细胞色素P450

细胞色素P450概述

摘要：细胞色素p450【1】是广泛存在于生物体内的一类含血红素和硫羟基的蛋白，相对分子质量50KD，在波长450nm处有最大吸收峰。实际上，P450是属于血红蛋白类酶也是一类氧化酶，在原核生物中，游离于胞质中，为一种可溶性蛋白；真核生物中，作为一种膜结合蛋白，主要分布在内质网和线粒体内膜上。其参与内源物质的代谢与外源物质的转化，细胞色素p450的末端氧化功能使其在碳同化、激素合成、外源物质降解、前致癌物的活化等方面起着重要作用，具有重要的研究价值和潜在的经济价值【2】。

关键词：细胞色素P450 结构与功能分子进化

1分子进化

分子进化包括自然界中自主发生的多种情况，如基因突变，基因倍增，基因转座与整合，外显子的重排，当病毒与细菌感染导致宿主的基因发生改变，一旦基因发生可遗传的变化，其编码的蛋白也将受到影响，在长期的自然进化中，适应性的蛋白最终得到保存，其中的核心部位具有进化保守性，如一些酶的催化活性基团以及关键的核心位点，除此之外，蛋白与蛋白之间相互作用，其中的反应交界面也是在长期的进化中产生相互的影响，其识别机制与反应特点都是在适应的过程中得到保存。在自然条件下以外，通过人工方法加速分子进化已经成为一种普遍应用的手段，例如点突变技术，易错PCR，交错延伸技术，DNA改组技术等都能快速的实现分子进化从而改变蛋白的特性来满足所需要的要求。

1 细胞色素p450的分布

细胞色素P45的分布【3】存在于不同的生物如细菌、真菌、植物、无脊椎动物、脊椎动物等（详细见表格1）和生物的不同组织中。真菌P450可归为4个集团，植物P450可以分为4个集团，其中脊椎动物肝脏中细胞色素 P450含量最丰富，细胞色素P450主要分布于外源物进入体内必经的组织器官，构成外源物进入体内的第一道防线，如在哺乳动物中,它主要分布于皮肤、大脑、肺、胃肠道、肝脏、肾脏、肾上腺、睾丸、胎盘、黄体、主动脉、血小板和巨噬细胞等，高等植物的细胞色素P450分布在质膜、微粒体和高尔基体等处。除此之外对细胞色素P450与其他物质形成融合蛋白的研究也有所进展，由此可以揭示细胞色素P450在进化方面表现【4】（详细情况见图2）。

2.1 细胞色素p450的结构与反应特点

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。Dai R,pincus MR等人建立了鼠细胞色素P4502B1的分子模型。该模型建立在对P450II家族成员中P450-BM3的结构研究以及P450cam 和P450terp保守的核心序列的研究的基础上,综合了P450II家族五个成员的氨基酸序列并用二级结构预测的方法对其进行调整，最后采用分子动力学、热平衡及能量最小化等方法对模型进行了优化。该模型认为分子中的F-G LOOP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甲基苯异丙基苄胺反应因此，该模型成功地解释P450与膜连接机制及其底物特异性。

通常P450有4个β折叠，13个α - 螺旋，其中β5是可变的。核心区域较保守，由D、E、I、J、K和L 6个α螺旋组成。螺旋I包含高度保守的苏氨酸，N- 端有酸性氨基酸残基,位于活性中心吡咯环的上方。螺旋K含非常保守的E- X - X - R，可能起稳定核心结构的作用,位于血红素近侧。螺旋L构成血红素结合区的一个部分,有两套结构保守的β- 折叠, 一

为β-折叠1，包含5个股；另一为β折叠2,包含2个股。这些折叠有助于形成疏水性的底物进入通道。P450的结构保守的共有序列位于血红素的近表面,含高度保守的半胱氨酸，它是血红素铁的第5个配体。线粒体P450 L-螺旋区包含2个带正电荷的氨基酸(通常为精氨酸)残基，近表面还有一卷曲称为绊，结构高度保守,以前称为芳香区细胞色素P450位于电子传递系统的中心，当体内不需要的一些分子，如毒素和药物分子随营养物进入体内时,体内没有专门的系统来排泄这些富含碳原子的外来分子，于是细胞色素P450添加一个化学基团附着到这些分子上,随后,其它酶也将一些化学基团添加于这些分子上,使外来分子成为水溶性分子，易于通过胆汁、尿液或粪便等途径排出体外。细胞色素 P450 和有关酶主要存在于肝脏中，在那里他们形成了第一道防御外来毒素的防线。它们在鼻粘膜中也普遍存在，使机体免受有毒气体的损害。细胞色素P450催化的主要反应有烷基的羟基化，烷基的环氧化，羟基的氧化，氨氧硫部位上的脱烷基化，氨部位上的羟基化和氧化，硫部位上的氧化、氧化性脱氨、氢和脱卤素，氧化性的c-c断裂以及一些还原催化反应等。

2.2细胞色素p450的定位与降解

作为一种膜定位蛋白，细胞色素p450的分拣机制与其他膜蛋白相似。然而,细胞色素p450分布在内质网膜和线粒体内膜上，内质网属于细胞内膜系统的一部分，而线粒体则为半自主性的细胞器二者上的膜蛋白的合成利定位机制截然不同。定位于内膜系统上的细胞色素p450依赖于内质网上的蛋白质翻译偶联易位系统通过N端信号肽、信号识别颗粒及内质网膜上的停泊蛋白信号识别颗粒受体之间的作用，将合成该蛋白的核糖体连接到内质网膜上，进行共翻译转运。而定位于线粒体内膜上的p450则在细胞质中翻译完毕后，通过线粒体膜上的蛋白质移位酶进入线粒体，这一过程需要分子伴侣的协助。不同的细胞色素p450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【5】，最终被细胞质中的26S蛋白酶体所降解。在这个过程中，细胞色素pP450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。

2.3细胞色素P450的功能

细胞色素P450是一种末端加氧酶,在碳源同化、激素合成、外源物质降解、致癌物质合成等方面有着重要作用。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。在这个过程中，细胞色素P450起着关键作用。作为一种混合功能氧化酶，肝细胞光面内质网上的细胞色素P450通过单加氧作用可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。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家族还有磷脂酶的功能，能将卵磷脂水解为磷脂酸和胆碱。因此P450可能是人肝细胞内质网中一种重要的磷脂酶,有改变膜的性质和信号功能等作用。

3 结语

细胞色素 P450 具有多种重要的生物学功能,同时可以预见通过调控其表达和活性来改变生物体内的物质代谢途径、产物的性质和数量[7]。随着现代生物技术的发展、基因组学、分子生物学、生物信息学和蛋白组学等学科的交叉与渗透,人们为调控、改变 P450 结构和表达活性已成为可能并用于防止疾病和新药开发。

[1]赵博，王中伟细胞色素P450的研究进展[J]山东农业大学学报（自然科学版），2004，35（1）：142-144

[2]Bayburt T H,Sligar S G Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America[J].2002,99(10):6725-6730

[3]David R. Nelson Progress in tracing the evolutionary paths of cytochrome P450 [J]Biochimica et Biophysica Acta 1814 (2011) 14–18

[4]Sello MM, Jafta N Diversity and evolution of cytochrome P450 monooxygenases in Oomycetes[J]Sci Rep 2015

[5]Murry BP et al.Archives of biochemistry and biophysics,2011,393(1):106-116

[6] Ingelman S M. Pharmacogenetics of cytochrome P450 and its aplica-tions in drug therapy: the past, present and future [ J] . Trends in Pharmacological Sciences, 2004, 25(4) :193 - 200