学文网摘要:细胞色素P450是一类含血红素的酶,具有强大的催化能力。本文主要阐述了P450的分类与命名、催化反应类型及其在生物医药、化学化工方面的应用。
关键词: 细胞色素P450;万能催化剂;反应类型;催化应用
文章编号:1005-6629(2010)07-0063-03 中***分类号:Q554+.1 文献标识码:E
细胞色素P450是一类含血红素的酶,因其与一氧化碳的复合物在450 nm处有一特征光吸收峰而得名。P450是一种加单氧氧化酶,能使进入其活性位点并与血红素铁结合的氧分子的双键断裂,将其中的一个氧原子,加插到底物的氧化位点,使底物发生氧化。与那些有严格底物特异性的酶不同,P450能结合和催化分子体积不同、结构多样的底物,并能催化多种类型的化学反应。因而P450也被称为万能的生物催化剂[1]。P450酶由于其独特的物理、化学、生物性质以及在药物代谢、激活、毒性降解等方面至关重要的作用而受到多个领域研究者的广泛关注[2, 3]。
1P450的分类与命名
P450广泛地分布在动物、植物、低等真核生物和细菌的体内。到目前为止,已经命名的P450基因序列总数超过10000个。依据氨基酸序列同一性的不同,将P450分为家族和亚家族。氨基酸的序列同源性大于40%的属于同一家族,大于55%的属于同一亚家族。家族用阿拉伯数字表示,亚家族用英文字母表示。例如:P450 3A4, P450 2C9, P450 1A2等等,其中P450 3A4就属于P450第3家族,第3A亚族的第4个成员。
依据P450催化循环中电子传递链的不同,P450又可以分为四种类型。I类位于细菌以及真核生物线粒体膜上。这类P450要求铁氧化还原蛋白(ferredoxin)和铁硫蛋白(iron-sulfur protein)参与传递电子。II类P450结合于内质网上。这类P450直接和P450还原酶作用,由核黄素单核苷酸(FMN)参与传递电子。III类P450和P450还原酶融合成一个多肽,不需要额外电子供体,从底物接受电子。IV类P450能够直接从烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)接受电子。
2 P450催化的化学反应
P450催化的一般反应可用下面的通式(1)表示:
NAD(P)H+H++O2+RHNAD(P)++ROH+H2O (1)
其中NAD(P)H作为伴侣蛋白,在P450催化循环中传递电子;RH为底物;ROH为被P450催化氧化后的产物。在P450催化的氧化反应中,分子氧被分开。一个氧原子被加到底物中,使底物氧化;另一个氧原子与质子结合形成水而释放。作为一个万能催化剂,P450能催化氧化多种不同类型的化学反应,按照催化的难易程度可以分为以下几类:
2.1P450催化的典型化学反应[4, 5]
2.1.1催化烃的羟化
催化烃发生羟化是P450催化氧化反应中最常见、也是最多的一类反应。例如:由CYP2C9催化的异丁基苯丙酸(布洛芬):
2.1.2杂原子氧化
催化氧化杂原子是P450催化反应的另一类型的重要反应。已经报道的能被P450催化的杂原子有N、 S、 P和I[4]。如2-(2-氨丙氧基)-1, 3-二甲苯被CYP1A2氧化成其羟化产物:
2.1.3杂原子脱烷化
通过羟化与杂原子连接的碳,生产一个不稳定的中间体,从而断裂杂原子和碳之间的键。例如:由CYP2C9催化氟西汀,脱去甲基,生成其羟化产物。
2.1.4环氧化
催化不饱和烯烃的环氧化是P450能催化的另一个反应。如:CYP2A13和CYP2E1都能催化苯乙烯生成7,8-环氧产物。
2.2P450催化的复杂化学反应
除了以上几种典型的反应, P450还能催化一些复杂的化学反应[4, 6]。
2.2.1氧化酯裂解
Guengerich教授研究组发现CYP2C11能催化氧化羧酸酯氧化裂解成酸和醛[5]。实验研究证明,这类反应实际和杂原子脱烷化有相似的催化机理。
2.2.2增环反应
增环反应是P450所催化的不太常见的反应。主要通过一个不太稳定的反应中间体,然后发生重排,生成稳定的五元环或六元环。例如:由CYP2B1催化N-(1-苯环丁基)-苄胺生成2-苯吡咯啉。
2.2.3成环反应
P450催化的成环反应需要其他反应试剂参与。P450首先催化氧化反应物,使其活化,然后在一定的条件下,生成一个新的环。如由CYP2C9催化辣椒碱可以生成一个大环产物。
2.2.4芳香环脱卤反应
催化环境污染物的降解毒性是P450的功能之一。最近有研究组利用基因突变的CYP101A1催化降解六氯苯生成五氯苯酚。
2.2.5环偶联反应
来自天蓝色链霉菌CYP158A2可以催化两分子的淡黄霉素发生环的偶联,生成其二聚体产物。晶体结构也证实在CYP158A2的活性位点,有2个淡黄霉素分子同时存在。
2.2.6芳香环迁移
植物CYP93C在催化异黄酮的生物合成时,包含了芳香环的重排迁移。
2.2.7缩环反应
P450催化的一个不太常见的反应是缩环反应。研究发现, CYP3A4可以催化2,2,6,6-四甲基哌啶转化为2,2-双甲基吡咯烷。
3 P450的催化机理
P450催化氧化化合物需要经过一个复杂的催化循环来完成。通过氧气和质子的参与,血红素的铁原子和氧结合,形成多个活性中间体来完成对底物化合物的催化。对P450的催化氧化机理,许多研究者都进行过深入地探讨。目前,一般被广泛认同的机理是在催化循环的最后一步,铁和氧形成一个卟啉-氧自由基正离子中间体[4]。这个自由基正离子中间体的活性非常高,具有强的亲电性,能夺去底物碳上的氢,形成碳正离子;或者直接进攻杂原子,使底物形成一个自由基正离子,紧接着氧与底物结合,完成催化氧化。该机理能解释P450催化的大多数反应,如碳的羟化、环氧化以及杂原子的氧化等。
但由于上述卟啉-氧自由基正离子中间体非常活泼,目前在实验上还没有得到证据证实其存在。另外,这种机理还无法解释一些P450催化的反应(如醛的氧化),因而有人提出了可能存在另外的机理。Newcomb教授就提出在P450催化循环过程中,并不形成卟啉-氧自由基正离子中间体,而是通过卟啉-过氧化物中间体来催化氧化反应[7]:
4P450的应用
细胞色素P450由于具有强的催化能力、催化化学反应的多样性、以及立体和氧化位点的高度选择性而受到化学、生物、药学等许多领域科学家的研究兴趣。利用其强大的催化功能,P450已经被应用于多个研究领域。
4.1基于前药原理的药物设计和基因***
由于代谢稳定性和细胞毒性等方面原因,有些药物需制成其前药形式。通过在体内的生物转化,使其长时间发挥药效,或者在特定部位(如癌细胞)发挥其功能。P450由于其独特的催化性能,被广泛应用于前药设计和癌症的基因***。实验数据表明,氯沙坦代谢物E-3174比氯沙坦亲和力更高,半衰期也更长。氯沙坦的降压作用部分是其代谢物所致,其生物转化主要由CYP2C9和CYP3A4完成。抗疟药氯胍必须代谢成环氯胍,才能在体内发挥它的抗疟作用。参与这种代谢的主要是细胞色素CYP2C19。
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环磷酰胺是用于癌症化疗的一种前药,必须被P450激活,才能达到其***效果,但肿瘤本身并不能激活环磷酰胺。利用这些信息,David Waxman教授研究组将CYP2B1基因引入肿瘤细胞,并结合环磷酰胺化疗手段,结果显示能明显抑制肿瘤增殖,并有效避免了药物的毒性[8]。
4.2 作为药物靶标用于新药发现
利用P450一些特异性的催化反应,多个P450酶成为新药发现的新的作用靶标。例如:芳香化酶CYP19A在人体内特异性地催化雄激素转化为雌激素,而过多的雌激素会导致***癌细胞的增殖。因而,有效抑制CYP19A的活性成为开发******癌一个新的途径。当前有多个CYP19A的抑制剂作为******癌的药物临床上市[9],这些药物主要通过其杂环上的氮与血红素的的铁形成配位作用,从而抑制CYP19A的活性。其他的例子还包括CYP51是抗真菌药物的靶标;CYP2A6则成为开发戒烟类药物的潜在靶标。
4.3制造重要化工原料和化学中间体
将P450优秀的催化性能用于工业化生产一直是P450研究者的努力方向。P450在这方面也显示了潜在的应用价值。靛蓝是一种重要化工原料,工业上一直利用细菌表达的萘双氧化酶进行催化生产。研究发现CYP2A6是一个催化氧化吲哚成靛蓝的非常好的催化剂[10]。 通过随机筛选发现的CYP2A6突变体其催化活性更高。Meinhold等发现CYP102的突变体能从乙烷产生乙醇,尽管其催化活性不高[1]。
4.4先导物代谢性质预测与结构优化
P450是人体最主要的I相药物代谢酶。据报道,临床使用的约75 %的药物都由P450来催化代谢。因而在药物研发的早期,利用P450来预测药物先导物的代谢性质,尽早淘汰代谢性质不合格的化合物,或者优化其结构,改善其代谢性质。基于P450预测先导物代谢,一方面可以提高药效,缩短药物研发周期,节约研发成本;另一方面也可以避免临床上可能的药物-药物相互作用。利用计算机模拟预测药物先导物与P450的相互作用是当前国际的研究热点[11]。通过量子化学、分子力学、分子动力学等理论方法,预测先导物可能的催化代谢位点。在此基础上加以改造和结构优化,提高其代谢稳定性,从而提高药物的生物利用度并降低药物的毒性。
5结语
细胞色素P450的研究是目前国际研究的热点。不同领域的科学家正在从不同的角度来揭示其本质。本文所综述的化学反应只是P450催化反应的冰山一角。相信随着现代化学、分子生物学、计算机科学等学科的发展和提高,越来越多的P450的结构、性质以及催化反应的种类将会被阐明和发现。利用P450强大的催化性能来为医药以及化学工业服务的实例也会越来越多。
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