obrazac konsenzusa potpisa [FW] - [SGNH] – x – [GD] – {F} – [RKHPT] – {P} – C – [LIVMFAP] – [GAD]. PROSITE obrazac konsenzusa za P450 Zbog velike raznolikosti reakcija koje kataliziraju CYP, aktivnosti i svojstva mnogih CYP se razlikuju u mnogim aspektima. Općenito, katalitski ciklus P450 odvija se na sljedeći način:
Katalitski ciklus Supstrat se vezuje u blizini grupe hema, na strani suprotnoj od aksijalnog tiolata. Vezivanje supstrata izaziva promjenu u konformaciji aktivnog mjesta, često istiskujući molekulu vode iz distalnog aksijalnog koordinacionog položaja hemskog gvožđa, i promjenu stanja hemskog gvožđa sa niskog na visoko-spinovano. Vezivanje supstrata inducira prijenos elektrona iz NAD(P)H preko citohrom P450-reduktaze ili druge povezane reduktaze. Molekulski kisik se vezuje za rezultujući centar hemskog gvožđa na distalnoj aksijalnoj koordinacionoj poziciji, u početku dajući dioksigenski adukt sličan oksi-mioglobinu. Drugi elektron se prenosi, bilo iz citohrom P450-reduktaze, feredoksina ili citohroma b5, smanjujući Fe-O2 adukta da bi se dobilo kratkotrajno perokso stanje. Perokso grupa formirana u 4. koraku brzo se protonira dvaput, oslobađajući jednu molekulu vode i formirajući visoko reaktivnu vrstu koja se naziva P450 Spoj 1 (ili samo spoj I). Ovaj visoko reaktivni intermedijer izolovan je 2010. P450 spoj 1 je gvožđe(IV) okso (ili feril) vrsta sa dodatnim oksidacionim ekvivalentom delokalizovano preko porfirinskog i tiolatnog liganda. Dokazi za alternativni perferil gvožđe(V)-okso nedostaju. Ovisno o uključenom supstratu i enzimu, enzimi P450 mogu katalizirati bilo koju od širokog spektra reakcija. Na ovoj ilustraciji prikazana je hipotetSka hidroksilacija. Nakon što se proizvod oslobodi sa aktivnog mjesta, enzim se vraća u prvobitno stanje, a molekula vode se vraća i zauzima distalnu koordinacijsku poziciju gvožđevog jezgra. thumb|left|Mehanizam povratka kisika koji koristi citohrom P450 za pretvaranje ugljikovodika u alkohole, delovanjem "spoja I", gvožđe(IV) oksida vezanog za kation hemskog radikala.|300px
Alternativni put za monooksigenaciju je preko "peroksidnog šanta" (put "S" na slici). Ovaj put podrazumijeva oksidaciju kompleksa gvožđe-supstrat donorima atoma kisika kao što su peroksidi i hipohloriti. Hipotetski peroksid "XOOH" je prikazan na dijagramu.
Spektroskopija Vezivanje supstrata se ogleda u spektarskim svojstvima enzima, sa povećanjem apsorbancije na 390 nm i smanjenjem na 420 nm. Ovo se može izmjeriti spektroskopijom razlike i naziva se spektrom razlike "tip I" (pogledajte umetnuti grafikon na slici). Neki supstrati uzrokuju suprotnu promjenu spektarskih svojstava, "obrnuti tip I" spektra, procesima koji su još uvijek nejasni. Inhibitori i određeni supstrati koji se direktno vezuju za hemsko gvožđe dovode do spektra razlike tipa II, sa maksimumom na 430 nm i minimumom na 390 nm (pogledajte umetnuti grafikon na slici). Ako nema dostupnih redukcijskih ekvivalenata, ovaj kompleks može ostati stabilan, omogućavajući određivanje stepena vezivanja iz mjerenja apsorpcije in vitro C: Ako se ugljik-monoksid (CO) veže na reducirani P450, katalitski ciklus se prekida. Ova reakcija daje klasični spektar razlike CO s maksimumom na 450 nm. Međutim, prekidni i inhibitorni efekti CO variraju u zavisnosti od različitih CYP tako da je porodica CYP3A relativno manje pogođena.
P450 kod ljudi Ljudski CYP su prvenstveno proteini povezani sa membranom koji se nalaze ili u unutrašnjoj membrani mitohondrija ili u endoplazmatskom retikulumu ćelija. CYP metaboliziraju hiljade endogenih i egzogenih hemikalija. Neki CYP metaboliziraju samo jedan (ili vrlo malo) supstrata, kao što je CYP19 (aromataza), dok drugi mogu metabolisati više supstrata. Obje ove karakteristike objašnjavaju njihov centralni značaj u medicini. Enzimi citohroma P450 prisutni su u većini tkiva u tijelu i imaju važnu ulogu u sintezi i razgradnji hormona (uključujući sintezu estrogena i testosterona i metabolizam), sintezi holesterola, i metabolizam vitamina D. Enzimi citohroma P450 također funkcioniraju za metabolizam potencijalno toksičnih spojeva, uključujući lijekove i proizvode endogenog metabolizma kao što je bilirubin, uglavnom u jetri.
Projekt ljudskog genoma identifikovao je 57 ljudskih gena koji kodiraju različite enzime citohroma P450.
Metabolizam lijekova thumb|400px| Udio antigljivičnih lijekova metaboliziranih u različitim porodicama CYP-a.doctorfungus > Antifungal Drug Interactions Content Director: Russell E. Lewis, Pharm.D. Retrieved on Jan 23, 2010
CYP su glavni enzimi uključeni u metabolizam lijekova, koji čine oko 75% ukupnog metabolizma. (Metabolism in this context is the chemical modification or degradation of drugs.) Većina lijekova se deaktivira pomoću CYP-a, bilo direktno ili olakšanim izlučivanjem iz tijela. Također, mnoge tvari se bioaktiviraju pomoću CYP-a, kako bi se formirali njihovi aktivni spojevi kao što su antitrombocitni lijek klopidogrel i opijat kodein.
Interakcija lijekova Mnogi lijekovi mogu povećati ili smanjiti aktivnost različitih CYP izozima bilo indukcijom biosinteze izoenzima (indukcija enzima) ili direktnim inhibiranjem aktivnosti CYP (inhibicija enzima). Klasičan primjer uključuje antiepileptike, kao što je fenitoin, koji indukuje CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19 i CYP3A4.
Efekti na aktivnost CYP izozima su glavni izvor štetnih interakcija lijekova, budući da promjene u aktivnosti enzima CYP mogu uticati na metabolizam i klirens različitih lijekova. Naprimjer, ako jedan lijek inhibira CYP-posredovan metabolizam drugog lijeka, drugi lijek se može akumulirati u tijelu do toksičnih nivoa. Stoga, ove interakcije lijekova mogu zahtijevati prilagođavanje doze ili odabir lijekova koji nemaju interakciju sa CYP sistemom. Takve interakcije lijekova posebno je važno uzeti u obzir kada se koriste lijekovi od vitalnog značaja za pacijenta, lijekovi sa značajnim nuspojavama ili lijekovi sa uskim terapijskim indeksom, ali svaki lijek može biti podložan do promijenjene koncentracije u plazmi zbog promijenjenog metabolizma lijeka.
Mnogi supstrati za CYP3A4 su lijekovi sa uskim terapeutskim indeksom, kao što je amiodaron ili karbamazepin. Budući da se ovi lijekovi metaboliziraju pomoću CYP3A4, srednji nivoi u plazmi ovih lijekova mogu se povećati zbog inhibicije enzima ili smanjiti zbog indukcije enzima.
Interakcija drugih supstanci Prirodni spojevi mogu također inducirati ili inhibirati aktivnost CYP. Naprimjer, bioaktivni spoevi pronađeni u soku grejpfruta i nekim drugim voćnim sokovima, uključujući bergamotin, dihidroksibergamotin i paradicin-A, bili su otkriveni da inhibiraju metabolizam određenih lijekova, posredovan CYP3A4, što dovodi do povećane bioraspoloživosti, a time i velike mogućnosti za predoziranje. Zbog ovog rizika, obično se savjetuje potpuno izbjegavanje soka od grejpfruta i svježih grejpfruta dok se uzimaju lijekovi.
Ostali primjeri Kantarion, uobičajeni biljni lijek inducira CYP3A4, ali također inhibira CYP1A1, CYP1B1. Pušenje inducira CYP1A2 (primjeri supstrata CYP1A2 su klozapin, olanzapin i fluvoksamin) U relativno visokim koncentracijama, pokazalo se da sok zvjezdanog voća inhibira CYP2A6 i druge CYP. Potočar je također poznati inhibitor citohroma P450 CYP2E1, što može dovesti do izmijenjenog metabolizma lijekova kod osoba koje uzimaju određene lijekove (npr. hlorzoksazon). Utvrđeno je da tributiltin inhibira funkciju citohroma P450, što dovodi do maskulinizacije mehkušaca. Zlatni pečat (žutika), sa svoja dva značajna alkaloida, berberin i hidrastin, pokazalo se da mijenja enzimske aktivnosti P450-markera (uključujući CYP2C9, CYP2D6 i CYP3A4).
Ostale specifične funkcije CYP
Steroidni hormoni