Citocromo P450

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 escribir el nombre del gen en cursiva. Por ejemplo, CYP2E1 es el gen que codifica la enzima CYP2E1 , una de las enzimas involucradas en el metabolismo del paracetamol (acetaminofeno). La nomenclatura CYP es la convención de nomenclatura oficial, aunque ocasionalmente se usan CYP450 o CYP ₄₅₀ como sinónimos. Estos nombres nunca deben usarse como si estuvieran de acuerdo con la convención de nomenclatura (ya que denotan una P450 en la familia número 450). Sin embargo, algunos nombres de genes o enzimas para P450 también se conocen por nombres históricos (por ejemplo, P450 _{BM3 para} CYP102A1) o nombres funcionales, que denotan la actividad catalítica y el nombre del compuesto utilizado como sustrato. Algunos ejemplos son CYP5A1 , tromboxano A2 sintasa, abreviado como TBXAS1 (tromboxano A2 _sintasa 1), y CYP51A1 , lanosterol 14-α-desmetilasa, a veces abreviado extraoficialmente como LDM según su sustrato (lanosterol) y actividad (desmetilación). ^{[ 3 ]}

Las directrices de nomenclatura sugieren que los miembros de las nuevas familias CYP comparten 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 registran tanto los nombres de los genes base ( Citocromo P450 Homepage Archivado el 27/06/2010 en Wayback Machine ) como los nombres de los alelos ( Comité de Nomenclatura de Alelos CYP ). ^{[ 4 ] [ 5 ]} Estas agrupaciones basadas en la similitud se recuperan con frecuencia en los análisis filogenéticos y los miembros generalmente comparten características en sus actividades catalíticas. A veces, los umbrales de similitud sugeridos no coinciden exactamente con lo que muestran los patrones filogenéticos (por ejemplo, un nuevo miembro que está cerca de una familia pero solo es idéntico en un 39 %), lo que provoca lo que se conoce como "deslizamiento familiar" a medida que se reduce el umbral de similitud, o la división ocasional de familias. ^{[ 6 ]}

Existe una nomenclatura universal para la asignación de números de familia P450 en todos los grupos taxonómicos: ^{[ 7 ]}

• CYP1 – 49, CYP301 – CYP499, ...: Animales
  • CYP440 – 446: Reservado para los miembros del clan CYP74 que se encuentran en los animales.
• CYP51 – 69, CYP501 – CYP699, ...: Hongos y eucariotas inferiores ^{[ 8 ]}
  • CYP6001 – CYP6099: Fusiones fúngicas de P450 con otras enzimas, por ejemplo, dioxigenasas, peroxigenasas o isomerasas.
• CYP71 – 99, CYP701 – CYP999, ...: Plantas ( Archaeplastida )
• CYP101 – 299, ... Bacteria

Los bloques de grupos taxonómicos se definen para CYP1001 – CYP69999 extendiendo los bloques taxonómicos definidos para CYP101 – 999. Por ejemplo, CYP3001 – 4999 y CYP30001 – CYP49999 se asignan a animales. Las reservas definidas bajo estos grupos no se extienden. ^{[ 7 ]} Varias bases de datos están disponibles para el seguimiento de los números de familia P450 definidos, las letras de subfamilia y los números de grupo de ortólogos , con la intención de que no solo no haya ambigüedad en lo que significa cada prefijo de familia-subfamilia, ^{[ 9 ]} sino también que los genes con nombres idénticos en diferentes especies sean ortólogos entre sí. A partir de abril de 2026 La base de datos más completa es el Atlas P450 (versión 1.3.0), que abarca 11068 familias, 26037 subfamilias, 79577 grupos de ortólogos y 164068 secuencias de ejemplo de grupos de ortólogos. ^{[ 10 ]}

La comparación entre muchas enzimas P450 de diferentes familias da origen al concepto de clanes , agrupaciones evolutivas de familias. El umbral exacto de similitud está mal definido, pero generalmente se entiende que debe derivarse de unos pocos nodos de divergencia inicial de un árbol filogenético. ^{[ 11 ]} Algunos clanes tienen solo una familia, mientras que otros están altamente diversificados con muchas familias en su interior (por ejemplo, el clan CYP71 y el clan CYP85). El seguimiento de la aparición de clanes y familias en muchos grupos taxonómicos pinta un cuadro vívido de la evolución de las capacidades metabólicas. ^{[ 6 ] [ 12 ]}

Según la naturaleza de las proteínas de transferencia de electrones, las enzimas P450 se pueden clasificar en varios grupos:

• Los sistemas CPR-P450 combinan una citocromo P450 reductasa (CPR) y un dominio P450.
  • Sistemas microsomales P450 en los que los electrones se transfieren desde el NADPH a través de un CPR (denominado indistintamente CPR, POR o CYPOR).
  • También se encuentra en bacterias como el P450meg (CYP106A2) de Bacillus megaterium . ^{[ 13 ]}
• Los sistemas Fr/Fd/P450 emplean una ferredoxina reductasa y una ferredoxina para transferir electrones al P450. Un ejemplo representativo es el sistema P450cam (CYP101A1) del plastidio vegetal del operón CAM para sustratos relacionados con el alcanfor . ^{[ 13 ]}
  • Los sistemas mitocondriales P450 emplean la adrenodoxina reductasa y la adrenodoxina (una ferrodoxina) para transferir electrones del NADPH al P450.
  • Sistemas FMN/Fd/P450 : se encontraron originalmente en especies de Rhodococcus , en las que una reductasa que contiene un dominio FMN está fusionada al CYP.
• Sistemas CYB ₅ R/cyb ₅ /P450 en los que ambos electrones requeridos por el CYP provienen del citocromo b ₅ , que a su vez es reducido por la citocromo b ₅ reductasa (CYB ₅ R).
• Sistema exclusivamente P450 que no requiere poder reductor externo. Entre los más notables se incluyen la tromboxano sintasa (CYP5), la prostaciclina sintasa (CYP8) y la CYP74A ( aleno óxido sintasa ).

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 formal de la firma PROSITE [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD]. ^{[ 14 ]} En general, el ciclo catalítico del P450 procede de la siguiente manera:

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, desplazando a menudo una molécula de agua de la posición de coordinación axial distal del hierro hemo, ^{[ 15 ]} y cambiando el estado del hierro hemo de bajo espín a alto espín. ^{[ 16 ]}
2. La unión del sustrato induce la transferencia de electrones desde NAD(P)H a través de la reductasa del citocromo P450 u otra reductasa asociada , ^{[ 17 ]} 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 reductasa del citocromo P450 , las ferredoxinas o el citocromo b ₅ , reduciendo el aducto Fe-O ₂ para dar un estado peroxo de corta duración.
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 de P450 (o simplemente Compuesto I). Este intermedio altamente reactivo fue aislado en 2010, ^{[ 18 ]} El Compuesto 1 de P450 es una especie de hierro(IV) oxo (o ferrilo ) con un equivalente oxidante adicional deslocalizado sobre los ligandos porfirina y tiolato. No hay evidencia de la alternativa hierro(V)-oxo perferrilo ^{[ 15 ] . [ 18 ]}

Dependiendo del sustrato y la enzima involucrada, las enzimas P450 pueden catalizar una amplia variedad de reacciones. Se ilustra una hidroxilación hipotética. Una vez que el producto hidroxilado se ha liberado del sitio activo, la enzima regresa a su estado original, y una molécula de agua vuelve a ocupar la posición de coordinación distal del núcleo de hierro.

Una ruta alternativa para la monooxigenación es a través de la "derivación del peróxido" (ruta "S" en la figura). Esta ruta implica la oxidación del complejo sustrato férrico con donadores de átomos de oxígeno como peróxidos e hipocloritos. ^{[ 19 ]} En el diagrama se muestra un peróxido hipotético "XOOH".

Se han investigado detalles mecanísticos, incluido el mecanismo de rebote de oxígeno , con análogos sintéticos, que consisten en complejos de oxohemo de hierro. ^{[ 20 ]}

Binding of substrate is reflected 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 spectroscopies 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 may remain stable, allowing the degree of binding to be determined from absorbance measurements in vitro^[19] 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. However, the interruptive and inhibitory effects of CO varies upon different CYPs such that the CYP3A family is relatively less affected.^[21][22]

The heme in cytochrome P450 binds to a conserved sequence: FxxGxRxCxG, where "x" denotes some variant amino acid. The cysteine (C) binds iron and arginine (R), forming strong electrostatic interactions with negatively charged side chains of the heme. The glycine (G) residues within the conserved sequence are essential, as their small structure enables surrounding alpha helices to remain in place without interacting with a variant amino acid.^[23] Additional conserved motifs are:

• ExxR (K-helix)^[23]
• AGxDTT (I-helix, oxygen-binding domain)^[23]