細(xì)胞色素P450的催化作用

摘要:細(xì)胞色素P450是一類含血紅素的酶，具有強(qiáng)大的催化能力。本文主要闡述了P450的分類與命名、催化反應(yīng)類型及其在生物醫(yī)藥、化學(xué)化工方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞: 細(xì)胞色素P450;萬能催化劑;反應(yīng)類型;催化應(yīng)用

文章編號(hào):1005-6629(2010)07-0063-03 中圖分類號(hào):Q554+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:E

細(xì)胞色素P450是一類含血紅素的酶，因其與一氧化碳的復(fù)合物在450 nm處有一特征光吸收峰而得名。P450是一種加單氧氧化酶，能使進(jìn)入其活性位點(diǎn)并與血紅素鐵結(jié)合的氧分子的雙鍵斷裂，將其中的一個(gè)氧原子，加插到底物的氧化位點(diǎn)，使底物發(fā)生氧化。與那些有嚴(yán)格底物特異性的酶不同，P450能結(jié)合和催化分子體積不同、結(jié)構(gòu)多樣的底物，并能催化多種類型的化學(xué)反應(yīng)。因而P450也被稱為萬能的生物催化劑[1]。P450酶由于其獨(dú)特的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)以及在藥物代謝、激活、毒性降解等方面至關(guān)重要的作用而受到多個(gè)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注[2， 3]。

1P450的分類與命名

P450廣泛地分布在動(dòng)物、植物、低等真核生物和細(xì)菌的體內(nèi)。到目前為止，已經(jīng)命名的P450基因序列總數(shù)超過10000個(gè)。依據(jù)氨基酸序列同一性的不同，將P450分為家族和亞家族。氨基酸的序列同源性大于40%的屬于同一家族，大于55%的屬于同一亞家族。家族用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，亞家族用英文字母表示。例如:P450 3A4， P450 2C9， P450 1A2等等，其中P450 3A4就屬于P450第3家族，第3A亞族的第4個(gè)成員。

依據(jù)P450催化循環(huán)中電子傳遞鏈的不同，P450又可以分為四種類型。I類位于細(xì)菌以及真核生物線粒體膜上。這類P450要求鐵氧化還原蛋白(ferredoxin)和鐵硫蛋白(iron-sulfur protein)參與傳遞電子。II類P450結(jié)合于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。這類P450直接和P450還原酶作用，由核黃素單核苷酸(FMN)參與傳遞電子。III類P450和P450還原酶融合成一個(gè)多肽，不需要額外電子供體，從底物接受電子。IV類P450能夠直接從煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)接受電子。

2 P450催化的化學(xué)反應(yīng)

P450催化的一般反應(yīng)可用下面的通式(1)表示:

NAD(P)H+H++O2+RH→NAD(P)++ROH+H2O (1)

其中NAD(P)H作為伴侶蛋白，在P450催化循環(huán)中傳遞電子;RH為底物;ROH為被P450催化氧化后的產(chǎn)物。在P450催化的氧化反應(yīng)中，分子氧被分開。一個(gè)氧原子被加到底物中，使底物氧化;另一個(gè)氧原子與質(zhì)子結(jié)合形成水而釋放。作為一個(gè)萬能催化劑，P450能催化氧化多種不同類型的化學(xué)反應(yīng)，按照催化的難易程度可以分為以下幾類:

2.1P450催化的典型化學(xué)反應(yīng)[4， 5]

2.1.1催化烴的羥化

催化烴發(fā)生羥化是P450催化氧化反應(yīng)中最常見、也是最多的一類反應(yīng)。例如:由CYP2C9催化的異丁基苯丙酸(布洛芬):

2.1.2雜原子氧化

催化氧化雜原子是P450催化反應(yīng)的另一類型的重要反應(yīng)。已經(jīng)報(bào)道的能被P450催化的雜原子有N、 S、 P和I[4]。如2-(2-氨丙氧基)-1， 3-二甲苯被CYP1A2氧化成其羥化產(chǎn)物:

2.1.3雜原子脫烷化

通過羥化與雜原子連接的碳，生產(chǎn)一個(gè)不穩(wěn)定的中間體，從而斷裂雜原子和碳之間的鍵。例如:由CYP2C9催化氟西汀，脫去甲基，生成其羥化產(chǎn)物。

2.1.4環(huán)氧化

催化不飽和烯烴的環(huán)氧化是P450能催化的另一個(gè)反應(yīng)。如:CYP2A13和CYP2E1都能催化苯乙烯生成7，8-環(huán)氧產(chǎn)物。

2.2P450催化的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)

除了以上幾種典型的反應(yīng)， P450還能催化一些復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)[4， 6]。

2.2.1氧化酯裂解

Guengerich教授研究組發(fā)現(xiàn)CYP2C11能催化氧化羧酸酯氧化裂解成酸和醛[5]。實(shí)驗(yàn)研究證明，這類反應(yīng)實(shí)際和雜原子脫烷化有相似的催化機(jī)理。

2.2.2增環(huán)反應(yīng)

增環(huán)反應(yīng)是P450所催化的不太常見的反應(yīng)。主要通過一個(gè)不太穩(wěn)定的反應(yīng)中間體，然后發(fā)生重排，生成穩(wěn)定的五元環(huán)或六元環(huán)。例如:由CYP2B1催化N-(1-苯環(huán)丁基)-芐胺生成2-苯吡咯啉。

2.2.3成環(huán)反應(yīng)

P450催化的成環(huán)反應(yīng)需要其他反應(yīng)試劑參與。P450首先催化氧化反應(yīng)物，使其活化，然后在一定的條件下，生成一個(gè)新的環(huán)。如由CYP2C9催化辣椒堿可以生成一個(gè)大環(huán)產(chǎn)物。

2.2.4芳香環(huán)脫鹵反應(yīng)

催化環(huán)境污染物的降解毒性是P450的功能之一。最近有研究組利用基因突變的CYP101A1催化降解六氯苯生成五氯苯酚。

2.2.5環(huán)偶聯(lián)反應(yīng)

來自天藍(lán)色鏈霉菌CYP158A2可以催化兩分子的淡黃霉素發(fā)生環(huán)的偶聯(lián)，生成其二聚體產(chǎn)物。晶體結(jié)構(gòu)也證實(shí)在CYP158A2的活性位點(diǎn)，有2個(gè)淡黃霉素分子同時(shí)存在。

2.2.6芳香環(huán)遷移

植物CYP93C在催化異黃酮的生物合成時(shí)，包含了芳香環(huán)的重排遷移。

2.2.7縮環(huán)反應(yīng)

P450催化的一個(gè)不太常見的反應(yīng)是縮環(huán)反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)， CYP3A4可以催化2，2，6，6-四甲基哌啶轉(zhuǎn)化為2，2-雙甲基吡咯烷。

3 P450的催化機(jī)理

P450催化氧化化合物需要經(jīng)過一個(gè)復(fù)雜的催化循環(huán)來完成。通過氧氣和質(zhì)子的參與，血紅素的鐵原子和氧結(jié)合，形成多個(gè)活性中間體來完成對(duì)底物化合物的催化。對(duì)P450的催化氧化機(jī)理，許多研究者都進(jìn)行過深入地探討。目前，一般被廣泛認(rèn)同的機(jī)理是在催化循環(huán)的最后一步，鐵和氧形成一個(gè)卟啉-氧自由基正離子中間體[4]。這個(gè)自由基正離子中間體的活性非常高，具有強(qiáng)的親電性，能奪去底物碳上的氫，形成碳正離子;或者直接進(jìn)攻雜原子，使底物形成一個(gè)自由基正離子，緊接著氧與底物結(jié)合，完成催化氧化。該機(jī)理能解釋P450催化的大多數(shù)反應(yīng)，如碳的羥化、環(huán)氧化以及雜原子的氧化等。

但由于上述卟啉-氧自由基正離子中間體非常活潑，目前在實(shí)驗(yàn)上還沒有得到證據(jù)證實(shí)其存在。另外，這種機(jī)理還無法解釋一些P450催化的反應(yīng)(如醛的氧化)，因而有人提出了可能存在另外的機(jī)理。Newcomb教授就提出在P450催化循環(huán)過程中，并不形成卟啉-氧自由基正離子中間體，而是通過卟啉-過氧化物中間體來催化氧化反應(yīng)[7]:

4P450的應(yīng)用

細(xì)胞色素P450由于具有強(qiáng)的催化能力、催化化學(xué)反應(yīng)的多樣性、以及立體和氧化位點(diǎn)的高度選擇性而受到化學(xué)、生物、藥學(xué)等許多領(lǐng)域科學(xué)家的研究興趣。利用其強(qiáng)大的催化功能，P450已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)研究領(lǐng)域。

4.1基于前藥原理的藥物設(shè)計(jì)和基因治療

由于代謝穩(wěn)定性和細(xì)胞毒性等方面原因，有些藥物需制成其前藥形式。通過在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化，使其長(zhǎng)時(shí)間發(fā)揮藥效，或者在特定部位(如癌細(xì)胞)發(fā)揮其功能。P450由于其獨(dú)特的催化性能，被廣泛應(yīng)用于前藥設(shè)計(jì)和癌癥的基因治療。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，氯沙坦代謝物E-3174比氯沙坦親和力更高，半衰期也更長(zhǎng)。氯沙坦的降壓作用部分是其代謝物所致，其生物轉(zhuǎn)化主要由CYP2C9和CYP3A4完成。抗瘧藥氯胍必須代謝成環(huán)氯胍，才能在體內(nèi)發(fā)揮它的抗瘧作用。參與這種代謝的主要是細(xì)胞色素CYP2C19。

環(huán)磷酰胺是用于癌癥化療的一種前藥，必須被P450激活，才能達(dá)到其治療效果，但腫瘤本身并不能激活環(huán)磷酰胺。利用這些信息，David Waxman教授研究組將CYP2B1基因引入腫瘤細(xì)胞，并結(jié)合環(huán)磷酰胺化療手段，結(jié)果顯示能明顯抑制腫瘤增殖，并有效避免了藥物的毒性[8]。

4.2 作為藥物靶標(biāo)用于新藥發(fā)現(xiàn)

利用P450一些特異性的催化反應(yīng)，多個(gè)P450酶成為新藥發(fā)現(xiàn)的新的作用靶標(biāo)。例如:芳香化酶CYP19A在人體內(nèi)特異性地催化雄激素轉(zhuǎn)化為雌激素，而過多的雌激素會(huì)導(dǎo)致乳腺癌細(xì)胞的增殖。因而，有效抑制CYP19A的活性成為開發(fā)治療乳腺癌一個(gè)新的途徑。當(dāng)前有多個(gè)CYP19A的抑制劑作為治療乳腺癌的藥物臨床上市[9]，這些藥物主要通過其雜環(huán)上的氮與血紅素的的鐵形成配位作用，從而抑制CYP19A的活性。其他的例子還包括CYP51是抗真菌藥物的靶標(biāo);CYP2A6則成為開發(fā)戒煙類藥物的潛在靶標(biāo)。

4.3制造重要化工原料和化學(xué)中間體

將P450優(yōu)秀的催化性能用于工業(yè)化生產(chǎn)一直是P450研究者的努力方向。P450在這方面也顯示了潛在的應(yīng)用價(jià)值。靛藍(lán)是一種重要化工原料，工業(yè)上一直利用細(xì)菌表達(dá)的萘雙氧化酶進(jìn)行催化生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)CYP2A6是一個(gè)催化氧化吲哚成靛藍(lán)的非常好的催化劑[10]。 通過隨機(jī)篩選發(fā)現(xiàn)的CYP2A6突變體其催化活性更高。Meinhold等發(fā)現(xiàn)CYP102的突變體能從乙烷產(chǎn)生乙醇，盡管其催化活性不高[1]。

4.4先導(dǎo)物代謝性質(zhì)預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

P450是人體最主要的I相藥物代謝酶。據(jù)報(bào)道，臨床使用的約75 %的藥物都由P450來催化代謝。因而在藥物研發(fā)的早期，利用P450來預(yù)測(cè)藥物先導(dǎo)物的代謝性質(zhì)，盡早淘汰代謝性質(zhì)不合格的化合物，或者優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，改善其代謝性質(zhì)。基于P450預(yù)測(cè)先導(dǎo)物代謝，一方面可以提高藥效，縮短藥物研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本;另一方面也可以避免臨床上可能的藥物-藥物相互作用。利用計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)藥物先導(dǎo)物與P450的相互作用是當(dāng)前國(guó)際的研究熱點(diǎn)[11]。通過量子化學(xué)、分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)等理論方法，預(yù)測(cè)先導(dǎo)物可能的催化代謝位點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上加以改造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其代謝穩(wěn)定性，從而提高藥物的生物利用度并降低藥物的毒性。

5結(jié)語

細(xì)胞色素P450的研究是目前國(guó)際研究的熱點(diǎn)。不同領(lǐng)域的科學(xué)家正在從不同的角度來揭示其本質(zhì)。本文所綜述的化學(xué)反應(yīng)只是P450催化反應(yīng)的冰山一角。相信隨著現(xiàn)代化學(xué)、分子生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和提高，越來越多的P450的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及催化反應(yīng)的種類將會(huì)被闡明和發(fā)現(xiàn)。利用P450強(qiáng)大的催化性能來為醫(yī)藥以及化學(xué)工業(yè)服務(wù)的實(shí)例也會(huì)越來越多。

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