INDICE Visión general: concepto y función Características. Estructura del CYP450 Localización Nomenclatura y distribución Clasificación : familias y subfamilias Mecanismo enzimático Conceptos de biotransformacion y xenobioticos Función biológica : metabolismo de xenob. Y sust. Endógenas. Ejemplos del metabolismo de xenobioticos Ejemplos del metabolismo de comp. endógenos Factores moduladores de la actividad de CYP450 Inducción enzimática de CYP450 Bibliografía

VISION GENERAL El termino citocromo P450 se refiere a una familia de hemoproteínas

(mas de 2000 isoformas ) presentes en bacterias, hongos, insectos, plantas, peces, mamiferos y primates, que pueden ser consideradas como oxigenasas universales (enzimas que utilizan oxigeno) debido a la gran variedad de Rx que cataliza.

Las proteínas citocromo P450 estan codificadas por una superfamilia génica que contiene centenares de genes.

Algunas ,en su mayoría, están encargadas del metabolismo de xenobióticos y otras de la biosíntesis de compuestos endógenos.

VISION GENERAL Los sustratos de estos sistemas enzimaticos incluyen :

• Colesterol• Hormonas esteroideas • Acidos grasos Compuestos sintetizados endógenos

• Fármacos• Aditivos alimentarios• Pesticidas• Humo de cigarro• Comp. industrialesCompuestos exógenos (XENOBIOTICOS)

CARACTERISTICA ESPECTRAL La designación de esta proteína

como citocromo P450 se origino a partir de su función espectroscópica, antes que se conociera su función catalítica.

La forma reducida de esta hemoproteina se une al monóxido de carbono (CO) para dar lugar a un espectro de absorbancia con un pico aprox. a los 450nm, de aquí el nombre referido a un pigmento.

CARACTERISTICAS Están clasificadas como OXIDOREDUCTASAS (E.C.

1.14.14.1). Asociados a otros componentes de la menbrana

del reticulo endoplasmatico liso como citocromo p450-reductasa y citocromo b5.

Versatilidad funcional y elevado numero de sustratos capaz de metabolizar.

Poseen baja especificidad de sustrato. Actividad monooxigenasa y dependientes de

NADPH. Los citocromos P450 activan OXIGENO

MOLECULAR para catalizar la oxidación de hidrocarburos inactivados mediante la siguiente reacción (el ciclo catalítico se verá mas adelante).

ESTRUCTURA En las estructuras cristalinas de la enzima libre,

disponibles hasta el momento, se observa un grupo hemo , en el cual el hierro se encuentra unido a un grupo tiol (-SH) de una cisteina y a una molécula de agua.

Grupo hemo del Cit P450

ESTRUCTURA Estructura

secundaria y terciaria de las proteínas P450. Representación de CYP2C5. El grupo hemo se representa en naranja y el sustrato en amarillo.

ESTRUCUTRA La molécula de la enzima está constituida por

una combinación de regiones a-hélice y de hojas (laminas beta), principalmente en la región de la proteína que rodea al grupo hemo.

La enzima permanece anclada a la membrana a través de una hélice hidrofóbica cercana al extremo N-terminal, por lo que la mayor parte de la proteína se sitúa en la cara citosólica de la membrana.

La alta conservación de la región del hemo, que se corresponde con el centro catalítico del enzima, refleja un mecanismo común de transferencia de electrones , protones y de activación de oxígeno.

Human CYP1A2 top and side view, J. Biol. Chem., Vol. 282, 14348-14355, May 11, 2007

LOCALIZACIÓN DEL CITOCROMO P450

CLASE I

En los organismos eucariotas los p450 de clase I se encuentran asociado a membrana interna de mitocondria.

En los mamíferos estos p450

catalizan diversos pasos de la biosíntesis de hormonas esteroideas y vitamina D3

CLASE II La localización de la enzima

de clase II son las mas abundantes en eucariotas

Los P-450s y las NADPH-

citocromo P-450 reductasas no están asociados y ambos están anclados de forma independiente en la cara externa de la membrana del retículo endoplásmico mediante la región hidrofóbica del extremo amino-terminal.

LOCALIZACIÓN DEL CITOCROMO P450

DISTRIBUCION DEL CITOCROMO P450

REINO MONERA. Citocromo P450 lípido hidroxilasa

de Bacillus megaterium.las hidroxilaciones de ácidos grasos en bacterias capaz de catalizar la monooxigenación de ácidos grasos saturados de cadena larga, alcoholes y amidas.

REINO FUNGIEl versátil REINO de los hongos es ilustrado por su capacidad para oxidar xenobióticos al igual que por su facilidad para sintetizar metabolitos secundarios tales como antibióticos, toxinas o

esteroides.

REINO VEGETAL. Intervienen en los procesos de síntesis y catabolismo de

hormonas, la oxidación de ácidos grasos, las rutas metabólicas que

conducen a la lignificación y la síntesis de pigmentos y compuestos

de defensa (antioxidantes, fitoestrógenos, aromas)

REINO ANIMAL. enzimas que catalizan el metabolismo de

sustancias endógenas y de substratos exógenos

Nomenclatura y Terminología

Termino CYP (citocromo) y P450.

Familia 40%

Subfamilia 55%

CYP especifico

CPY A 2

CPYA2

Nomenclatura y Terminología

Nomenclatura y TerminologíaCPY 1 CPY 2 CPY 3 CPY 4 CPY

11CPY 17

CPY 19

CPY 21

CPY 26

CPY 51

1A11A21B1

2 A62 A72 A132B62C82C92C182C192D62E1

3 A43 A53 A7

4 A14B14F24F34F8

11 A111B111B2

17º 19º 21 A2 26 A126B1

51º

Clasificación de las enzimas del CYP 450

De acuerdo al modo en que se liberan los electrones en el sitio catalítico procedente del NADPH

Clase I: Como donadores de electrones requieren tanto de NADPH reductasa como de la redoxina hierro-azufre.

Clase II: Necesitan únicamente P-450 reductasa y FAD/FMN para la transferencia de electrones. Son las más comunes en eucariotas.

Clase III: No precisan de ningún donador de electrones, son autosuficientes.

Clase IV: Reciben los electrones directamente del NADPH.

Familias del CYP humano

Familia Función Miembros Nombres

CYP1Metabolismo de drogas y

esteroides (especialmente estrógenos)

3 subfamilias, 3 genes, 1 pseudogen

CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1

CYP2Metabolismo de drogas y

esteroides

13 subfamilias, 16 genes, 16

pseudogenes

CYP2A6, CYP2A7, CYP2A13, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C18, CYP2C19,

CYP2D6, CYP2E1, CYP2F1, CYP2J2, CYP2R1, CYP2S1, CYP2U1, CYP2W1

CYP3Metabolismo de drogas y esteroides (incluyendo

testosterona)

1 subfamilia, 4 genes, 2 pseudogenes

CYP3A4, CYP3A5, CYP3A7, CYP3A43

CYP4Metabolismo del ácido

araquidónico

6 subfamilias, 11 genes, 10

pseudogenes

CYP4A11, CYP4A22, CYP4B1, CYP4F2, CYP4F3, CYP4F8, CYP4F11, CYP4F12, CYP4F22, CYP4V2, CYP4X1, CYP4Z1

CYP5 Tromboxano A2 sintetasa 1 subfamilia, 1 gen CYP5A1

CYP7Biosíntesis de las sales biliares (7-

alpha hidroxilasa del núcleo esteroideo)

2 subfamilias, 2 genes CYP7A1, CYP7B1

CYP8 Variada 2 subfamilias, 2 genesCYP8A1 (prostaciclin sintetasa), CYP8B1

(biosíntesis de sales biliares)

CYP11 Biosíntesis de esteroides2 subfamilias, 3

genesCYP11A1, CYP11B1, CYP11B2

CYP17Biosíntesis de esteroides 17-

alfa hidroxilasa1-subfamilia, 1 gen CYP17A1

CYP19 Biosíntesis de esteroides 1 subfamilia, 1 gen CYP19A1

CYP20 Desconocida 1 subfamilias, 1 gen CYP20A1

CYP21 Biosíntesis de esteroides2 subfamilias, 2

genes, 1 pseudogenCYP21A2

CYP24 Degradación de la Vitamina D 1 subfamilia, 1 gen CYP24A1

CYP26 Hidroxilasa del ácido retinóico3 subfamilias, 3

genesCYP26A1, CYP26B1, CYP26C1

CYP27 Variada3 subfamilias, 3

genes

CYP27A1 (biosíntesis de sales biliares), CYP27B1 (vitamina D3 1-alfa hydroxylase),

CYP27C1 (función desconocida)

CYP397-alfa hidroxilación del 24-

hidroxicolesterol1 subfamilia, 1 gen CYP39A1

CYP46 Colesterol 24-hidroxilasa 1 subfamilia, 1 gen CYP46A1

CYP51 Biosíntesis del colesterol1 subfamilia, 1 gen, 3

pseudogenesCYP51A1 (lanosterol 14-alfa demetilasa)

Familia CYP1 Incluye dos subfamilias, 1A y 1B; a su vez 1A

presenta dos citocromos muy parecidos, CYP1A1 y CYP1A2. La subfamilia 1B solamente el CYP1B1.

CYP1A2 se encarga de inactivar las metilxantinas, varios antidepresivos y la clozapina.

CYP1B1 es la principal enzima del metabolismo de estrógenos carcinogénicos y está involucrado en la activación metabólica de procarcinógenos de hidrocarburos aromáticos policíclicos.

Familia CYP2

CYP2A: CYP2A6 5-10% del total CYP hepático microsomal. Cumarina su principal sustrato. Tambien son la nicotina, metilterbutileter, N-

nitrosodietilamina, N-nitrosobenzilmetilamina

CYP2B: CYP2B6 Metabolismo de nicotina, bupropión, etc. Los niveles en cerebro se encuentran elevados en fumadores y alcohólicos.

CYP2C: CYP2C9: Metaboliza warfarina, fenitoína y algunas sulfonilureas CYP2C19: Metaboliza diazepan y propanolol.

CYP2D: CYP2D6 2% del total CYP hepático microsomal. Metaboliza 20-25% de los fármacos. Metaboliza fluoxetina, codeína y dextrometorfano.

CYP2E: CYP2E1 Participación en el metabolismo del etanol 7% del total CYP hepático, se encuentra también en cerebro y pulmón.

Familia CYP3A

Presencia clínicamente relevante en la mucosa intestinal.

El metabolismo gastrointestinal debido CYP3A contribuye a la baja disponibilidad de muchos fármacos por vía oral.

CYP3A4:

Metaboliza el 55% de la drogas en uso. 30% del total CYP hepático.

MECANISMO ENZIMATICO

MECANISMO ENZIMATICO Es preciso tener en cuenta que “ las oxidaciones catalizadas por el citocromo p450 son

reacciones de monooxigenacion dependientes de NADPH y para las que utiliza oxigeno molecular”

El centro catalítico de los P-450 es el átomo de hierro hexacoordinado (con los 4 anillos de la protoporfirina IX, con el grupo tiol de un residuo de cisteína de la cadena polipeptídica y con el solvente, normalmente agua).

El primer paso del proceso catalítico consiste en la unión del substrato y el desplazamiento del solvente en la sexta posición de coordinación del átomo de hierro.

En el segundo paso se produce la reducción del complejo hemoproteína-substrato al estado ferroso (el Fe3+ del grupo hemo pasa a Fe2+) gracias al aporte de un electrón (citocromop450 reductasa).

El tercer paso es la unión del oxígeno molecular para formar un complejo superóxido y en el cuarto paso se produce el aporte de un segundo electrón con la formación de una especie activada de oxígeno.

El resultado final sería la liberación de uno de los átomos de oxígeno en forma de una molécula de agua y la incorporación del otro en el substrato.

Ruta del flujo electrónico

Fuente: DEVLIN T.H. Bioquimica. Libro de texto con aplicaciones clínicas 4ª Ed. 2004

5

Fuente: Koolman, Color Atlas of Biochemistry.2nd edition.2005

XENOBIOTICOS Los compuestos químicos que no forman parte

de la composición habitual del cuerpo humano, pero que son capaces de acceder a su interior se conocen con el nombre genérico de xenobióticos.

Son compuestos de naturaleza química muy variada, algunos de los cuales son de origen natural o de síntesis.

Estos compuestos pueden acceder a nuestro organismo mediante ingestión, inhalación, por vía parenteral o a través de la piel.

XENOBIOTICOS Entre los mismos se incluyen fármacos,

cosméticos, aditivos alimentarios, pesticidas, productos de uso doméstico, derivados de la combustión de carburantes, residuos procedentes de la industria química, etc.

En general son compuestos de naturaleza lipofílica que pueden atravesar con relativa facilidad las membranas biológicas.

Por tanto, su eliminación del organismo es dificultosa, dado que la excreción de compuestos no volátiles se realiza a través de fluidos de naturaleza acuosa,

principalmente orina.

BIOTRANSFORMACION La biotransformación consiste en un

conjunto de reacciones encaminadas a dotar a los xenobióticos, de la hidrosolubilidad suficiente para ser eliminados del organismo con mayor facilidad.

Para ello se necesita la introducción de grupos funcionales en la molécula que aumenten la polaridad de la misma, lo que se consigue gracias a las reacciones de Fase I o Funcionalización.

BIOTRANSFORMACION Esta etapa es crucial en la excreción de las sustancia toxicas y tienen lugar en los siguientes tejidos:

Fracción microsomal hepática (retículo endoplásmico liso de los hepatocitos). En mayor proporcion.SNC, riñon, pulmón e intestino.

Funcion biologica: METABOLISMO DE XENOBIOTICOS

METABOLISMO DE XENOBIOTICOS Estos sustratos exógenos (“extraños a la vida”) son importantes sustratos para las

formas de citocromos p450. Los CYP450 son capaces de oxidar diversos xenobioticos especialemte lipofilicos. La adicion de un grupo OH hace que el compuesto sea mas polar y por tanto mas soluble en el ambiente celular.

Y para esto se lleva acabo la biotransformacion (visto antes), en cual se dividira en 2 fases:

Fase 1 : son convertidos en productos mas hidrosolubles gracias a la aparición de grupos funcionales (amino, carboxilo, hidroxilo).

Fase 2: los metabolitos generados en la fase 1 se combinan con moléculas endógenas de carácter polar para formar productos de conjugación que sean rápidamente excretados.

En general , las enzimas de fase1 son capaces de transformar múltiples sustratos, se trata de de proteínas catalíticas de naturaleza muy diversa:

monooxigenasa (citocromo p450) Flavin-monooxigenasa Oxidadas Epóxido hidrolasas .

El citocromo p450 es ,sin duda, el miembro mas destacado de este grupo

de enzimas

Participacion relativa de diferentes enzimas de fase 1 en el metabolismo xenobioticos

citocromo p450

flavin-monooxigenasaperoxidasas

reductasas

METABOLISMO DE DIAZEPAN

Metabolismo de diazepan por los citocromos P450 3A4 y 2C19.

El BENZO[α] PIRENO es metabolizado por P450 1A1, 1A2 Y 1B2.

El BENZO[α] PIRENO es un compuesto presente en humo de cigarrillos y constituye un carcinógeno para el hombre.

METABOLISMO DE BENZO[α] PIRENO

OTRAS REACCIONES OXIDATIVAS

Función biológica: metabolismo de compuestos Endógenos

Un ejemplo de la importancia de las reacciones catalizadas por el citocromo p450 es la SINTESIS DE HORMONAS ESTEROIDEAS a partir del colesterol en la corteza adrenal y en los organos sexuales.

Los citocromos p450 (mitocondrial y reticulo endoplasmatico) son necesarios para convertir el colesterol en aldosterona y cortisol en la corteza adrenal. En testosterona, en los testiculos y en estradiol en los ovarios. (fig. siguiente)

Formas citocromo p450 son responsables de varias etapas en la síntesis adrenal de aldosterona , el mineralocorticoide encargado de la regulacion del equilibrio hídrico y salino, y de cortisol, el glucocorticoide que gobierna el metabolismo de proteínas, glúcidos y lípidos. (fig. siguiente)

También se sintetiza androstenodiona, regulador de las características sexuales secundarias y precursor de estrógenos y testosterona.

SINTESIS DE HORMONAS ESTEROIDEAS EN LA CORTEZA

ADRENALCOLESTEROL

PREGNENOLONA

PROGESTERONA

11-DESOXICORTICOSTERONA

CORTICOSTERONA

18-OH-CORTICOSTERONA

ALDOSTERONA

17-OH-PREGNENOLONA

17-OH-PROGESTERONA

11- DESOXICORTISOL

CORTISOL

ANDROSTENODIONA

CYP17

CYP17

CYP21A2

CYP11B1

CYP11B2

CYP17

CYP11A1 ESTROGENO

S

TESTOSTERONA

El colesterol puede ser inducido por diferentes citocromos P450, lo que nos da como resultado la formación de diferentes metabolitos.

Edad

Sexo

Factores moduladores de la actividad

Fisiología

Dieta

Xerobioticos

Extrínseco

Infecciones

Estilo de vida

Administración de fármacos

Salud/enfermedad

Intrínseco

Género

Polimorfismos

Grupo Étnico

Desarrollo y crecimiento

Factores moduladores de la actividad

Inducción del citocromo P450Es la síntesis de nuevas moléculas enzimáticas (lo que incrementa bruscamente su número en un tejido y momento dados) como consecuencia de la transcripción génica.

Fenobarbital: induce fundamentalmente las subfamilias 2B y 2C a través del receptor CAR (Constitutive Androstane Receptor).

Rifampicina y glucocorticoides: activan fundamentalmente las subfamilias 3A y 2C a través del receptor PXR (Pregnane X Receptor).

Fibratos: activan la familia CYP3A4 a través del receptor PPAR (Peroxisome Proliferator-Activated Receptor). Ejemplo: Hiperforina (Hierba de San Juan).

Etanol e isoniazida: Induce fundamentalmente la subfamilia 2E

Bibliografia Omura, T. & Sato, R. (1964) The carbon monoxide-binding pigment of liver

microsomes. I. Evidence for its hemoprotein nature. J Biol Chem 239, 2370-2378.

DEVLIN, T.H. Bioquímica. Libro de texto con aplicaciones clínicas. 4ª Ed. Reverté. Barcelona, 2004.

KOOLMAN, J. Y RöHM, K.H. “Bioquímica: Texto y Atlas”. 3ª Ed. Médica Panamericana. Buenos Aires. 2005.