細胞色素P450的催化作用

摘要:細胞色素P450是一類含血紅素的酶，具有強大的催化能力。本文主要闡述了P450的分類與命名、催化反應類型及其在生物醫藥、化學化工方面的應用。

關鍵詞: 細胞色素P450;萬能催化劑;反應類型;催化應用

文章編號:1005-6629(2010)07-0063-03 中圖分類號:Q554+.1 文獻標識碼:E

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

1P450的分類與命名

P450廣泛地分布在動物、植物、低等真核生物和細菌的體內。到目前為止，已經命名的P450基因序列總數超過10000個。依據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。家族用阿拉伯數字表示，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個成員。

依據P450催化循環中電子傳遞鏈的不同，P450又可以分為四種類型。I類位于細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結合于內質網上。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催化的化學反應

P450催化的一般反應可用下面的通式(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催化循環中傳遞電子;RH為底物;ROH為被P450催化氧化后的產物。在P450催化的氧化反應中，分子氧被分開。一個氧原子被加到底物中，使底物氧化;另一個氧原子與質子結合形成水而釋放。作為一個萬能催化劑，P450能催化氧化多種不同類型的化學反應，按照催化的難易程度可以分為以下幾類:

2.1P450催化的典型化學反應[4， 5]

2.1.1催化烴的羥化

催化烴發生羥化是P450催化氧化反應中最常見、也是最多的一類反應。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催化反應的另一類型的重要反應。已經報道的能被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氧化成其羥化產物:

2.1.3雜原子脫烷化

通過羥化與雜原子連接的碳，生產一個不穩定的中間體，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，生成其羥化產物。

2.1.4環氧化

催化不飽和烯烴的環氧化是P450能催化的另一個反應。如:CYP2A13和CYP2E1都能催化苯乙烯生成7，8-環氧產物。

2.2P450催化的復雜化學反應

除了以上幾種典型的反應， P450還能催化一些復雜的化學反應[4， 6]。

2.2.1氧化酯裂解

Guengerich教授研究組發現CYP2C11能催化氧化羧酸酯氧化裂解成酸和醛[5]。實驗研究證明，這類反應實際和雜原子脫烷化有相似的催化機理。

2.2.2增環反應

增環反應是P450所催化的不太常見的反應。主要通過一個不太穩定的反應中間體，然后發生重排，生成穩定的五元環或六元環。例如:由CYP2B1催化N-(1-苯環丁基)-芐胺生成2-苯吡咯啉。

2.2.3成環反應

P450催化的成環反應需要其他反應試劑參與。P450首先催化氧化反應物，使其活化，然后在一定的條件下，生成一個新的環。如由CYP2C9催化辣椒堿可以生成一個大環產物。

2.2.4芳香環脫鹵反應

催化環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環偶聯反應

來自天藍色鏈霉菌CYP158A2可以催化兩分子的淡黃霉素發生環的偶聯，生成其二聚體產物。晶體結構也證實在CYP158A2的活性位點，有2個淡黃霉素分子同時存在。

2.2.6芳香環遷移

植物CYP93C在催化異黃酮的生物合成時，包含了芳香環的重排遷移。

2.2.7縮環反應

P450催化的一個不太常見的反應是縮環反應。研究發現， CYP3A4可以催化2，2，6，6-四甲基哌啶轉化為2，2-雙甲基吡咯烷。

3 P450的催化機理

P450催化氧化化合物需要經過一個復雜的催化循環來完成。通過氧氣和質子的參與，血紅素的鐵原子和氧結合，形成多個活性中間體來完成對底物化合物的催化。對P450的催化氧化機理，許多研究者都進行過深入地探討。目前，一般被廣泛認同的機理是在催化循環的最后一步，鐵和氧形成一個卟啉-氧自由基正離子中間體[4]。這個自由基正離子中間體的活性非常高，具有強的親電性，能奪去底物碳上的氫，形成碳正離子;或者直接進攻雜原子，使底物形成一個自由基正離子，緊接著氧與底物結合，完成催化氧化。該機理能解釋P450催化的大多數反應，如碳的羥化、環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，目前在實驗上還沒有得到證據證實其存在。另外，這種機理還無法解釋一些P450催化的反應(如醛的氧化)，因而有人提出了可能存在另外的機理。Newcomb教授就提出在P450催化循環過程中，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[7]:

4P450的應用

細胞色素P450由于具有強的催化能力、催化化學反應的多樣性、以及立體和氧化位點的高度選擇性而受到化學、生物、藥學等許多領域科學家的研究興趣。利用其強大的催化功能，P450已經被應用于多個研究領域。

4.1基于前藥原理的藥物設計和基因治療

由于代謝穩定性和細胞毒性等方面原因，有些藥物需制成其前藥形式。通過在體內的生物轉化，使其長時間發揮藥效，或者在特定部位(如癌細胞)發揮其功能。P450由于其獨特的催化性能，被廣泛應用于前藥設計和癌癥的基因治療。實驗數據表明，氯沙坦代謝物E-3174比氯沙坦親和力更高，半衰期也更長。氯沙坦的降壓作用部分是其代謝物所致，其生物轉化主要由CYP2C9和CYP3A4完成。抗瘧藥氯胍必須代謝成環氯胍，才能在體內發揮它的抗瘧作用。參與這種代謝的主要是細胞色素CYP2C19。

環磷酰胺是用于癌癥化療的一種前藥，必須被P450激活，才能達到其治療效果，但腫瘤本身并不能激活環磷酰胺。利用這些信息，David Waxman教授研究組將CYP2B1基因引入腫瘤細胞，并結合環磷酰胺化療手段，結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 作為藥物靶標用于新藥發現

利用P450一些特異性的催化反應，多個P450酶成為新藥發現的新的作用靶標。例如:芳香化酶CYP19A在人體內特異性地催化雄激素轉化為雌激素，而過多的雌激素會導致乳腺癌細胞的增殖。因而，有效抑制CYP19A的活性成為開發治療乳腺癌一個新的途徑。當前有多個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;CYP2A6則成為開發戒煙類藥物的潛在靶標。

4.3制造重要化工原料和化學中間體

將P450優秀的催化性能用于工業化生產一直是P450研究者的努力方向。P450在這方面也顯示了潛在的應用價值。靛藍是一種重要化工原料，工業上一直利用細菌表達的萘雙氧化酶進行催化生產。研究發現CYP2A6是一個催化氧化吲哚成靛藍的非常好的催化劑[10]。 通過隨機篩選發現的CYP2A6突變體其催化活性更高。Meinhold等發現CYP102的突變體能從乙烷產生乙醇，盡管其催化活性不高[1]。

4.4先導物代謝性質預測與結構優化

P450是人體最主要的I相藥物代謝酶。據報道，臨床使用的約75 %的藥物都由P450來催化代謝。因而在藥物研發的早期，利用P450來預測藥物先導物的代謝性質，盡早淘汰代謝性質不合格的化合物，或者優化其結構，改善其代謝性質。基于P450預測先導物代謝，一方面可以提高藥效，縮短藥物研發周期，節約研發成本;另一方面也可以避免臨床上可能的藥物-藥物相互作用。利用計算機模擬預測藥物先導物與P450的相互作用是當前國際的研究熱點[11]。通過量子化學、分子力學、分子動力學等理論方法，預測先導物可能的催化代謝位點。在此基礎上加以改造和結構優化，提高其代謝穩定性，從而提高藥物的生物利用度并降低藥物的毒性。

5結語

細胞色素P450的研究是目前國際研究的熱點。不同領域的科學家正在從不同的角度來揭示其本質。本文所綜述的化學反應只是P450催化反應的冰山一角。相信隨著現代化學、分子生物學、計算機科學等學科的發展和提高，越來越多的P450的結構、性質以及催化反應的種類將會被闡明和發現。利用P450強大的催化性能來為醫藥以及化學工業服務的實例也會越來越多。

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