к.х.н. Л. Алексеева Научные интересы: биосинтез экдистероидов
Цитохром Р-450 относится к числу наиболее интенсивно изучаемых ферментов в связи с разнообразием катализируемых реакций в самых различных организмах. Цитохром Р-450 был впервые обнаружен в конце 50-х годов М. Клингенбергом и Д. Гарфинкелем и представляет собой протогем, являющийся простетической группой, нековалентно связанный с белком. Железо в протогеме имеет координационные связи с четырьмя атомами азота четырех пиррольных колец. Пятым лигандом железа в протогеме цитохрома Р-450 является тиолят-ион, природа шестого лиганда до сих пор не установлена (рис. 1). Цитохромы получили название Р-450, поскольку координационный комплекс их восстановленной формы с СО имеет максимум поглощения при 450 нм [1]. В зависимости от происхождения, цитохромы Р-450 значительно различаются по субстратной специфичности. Одна из наиболее широко распространенных реакций, катализируемых цитохромом Р-450 – окислительное деалкилирование, которое сопровождается окислением алкильной группы, присоединенной к N-, O- или S-атомам (рис. 2). Второе место по распространенности принадлежит реакциям гидроксилирования циклических, ароматических и гетероциклических углеводородов (рис. 3). Цитохром Р-450 может также катализировать реакции гидроксилирования алифатических соединений, S- и N-окисление, N-гидроксилирование, окислительное дезаминирование, реакции восстановления азо- и нитросоединений, реакции окисления насыщенных жирных кислот, перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот, гидроксилирования стероидных гормонов, желчных кислот и холестерина, биосинтез простагландинов. Таким образом, характерной особенностью цитохрома Р-450 является его полифункциональность [1]. Механизм действия цитохрома Р-450 в этих реакциях следующий (рис. 4, 1-8). На первой стадии гидрофобная часть субстрата взаимодействует с железом гема (1) с образованием фермент-субстратного комплекса. После восстановления (2) кислород связывается с железом в качестве шестого лиганда, который в протогеме характеризуется низкой координирующей способностью, в результате происходит активация кислорода (3). Электрон для восстановления поступает от NADPH-специфичного флавопротеина. Восстановление вторым электроном приводит к образованию пероксикомплекса (4). В процессе каталитической реакции железо гема меняет свою валентность и связывает координационными связями молекулярный кислород (5). Один атом кислорода вводится в субстрат, в то время как другой восстанавливается до воды (6). Затем гидроксилированный субстрат освобождается от гидрофобного участка связывания (7), что приводит к образованию цитохрома Р-450-Fe3+, который может связывать другую молекулу субстрата (1). Цитохромы Р-450 широко распространены в клетках микроорганизмов, растений и млекопитающих. Отсутствует цитохром Р-450 только у анаэробных бактерий. Монооксигеназа аэробных бактерий, которая является в эволюционном плане наиболее древней, состоит из растворимого цитохрома Р-450, FAD-содержащего флавопротеина и железосерного белка. Характерной особенностью этой системы является абсолютная специфичность к субстрату. Переход от прокариот к эукариотам сопровождается встраиванием цитохрома Р-450 в мембрану. Примером является цитохром Р-450 бактероидов растений, значительный интерес к которым вызван их ролью в процессе фиксации атмосферного азота в симбиотической системе [3]. Цитохромы Р-450 растений наряду с флавопротеином и, возможно, Fe-S-белком, входят в цепь переноса электронов в микросомах. Они, используя кислород, обеспечивают десатурацию (введение цис-D9-двойной связи) насыщенных жирных кислот в моноеновые ненасыщенные жирные кислоты. Другим примером цепи переноса электронов в микросомах является первая стадия реакции деметилирования стеролов, в результате которой 14a-метильная группа превращается в 14a-СН2ОН группу [2]. У беспозвоночных животных фермент экдизон-20-монооксигеназа является важным регулирующим фактором в биосинтезе экдистероидов (рис. 5), известных как гормоны линьки насекомых. Этот фермент, выделенный из саранчи, был охарактеризован и идентифицирован как цитохром Р-450 [6]. На промежуточной стадии эволюционной лестницы стоит митохондриальная гидроксилазная система надпочечников. Интересным является то, что эта система имеет признаки бактериальной растворимой системы и также состоит из трех компонентов. Первый компонент – цитохром Р-450 – встроен в мембрану, два других – FAD-содержащий флавопротеин (NADPH- или NADH-зависимая редуктаза) и негеминовый серосодержащий белок (адренодоксин) – водорастворимы и локализованы в матриксе митохондрий. Обращает на себя внимание высокая субстратная специфичность митохондриальных гемопротеинов, что делает эту систему еще более похожей на бактериальную. На самой высокой ступени эволюционной лестницы стоит монооксигеназная система микросом печени, содержащая 12 связанных с мембраной цитохромов Р-450, а также три цитохрома b3 и флавопротеид. Благодаря широкому спектру катализируемых реакций, цитохромы Р-450 в организме млекопитающих участвуют в биосинтезе холестерина из сквалена и в превращении холестерина в стероидные гормоны и желчные кислоты (рис. 6). Установлено, что первым этапом биосинтеза жирных кислот является 7a-гидроксилирование холестерина, которое осуществляется микросомальным ферментом 7a-гидроксилазой. Этот фермент является типичной монооксигеназой, как и ферменты последующих стадий гидроксилирования [4]. Другим примером ферментативной реакции с участием цитохрома Р-450 и NADPH-зависимой цитохром P-450-редуктазы является 25-гидроксилирование витамина D3, составляющее первый этап в образовании кальцитриола. Цитохром Р-450, созданный природой для синтеза вторичных метаболитов на самых различных ступенях эволюции, как оказалось, обладает удивительным совершенством. Известно, что цитохромы Р-450 в организме человека играют важную роль для выведения лекарств из организма и для детоксикации чужеродных органических соединений (ксенобиотиков) [1]. Введение гидроксильных групп с помощью цитохрома Р-450 увеличивает полярность молекул, их растворимость и, тем самым, облегчает выведение из организма. Почти все ксенобиотики, попадающие в печень, встречают среди изоформ цитохрома Р-450 хотя бы одну, которая способна окислить эти молекулы. Поэтому возникла идея создания искусственных систем очистки, аналогичных природным, например, рассматривают возможность использования морских водорослей Chlorophyta, Chromophyta и Rhodophyta для очистки моря от ксенобиотиков [7]. Цитохромы Р-450 этих водорослей проявляют каталитическую активность в окислении 3- и 4-хлоробифенила, 2,3-дихлоробифенила. Цитохром Р-450, выделенный из авокадо, способен утилизировать n-хлор-N-анилин [5]. Используются для очистки почв от нафталина и фенантрена Pseudomonas putida, 3,4-дихлоранилина – Paracoccus denitrificans. Таким образом, изучение цитохрома Р-450 дает нам возможность создания искусственных систем защиты от ксенобиотиков. Сама природа дает нам шанс справиться с проблемой антропогенных загрязнений среды, с нарушениями экологического равновесия. ЛИТЕРАТУРА 1. Арчаков А.И. Микросомальное окисление. М.: Наука, 1975. 326 с. 2. Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений. В 2-х томах. М.: Мир, 1986. Т. 1. 392 с. 3. Иноземцева И.А., Мелик-Саркисян С.С., Кретович В.Л. Гетерогенность цитохрома бактероидов // ДАН, 1978. Т. 240. № 6. С.1468-1471. 4. Страйер Л. Биохимия. В 3-х томах. М.: Мир, 1985. Т. 2. 312 с. 5. Keefe D., Leto K. Cytochrome P-450 from the mesocarp of avocado (Persea americana) // Plant Phisiol., 1989. Vol. 89. P.1141. 6. Koolman J. Ecdysteroides // Zool. Science, 1990. № 7. P.580. 7. Pflugmacher S., Sandermann H. Сytochrome P-450 monooxygenases for fatty acid and xenobiotics in marine macroalgae // Plant Physiol., 1998. Vol. 117. P. 123-128. v
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 4302 посещений с 21.09.2001 |