细胞色素p450的研究进展

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第 1 页 共 6 页 细胞色素p450的研究进展

摘要：细胞色素P450酶是广泛存在于生物界的含亚铁血红素单加氧酶, 参与不同生物中多种重要的生化反应，如甾类激素的合成、脂溶性维生素代谢、药物代谢等. 文章结合近期p450研究综述了细胞色素P450生物分布、结构特点、功能、降解及其部分应用。 特别是在环境保护方面的作用。

关键字：p450 结构 功能 降解 环境保护

New Progress In Studies On Cytochrome-P450

Abstract:

Cytochrome p450 is one kind of heme-containing monooxygenases and is

widespread in the biosphere. It is inolved in many important biological

responses in a variety of organisms ,such as biosynthesis of steroid

hormonesand fat-soluble vitamin metabolism and drug metabolism . In

combination with recent p450 studies,the paper summayscytochrome P450’s

biostribution, structural characteristics, function, degradation and some of its

applications. Particularly in the role of environmental protection.

Keyword: p450 struction function degradation environmental protection

细胞色素p450是生物界中广泛存在的一种含高铁血红素的蛋白，作为细胞色素p450酶系的末端氧化酶，具有关键作用。其以铁原卟啉为辅基，属于单链b族细胞色素蛋白。因其还原态与CO结合后，在450nm处具有高光吸收峰而得名[1]。由于细胞色素P450 酶在生物体内广泛参与甾类激素的合成、脂溶性维生素代谢、多不饱和脂肪酸转换为生物活性分子, 以及致癌作用和药物代谢，细胞色素p450被各大实验室广泛研究[2]。

1、p450分布

1.1 动物体内的分布

P450 酶由Klingberg 和Gorfinkle 在1958 年在哺乳动物体内主要存在于肝细胞微粒体中发现的[3],在同一动物和不同动物的许多不同组织中都存在P450，哺乳动物的肝脏是P450是含量最丰富的器官。昆虫中存在P450 的报道见于20世纪60年代。在其它动物中，研究较多的是淡水鱼类、海洋鱼类和贝壳类。Cristine

Nesci等研究了p450在海洋鱼类中的分布。Briubo证明，鱼类的P450主要分布于肺、肾和鳃。而赤鲷鱼心肌中的P450含量明显低于肝脏[4.5]。

1.2植物体内的分布

1969年D.S.Frear等人首次报道了棉花中存在P450. 研究证明，P450存在于高等植物的微粒体、质膜、高尔基体膜、液泡膜、叶绿体膜和线粒体膜等多处中，其中以微粒体含量最高。另外研究还表明P450含量由高至低的排序为叶、花、茎[6]。 --------------细胞色素p450的研究进展-------------

第 2 页 共 6 页 1.3微生物内的分布

1967年Appleby偶然地从根瘤菌假菌体中发现P450,首次证明存在于细菌。迄今为止，已陆续在十几个属地细菌中发现了P450。另外在放线菌和真菌种也同样发现了P450[3]。

2、cyp450的结构

由血红素蛋白( P450)、黄素蛋白（NADPH细胞色素C还原酶) 及磷脂三部分组成,相对分子质量45000～55000[7]。细胞色素P450 家族成员之间的一级结构差异较大,但空间结构却有着较大的相似性,含有由含铁血红素和半胱氨酸组成的活性中心。分子中的F - Gloop 结构不仅具有将分子锚定于膜上的功能,而且提供了疏水性底物进入P450 活性位点的通道。疏水性的底物结合区使其易与疏水性的底物作用,而该部位酸性Glu-105的存在可解释该分子易于与带正电荷的底物反应

[8]。所发现的细胞色素P450的结构比对，其三级结构相当保守，cyp450家族的酶特有的相似折叠结构和相同的氧化活性中心(HEM), 从N 端到C 端包含α 螺旋结构为A, B,

C, D, F, E, G, H, I, J, K, L 以及相似的β 折叠结构.不尽相同的过渡螺旋结构,则体现不同的家族个体，另外可能与底物结合的不同机制相关[9]。另外通过细胞色素P450 的三级结构显示,

活性中心的亚铁血红素基团均被限制在末端的螺旋I 和邻近的螺旋L之间.催化中心附近的半胱氨酸与邻近主链的氨基形成两个氢键;螺旋I 形成了亚铁血红素内壁,并且含有特征氨基酸序列; 活性位点处另具有高度保守苏氨酸, 参与催化作用[2]。结构高度保守的cyp450，还具有足够的结构差异，便不同底物与各类cyp450特异性结合。

3、细胞色素450 的功能

P450酶系是自然界中最具有催化作用的广谱生物催化剂。其能作用于许多结构不同的物质，尤其是能催化各种外源化合物，包括生物来源和人工合成的化学品（农药、致癌物、药物、抗氧化剂、添味剂、溶剂、染料、麻醉剂、石油产品等）的生物转化。有些参与甾醇转化的P450对底物有高度的选择性，而其它P450特别是肝微粒体的P450具有重叠的底物专一性[10]。

3.1 P450的催化机制

P450可以催化成千上万种的反应，甚至对具有相似化学结构的底物也表现出多种反应类型，因而被人们称为万能的催化剂。P450催化反应过程涉及多个步骤，--------------细胞色素p450的研究进展-------------

第 3 页 共 6 页 典型的反应是通过电子传递系统将分子氧还原，并将其中一个氧原子加到底物（R-H）中，反应需NADPH。

RH +O2+NADPH+H+ → ROH+H2O+NADP+

P450的催化机制可以分为以下几个步骤：

（1）：三价铁还原和HEM

结合氧气分子；活性中心处的还原性黄素蛋白通过共轭平面和肽链将其电子传递给HEM的三价铁，将其还原为二价铁，此时的亚铁血红素易与氧气分子结合形成氧合亚铁血红素复合物 [P-Fe(III)＋O2＋e-→ P-Fe(II)-O2 ]

或者与过氧化氢反应通过捷径生成Fe(III)-氢过氧化复合物[P-Fe(III)＋H2O2

→ P-Fe(III)-O-OH＋H+]

(2) 形成Fe(III)-氢过氧化复合物；[P-Fe(II)-O2＋e-＋H+→ P-Fe(III)-O-OH＋H2O]

(3) 高活性氧合铁中间体形成;[P•Fe(III)-O-OH＋H+→[P•Fe(IV)＝O]+＋H2O]

(4)氧化底物。氧合铁中间体P•Fe(V)＝O 中的铁为高价五价, 具有较高的氧化能力, 而细胞色素P450 底物上的碳氢键正好接近高价铁原子. 氧原子从氧合铁中间体迁移到底物上, 形成氧化产物. 最后, 产物被水或新的底物取代, 从复合状态解脱离去, 完成循环. 至此, 细胞色素P450 完成了羟基化作用[2]。

3.2 固醇类激素的生物合成

固醇类激素如肾上腺皮质素,雌性性激素,雄性性激素等均为生物体内重要的调节激素。其合成均起始于胆固醇,经孕烯醇酮、孕酮的共同途径,最后合成不同的激素。在此过程中, P450 起着关键作用。

通过免疫金标记(immunogold labeling) 研究该过程中三个关键酶———--------------细胞色素p450的研究进展-------------

第 4 页 共 6 页 P450侧链裂解酶(SCC) , 3 -β- 羟基固醇脱氢酶(3-β- HSD) 和P450(c17)。研究结果表明,在不同的分泌固醇类激素的细胞中,P450 (SCC)、3 -β-HSD 和P450 (c17)

在细胞器中的分布却是相似的(Leydig 细胞中的3 - β- HSD 除外) ,此实验可能暗示着细胞内的固醇类激素的生物合成途径的相似性[11]。

3.3 外源物质的代谢

细胞色素P450 可以通过单加氧作用使脂溶性代谢废物或外源物质失活并溶解于水中,排出细胞后,经尿液排除出体外。在人肝细胞中，重要的内质网膜蛋白CYP3A4 与60 %以上的药物降解有关[12]。而CYP2E1 (P4502E1) 则具有将外源物质如某些药物、卤化溶剂、亚硝胺、工业溶剂等催化为有毒或致癌物质的活性。同时,作为乙醇氧化途径的关键酶,长期酗酒可使肝细胞中CYP2El 的活性大大提高,因此长期的酗酒将大大提高这些外源物质对身体的毒害作用[13]。

3.4 其它功能

细胞色素P450 还有其他多种功能。经研究发现,人肝细胞内质网中的P450

1A2 和P450 2E1 具有磷脂酶D(PLD) 的功能,它们可以将卵磷脂水解为磷脂酸和胆碱。此功能表明,P450 可能是人肝细胞内质网中一种重要的磷脂酶D ,有可以改变膜的性质和传递信号功能等作用[14]。

4、细胞色素P450 的降解

任何物质都具有其半衰期，不同的细胞色素P450 同样具有不同的半衰期。通过对提纯的用异丙基苯过氧化氢物处理失活的细胞色素P450 (鼠肝细胞P450

2B1 或3A、人肝细胞重组P450 3A4) 的研究表明,这些血红素基改变的细胞色素主要通过细胞质中ATP 依赖的泛素降解途径,最终被细胞质中的26S 蛋白酶体所降解。为研究在生物体内降解情况,将血红素基改变的CYP3A 分别在泛素依赖的26S 蛋白酶体降解途径中内质网蛋白Hmg2p 还原酶(3 - hydroxy - 3

-methylglutaryI - CoAreductase) 、固醇合成速度限制酶以及内质网关联的泛素结合酶( ER - associated Ub - conjugatingenzymes)-Ubc6p或Ubc7p 有缺陷的hrdlDelta、hrd2 - 1、hrd3Delta 菌株和野生型的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)

菌株中表达,结果显示P4503A4 (CYP3A4) 的降解和Hmg2p 一样需要Hrd2p (26S

蛋白酶体中19S 封闭塞的一个亚基) 和Ubc7p 的参与,并表现出较小程度的对Hrd3p (内质网关联的泛素连接酶的组分之一) 的依赖性。但与Hmg2p 不同的是CYP3A4 的降解过程对Hrdlp (内质网关联的泛素连接酶组分之一) 并不必需。对溶酶体中羧肽酶Y有缺火的酿酒酵母pep4Delta 菌株的研究证实,CYP3A4 的降解不主要依赖于溶酶体降解途径[12.15]。试验中还发现：细胞色素P450 的磷酸化可加速降解过程,但其磷酸化是否为降解途径所必需还有待进一步研究证实。