السيتوكروم P450

تُرمز الجينات التي تُشفّر إنزيمات P450، والإنزيمات نفسها، بالرمز CYP للدلالة على العائلة الفائقة ، متبوعًا برقم يُشير إلى عائلة الجينات ، وحرف كبير يُشير إلى العائلة الفرعية، ورقم آخر للجين الفردي. ويُكتب الاسم بخط مائل عند الإشارة إلى الجين. على سبيل المثال، CYP2E1 هو الجين الذي يُشفّر إنزيم CYP2E1، وهو أحد الإنزيمات المُشاركة في استقلاب الباراسيتامول (الأسيتامينوفين). يُعدّ نظام تسمية CYP هو النظام الرسمي، مع أنّه يُستخدم أحيانًا CYP450 أو CYP ₄₅₀ كمرادفين. لا ينبغي استخدام هذه الأسماء أبدًا وفقًا لنظام التسمية (لأنّها تُشير إلى إنزيم P450 من العائلة رقم 450). مع ذلك، يُشار إلى بعض أسماء الجينات أو الإنزيمات من عائلة P450 بأسماء تاريخية (مثل P450 _BM3 لـ CYP102A1) أو بأسماء وظيفية، تدل على النشاط التحفيزي واسم المركب المستخدم كركيزة. ومن الأمثلة على ذلك CYP5A1 ، وهو سينثاز ثرومبوكسان A2 _، ويُختصر إلى TBXAS1 (سينثاز ثرومبوكسان A2 ₁ )، و CYP51A1 ، وهو نازعة ميثيل لانستيرول 14-ألفا، ويُختصر أحيانًا بشكل غير رسمي إلى LDM نسبةً إلى ركيزته (لانستيرول) ونشاطه (إزالة الميثيل). ^{[ 3 ]}

تشير إرشادات التسمية إلى أن أفراد عائلات السيتوكروم P450 الجديدة يتشاركون في تطابق الأحماض الأمينية بنسبة 40% على الأقل ، بينما يجب أن يتشارك أفراد العائلات الفرعية في تطابق الأحماض الأمينية بنسبة 55% على الأقل. تقوم لجان التسمية بتعيين وتتبع كل من أسماء الجينات الأساسية ( صفحة السيتوكروم P450 الرئيسية، مؤرشفة بتاريخ 27-06-2010 على موقع Wayback Machine ) وأسماء الأليلات ( لجنة تسمية أليلات السيتوكروم P450 ). ^{[ 4 ] [ 5 ]} غالبًا ما تُستعاد هذه المجموعات القائمة على التشابه في التحليلات التطورية، ويتشارك الأعضاء عمومًا في سمات أنشطتهم التحفيزية. في بعض الأحيان، لا تتطابق عتبات التشابه المقترحة تمامًا مع ما تُظهره الأنماط التطورية (على سبيل المثال، عضو جديد قريب من عائلة ولكنه متطابق بنسبة 39% فقط)، مما يتسبب فيما يُعرف باسم "زحف العائلة" مع انخفاض عتبة التشابه، أو الانقسام العرضي للعائلات. ^{[ 6 ]}

يوجد نظام تسمية عالمي لتعيين أرقام عائلة P450 عبر المجموعات التصنيفية: ^{[ 7 ]}

• CYP1 – 49، CYP301 – CYP499، ...: الحيوانات
  • CYP440 – 446: محجوزة لأفراد عشيرة CYP74 الموجودين في الحيوانات
• CYP51 – 69، CYP501 – CYP699، ...: الفطريات وحقيقيات النوى الدنيا ^{[ 8 ]}
  • CYP6001 – CYP6099: اندماجات فطرية من P450 مع إنزيمات أخرى، مثل ثنائي الأكسجيناز أو بيروكسيجيناز أو إيزوميراز.
• CYP71 – 99، CYP701 – CYP999، ...: النباتات ( Archaeplastida )
• CYP101 – 299، ... البكتيريا

تُحدد مجموعات التصنيف لـ CYP1001 – CYP69999 بتوسيع مجموعات التصنيف المحددة لـ CYP101 – 999. على سبيل المثال، تُخصص CYP3001 – 4999 وCYP30001 – CYP49999 للحيوانات. ولا يتم توسيع نطاق التحفظات المحددة ضمن هذه المجموعات. ^{[ 7 ]} تتوفر العديد من قواعد البيانات لتتبع أرقام عائلات P450 المحددة، وأحرف العائلات الفرعية، وأرقام مجموعات الجينات المتماثلة ، وذلك بهدف عدم وجود أي لبس في معنى كل بادئة عائلة-عائلة فرعية، ^{[ 9 ]} وكذلك التأكد من أن الجينات التي تحمل نفس الاسم عبر الأنواع المختلفة متماثلة فيما بينها. اعتبارًا من أبريل 2026 تُعد قاعدة بيانات P450 Atlas (الإصدار 1.3.0) الأكثر اكتمالاً، حيث تغطي 11068 عائلة، و26037 عائلة فرعية، و79577 مجموعة من الجينات المتماثلة، و164068 تسلسلًا نموذجيًا لمجموعات الجينات المتماثلة. ^{[ 10 ]}

تُؤدي المقارنة بين العديد من إنزيمات P450 من عائلات مختلفة إلى ظهور مفهوم العشائر ، وهو تصنيف تطوري للعائلات. لا يزال الحد الفاصل للتشابه غير مُحدد بدقة، ولكن من المفهوم عمومًا أنه ينبغي أن يُستمد من بضع عُقد مُتفرعة أولى في شجرة التطور الوراثي. ^{[ 11 ]} تضم بعض العشائر عائلة واحدة فقط، بينما تتميز عشائر أخرى بتنوع كبير مع وجود العديد من العائلات داخلها (مثل عشيرة CYP71 وعشيرة CYP85). يُقدم تتبع ظهور العشائر والعائلات عبر العديد من المجموعات التصنيفية صورة واضحة لتطور القدرات الأيضية. ^{[ 6 ] [ 12 ]}

بناءً على طبيعة بروتينات نقل الإلكترون، يمكن تصنيف إنزيمات P450 إلى عدة مجموعات:

• تجمع أنظمة CPR-P450 بين مختزلة السيتوكروم P450 (CPR) ومجال P450.
  • أنظمة P450 الميكروسومية التي يتم فيها نقل الإلكترونات من NADPH عبر CPR (بشكل مختلف CPR أو POR أو CYPOR).
  • كما يوجد أيضًا في البكتيريا مثل P450meg (CYP106A2) من Bacillus megaterium . ^{[ 13 ]}
• تستخدم أنظمة Fr/Fd/P450 مختزلة الفيريدوكسين والفيريدوكسين لنقل الإلكترونات إلى P450. ومن الأمثلة على ذلك نظام P450cam (CYP101A1) في بلاستيدات النباتات من أوبيرون CAM للركائز المرتبطة بالكافور . ^{[ 13 ]}
  • أنظمة الميتوكوندريا P450 التي تستخدم مختزلة الأدرينودوكسين والأدرينودوكسين (وهو فيرودوكسين ) لنقل الإلكترونات من NADPH إلى P450.
  • أنظمة FMN/Fd/P450 : تم العثور عليها في الأصل في أنواع Rhodococcus ، حيث يتم دمج مختزلة تحتوي على نطاق FMN مع CYP.
• أنظمة CYB ₅ R/cyb ₅ /P450 التي تأتي فيها الإلكترونات المطلوبة بواسطة CYP من السيتوكروم b ₅ ، والذي يتم اختزاله بدوره بواسطة مختزلة السيتوكروم b ₅ (CYB ₅ R).
• الأنظمة التي تعتمد فقط على P450 والتي لا تتطلب طاقة اختزال خارجية. ومن أبرزها سينثاز الثرومبوكسان (CYP5)، وسينثاز البروستاسيكلين (CYP8)، وCYP74A ( سينثاز أكسيد الألين ).

يحتوي الموقع النشط لإنزيم السيتوكروم P450 على مركز حديد الهيم. يرتبط الحديد بالبروتين عبر رابطة ثيولات السيستين . هذا السيستين والعديد من الأحماض الأمينية المجاورة له محفوظة بشكل كبير في إنزيمات P450 المعروفة، ولها نمط توافقي رسمي لبصمة PROSITE [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD]. ^{[ 14 ]} بشكل عام، تسير دورة التحفيز لإنزيم P450 على النحو التالي:

1. يرتبط الركيزة بالقرب من مجموعة الهيم ، على الجانب المقابل لمجموعة الثيولات المحورية. ويؤدي ارتباط الركيزة إلى تغيير في بنية الموقع النشط، وغالبًا ما يزيح جزيء ماء من موضع التنسيق المحوري البعيد لذرة حديد الهيم، ^{[ 15 ]} ويغير حالة ذرة حديد الهيم من حالة الدوران المنخفض إلى حالة الدوران العالي. ^{[ 16 ]}
2. يؤدي ارتباط الركيزة إلى نقل الإلكترون من NAD(P)H عبر مختزلة السيتوكروم P450 أو مختزلة أخرى مرتبطة ، ^{[ 17 ]} مما يحول Fe(III) إلى Fe(II).
3. يرتبط الأكسجين الجزيئي بمركز الهيم الحديدي الناتج في موضع التنسيق المحوري البعيد، مما يعطي في البداية ناتج إضافة ثنائي الأكسجين مشابه للأوكسي ميوغلوبين.
4. يتم نقل إلكترون ثانٍ، إما من مختزلة السيتوكروم P450 أو الفيريدوكسينات أو السيتوكروم b ₅ ، مما يؤدي إلى اختزال ناتج إضافة Fe-O ₂ لإعطاء حالة بيروكسو قصيرة العمر.
5. تُبرتَن مجموعة البيروكسو المتكونة في الخطوة 4 مرتين بسرعة، مُحررةً جزيء ماء واحد ومُكَوِّنةً النوع شديد التفاعل المعروف باسم مركب P450 1 (أو ببساطة المركب I). عُزِل هذا الوسيط شديد التفاعل في عام 2010، ^{[ 18 ]} مركب P450 1 هو نوع من أوكسو الحديد (IV) (أو الفيريل ) مع مُكافئ مؤكسد إضافي غير مُتمركز على روابط البورفيرين والثيولات. لا يوجد دليل على وجود بيرفيريل الحديد (V)-أوكسو البديل ^{[ 15 ] . [ 18 ]}

اعتمادًا على الركيزة والإنزيم المعنيين، يمكن لإنزيمات P450 أن تحفز مجموعة واسعة من التفاعلات. يوضح الشكل عملية هيدروكسلة افتراضية. بعد تحرير الناتج المهدرج من الموقع النشط، يعود الإنزيم إلى حالته الأصلية، حيث تعود جزيئة ماء لتشغل موقع التنسيق البعيد لنواة الحديد.

يُعدّ مسار "تحويلة البيروكسيد" (المسار "S" في الشكل) مسارًا بديلًا للأكسدة الأحادية. يتضمن هذا المسار أكسدة معقد الحديديك-الركيزة باستخدام مانحات ذرات الأكسجين مثل البيروكسيدات والهيبوكلوريتات. ^{[ 19 ]} يظهر في الرسم التخطيطي بيروكسيد افتراضي "XOOH".

تم التحقق من التفاصيل الآلية، بما في ذلك آلية ارتداد الأكسجين ، باستخدام نظائر اصطناعية تتكون من معقدات حديد أوكسو هيم. ^{[ 20 ]}

ينعكس ارتباط الركيزة في الخصائص الطيفية للإنزيم، حيث يزداد الامتصاص عند 390  نانومتر وينخفض ​​عند 420  نانومتر. يمكن قياس ذلك باستخدام مطيافية الفرق، ويُشار إليه باسم  طيف الفرق من النوع الأول (انظر الرسم البياني المُدرج في الشكل). تُسبب بعض الركائز تغيرًا معاكسًا في الخصائص الطيفية، وهو ما يُعرف بطيف  الفرق العكسي من النوع الأول، وذلك عبر عمليات لا تزال غير واضحة. تُنتج المُثبطات وبعض الركائز التي ترتبط مباشرةً بحديد الهيم  طيف الفرق من النوع الثاني، بقيمة عظمى عند 430  نانومتر وقيمة دنيا عند 390  نانومتر (انظر الرسم البياني المُدرج في الشكل). في حال عدم توفر عوامل مُختزلة، قد يبقى هذا المُركب مستقرًا، مما يسمح بتحديد درجة الارتباط من قياسات الامتصاص في المختبر ^{[ 19 ].} ج: إذا ارتبط أول أكسيد الكربون (CO) بإنزيم P450 المُختزل، فإن الدورة التحفيزية تتوقف. يُنتج هذا التفاعل طيف الفرق الكلاسيكي لأول أكسيد الكربون بقيمة عظمى عند 450  نانومتر. ومع ذلك، فإن التأثيرات المثبطة والمعطلة لأول أكسيد الكربون تختلف باختلاف أنواع السيتوكروم P450، بحيث تتأثر عائلة السيتوكروم P4503A بشكل أقل نسبياً. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

يرتبط الهيم في السيتوكروم P450 بتسلسل محفوظ: FxxGxRxCxG، حيث يرمز "x" إلى حمض أميني متغير. يرتبط السيستين (C) بالحديد والأرجينين (R)، مكونًا تفاعلات كهروستاتيكية قوية مع السلاسل الجانبية سالبة الشحنة للهيم. تُعد بقايا الجليسين (G) ضمن التسلسل المحفوظ أساسية، إذ يسمح تركيبها الصغير للحلزونات ألفا المحيطة بها بالبقاء في مكانها دون التفاعل مع حمض أميني متغير. ^{[ 23 ]} وتشمل الأنماط المحفوظة الإضافية ما يلي:

• ExxR(K-helix) ^{[ 23 ]}
• AGxDTT(الحلزون I، نطاق ربط الأكسجين) ^{[ 23 ]}