Citocromo P450

O citocromo P450 (abreviado como CYP, P450, e menos frequentemente CYP450) é uma grande e diversa super-família de hemoproteínas (hemoproteína é a proteína ligada a um composto metal-porfirina, como exemplo o citocromo, mioglobina e catalase) encontradas em todos os domínios da vida. O Citocromo P450 usa uma abundância de compostos como substratos (compostos nos quais atuam) exógenos e endógenos em reações enzimáticas. Usualmente eles formam parte de componentes de múltiplas cadeias de transferência de elétron, chamados sistemas continentes de P450.


A reação mais comum catalisada pelo citocromo P450 é a reação de mono-oxigenase, ou seja, a inserção de um átomo de oxigênio dentro de um substrato orgânico (RH) enquanto o outro átomo de oxigênio é reduzido a água:

RH+O2+2H+ +2e --> ROH+H2O

A animação mostra uma via interna do trabalho da enzima citocromo P-4502C9. A proteína, representada pelas fitas e esferas amarelas, é de uma estrutura cristalina de raio X de uma enzima chamada citocromo P-450 metabolizando uma droga. O maior dos dois ligantes (os conjuntos de esferas) é o grupo heme, o qual atua como co-fator para ajudar na reação catalítica. O menor dos dois ligantes é a droga warfarina (um anti-coagulante) a qual é um substrato para a reação catalítica.

Primeiro ambos os ligantes estão ligados. Depois a molécula de warfarina move-se de uma solução (exterior à proteína) e encontra um canal pelo qual acessar seus sítios de ligação específicos. A molécula de warfarina encontra sua via através do canal para achar sua posição de ligação preferida perto do sítio. (Obs.: no vídeo as fitas estão em volta do Heme, o canal só pode ser um espaço entre as fitas.)

[Obs.: A Warfarina (também conhecida sob os nomes comerciais Cumadina, Jantoven, Marevan e Waran) é um anti-coagulante. Ela foi inicialmente comercializada como um pesticida contra ratos e camundongos, e ainda é popular por este motivo, embora venenos mais potentes como o brodifacoum, que também inibe a redutase de epóxido de vitamina K, já tenha sido desenvolvido. Poucos anos após sua introdução, a warfarina foi considerada como uma droga efetiva e relativamente segura para a prevenção da trombose e embolia (formação anormal e migração de coágulos sanguíneos) em muitos distúrbios. Ela foi aprovada para uso como medicação no início dos anos de 1950, e tem permanecido popular desde então; a warfarina é a droga anti-coagulante mais disseminadamente prescrita na América do Norte. A despeito de sua efetividade, o tratamento com warfarina tem vários defeitos. Muitas medicações comumente usadas interagem com a warfarina, bem como alguns alimentos e sua atividade tem que ser monitorada por freqüentes exames de sangue para a taxa internacional normalizada (INR) para assegurar que a dose segura seja tomada.
A warfarina é um derivado sintético da cumarina, um químico encontrado naturalmente em muitas plantas, notavelmante na aspérula, em em menores quantidades no alcaçus, alfazema, e muitas outras espécies.A warfarina e cumarinas relacionadas diminuem a coagulação sanguínea por inibição da redutase de epóxido da vitamna K (epóxi é um oxigênio ligado a dois CH e a redutase tira o oxigênio) , uma enzima que recila a vitamina K oxidada para sua forma reduzida após ter participado na carboxilação de várias proteínas de coagulação do sangue, principalmente a protrombina e o fator VII. Por esta razão, as drogas dessa classe são conhecidas como antagonistas de vitamina K. Wikipedia]

MECANISMOS:

O sítio ativo do citocromo P-450 contém um centro de ferroheme (ferro quelado com qualquer porfirina independentemente do estado de valência do Fe). O ferro é prendido à proteína P-450 pela via do ligante thiolato [o grupo tiol é o análogo de enxofre ao grupo hidroxila (-OH) encontrado nos álcoois. Desde que o enxofre e o oxigênio pertençam ao mesmo grupo da tabela periódica, eles compartilham algumas propriedades de ligações químicas similares. Como no álcool, em geral, a forma desprotonada RS- (R deve ser o radical ao qual o enxofre está ligado), chamada tiolato, é quimicamente mais reativa do que a forma do tiol protonado RSH.Wikipedia] derivado de um resíduo de cisteína. Esta cisteína e vários resíduos flanqueadores são altamente conservados nos CYP conhecidos e tem o padrão consenso da assinatura formal pró-sítio [FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD]. (Obs.: [FW] é fenilalanina ou triptofano; [SGNH] é serina, ou glicina, ou aspargina, ou histidina; x é qualquer aminoácido; [GD] é ou glicina ou ácido aspártico; {F} é não fenilalanina; [RKHPT] é arginina, ou lisina, ou histidina, ou prolina ou treonina; {P} é não prolina; C é cisteína; [LIVMFAP] é ou leucina, ou isoleucina, ou valina, ou metiodina, ou fenilalanina, ou alanina, ou prolina; e [GAD] é ou glicina, ou alanina ou ácido aspártico). Devido à vasta variedade de reações catalisadas pelos CYP, as atividades e propriedades de muitos CYPs diferem em muitos aspectos. Em geral, o ciclo catalítico do P-450 ocorre como se segue:


1) O substrato liga-se ao sítio ativo da enzima, em íntima proximidade ao grupo heme, no sítio oposto à cadeia peptídica. O substrato ligado induz uma alteração na conformação do sítio ativo, frequentemente deslocando uma molécula de água da posição axial distante da cordenação do ferroheme, e algumas vezes alterando o estado do ferroheme de baixo spin para alto spin. Isso ocasiona a mudança nas propriedades espectrais da enzima, com um aumento na absorvência a 390 nm (nano-metro ou milimícron; igual a 10-9 metros) e um decréscimo a 420 nm. Isso pode ser medido pela diferença na espectometria e é referido como diferença de espectro de tipo I (veja a inserção na figura). Se nenhum equivalente redutor estiver disponível, esse complexo pode permanecer estável, permitindo a determinação do grau de ligação a partir de mensurações de absorvência in vitro.

[Pelo que eu entendi, o citocromo tem o campo magnético aumentado ou pelo substrato (o spin aumenta) principalmente quando, na espectrometria de massa, ele apresenta a medida de 390 milimícrons, mas quando atinge 490 milimícrons a absorvência de eletricidade diminui. Obs.: Várias partículas fazem o movimento de spin. As partículas componentes da matéria como electron, proton, nêutron, neutrino e quarkes fazem ½ spin, são chamadas fermium. O elétron é uma partícula elementar e o prótom uma partícula composta.
Wikipédia:
Em mecânica quântica, spin é uma propriedade intrínseca de todas as partículas elementares. Os Fermions, as partículas que constituem a matéria ordinária, têm metade do spin total (do número total de spin). As partículas -½ spin constituem um importante sub-grupo de tais férmions. Todas as partículas elementares que são férmions tem ½ spin.
Os objetos com -½ spin são todos férmions (um fato explicado pelo teorema de estatísitca de spin) e satisfazer o princícpio e exclusão de Pauli. As partículas -1/2 spin podem ter um momento magnético permanente ao longo da direção de seus spins, e este momento magnético dá origem a interações eletro-magnéticas que dependem do spin. Um efeito que foi importante na descoberta do spin é o efeito Zeeman.
Na física das partículas, os fermions são partículas as quais obedecem as estatísticas Fermi-Dirac, elas foram nomeadas após Enrico Fermi (E. Fermi, físico ítalo-americano nascido em 1901 que ganhou um prêmio Nobel). Em contraste aos bósons, os quais tem estatísiticas Bose-Einstein, somente um férmion pode ocupar um estado quântico (estado quântico é um estado alterado, não puro; eu entendi que o férmion tem vários estados quantificados em spin e que um férmion pode permencer no mesmo estado desde que não haja outro perto dele) num dado momento, este é o princípio de exclusão de Pauli. Assim, se mais de um férmion ocupar o mesmo lugar no espaço, as propriedades de cada férmion (ou seja, seu spin) deverão ser diferente do resto. Por isso, os férmions são usualmente associados com a matéria enquanto os bósons são frequentemente partículas carregadoras de força, segundo a distinção entre os dois conceitos não esteja claramente talhada na física quântica.
Os férmions podem ser elementares, tais como elétrons, ou compostos, como os prótons. Todos os férmions observados tem metade do spin inteiro, ao contrário dos bósons, os quais têm spin inteiro. Isso está de acordo com o teorema de estatística de spin, a qual estatui que em muitas teorias sensatas relativistas no campo quântico, as partículas com spin inteiro são bósons enquanto as com metade spin inteiro são férmions. Wikipédia]

2: a mudança no estado eletrônico do sítio ativo favorece a transferência de um elétron do NAD(P)H pela via da redutase do citocromoP450 ou outra redutase associada. Isso toma lugar pela via da cadeia de transferência de elétron, como descrito acima, reduzindo o ferroheme férrico (Fe+3) para o estado ferroso (Fe+2).

3: O oxigênio molecular liga-se covalentemente a uma posição de coordenação axial do ferroheme. O cisteína ligante (a cisteína do CYP) é um melhor doador de elétron do que a histidina, com o oxigênio consequentemente sendo ativado para numa extensão maior em outras proteínas heme. Entretanto, isso algumas vezes permite a dissociação da ligação, a chamada “reação e descasamento”, liberando um radical super-óxido, interrompendo o ciclo catalítico.

4: Um Segundo elétron é transferido pela via do sistema de transporte de elétrons, tanto da redutase do citocromo P450, das ferredoxinas [proteínas que contêm complexos ferro-enxofre e que apresentam atividade careadora de elétrons, porém nenhuma função clássica de enzima; as ferrodoxinas são encontradas em vegetais verdes, algas, bactérias anaeróbicas e nas mitocôndrias do córtex (porção externa de um órgão) da glândula supra-renal e do músculo cardíaco], ou do citocromo b5 (CYP21B?), reduzindo a adução de dióxigênio [Obs.: a dioxigenase é uma oxiredutase que incorpora dois oxigênios (de uma molécula de O2) a um substrato (reduzido) [Reduzido porque não tem O2 ?] a um grupo peróxido negativamente carregado (peroxi quer dizer que tem um átomo a mais de oxigênio; e oxo é um prefixo que indica a adição de oxigênio).

5: O grupo peroxo (deve ser o grupo que tem um oxigênio a mais porque foi adicionado) formado na quarta etapa é rapidamente protonado duas vezes pela transferência local da água ou lados de cadeias de aminoácidos ao redor, liberando uma molécula de água e formando espécies de ferro(V)-oxo altamente reativas.

6: Dependendo do substrato e enzima envolvida as enzimas P450 podem catalisar qualquer de uma ampla variedade de reações. Uma hidoxilação hipotética é mostrada nesta ilustração. Após o produto ter sido liberado do sitio ativo, a enzima retorna ao seu estado original, com uma molécula de água retornando a ocupar a posição de coordenação distante do núcleo de ferro.

S: Uma rota alternativa para a mono-oxigenação é por via da “manobra de peróxido” (peróxido é uma série que contém um número maior de oxigênios, ex. peróxido de hidrogênio : H-O-O-h): a interação com doadores de um único oxigênio tais como os peróxidos e os hiplocloretos (sais do ácido hipocloroso, o qual possui propriedades oxidantes e descolorantes, HOCL) podem levar diretamente à formação do intermediário ferro-oxo, permitindo ao ciclo catalítico ser completado sem passar pelas etapas 3, 4 e 5. Um peróxido “XOOH” hipotético está mostrado no diagrama (X é qualquer átomo).

C: Se o monoxide de carbon (CO) ligar-se a um P450 reduzido (obs.:faltando O, ou com O que pode ganhar outro O?), o ciclo catalítico estará interrompido. Essa reação produz a clássica diferença de CO no espectro com um máximo de 450 nm.


Porque a maioria dos CYPs requer uma proteína parceira para entregar um ou mais elétrons para reduzir o ferro (e eventualmente o oxigênio molecular), os CYPs são propriamente partes ditantes dos sistemas de proteínas que contêm P450. Cinco esquemas são conhecidos:

1)nos sistemas CPR/cyb5/P450 empregados pela maioria dos microssomas eucarióticos [microssomo é uma das vesículas esféricas pequenas liberadas pelo retículo endoplasmático após a ruptura das células e centrifugação](isto é, não mitocondrial) os CYPs envolvem a redução da redutase do citocromo P450 (variadamente CPR, POR, ou CYPOR) pelo NADPH, e a transferência da força de redução de elétrons para o CYP. O Citocromo b5 (cyb5) também contribui reduzindo a força para este sistema a qual é empregada pelos CYPs mitocondriais e de algumas bactérias.


2)Os sistemas CYB5R/cyb5/P450 nos quais ambos os elétrons requeridos pelo CYP vêm do citocromo b5.

3)Os sistemas FMN/Fd/P450 originalmente encontrados no Rhodococcus SP. no qual uma redutase contendo o domínio FMN está fundida ao CYP.

4)Os sistemas de P450 somente, os quais não requerem redução de força externa. Notavelmente esses incluem CYP5 (tromboxano sintase) [tromboxano é ácido prostanóico em que o grupo carboxila (-COOH) foi reduzido a –CH3 e foi inserido um átomo de oxigênio entre os carbonos 11 e 12; os tromboxanos são compostos eicosanóides (eicosano é hidrocarboneto saturado sólido), formalmente baseados no tromboxano, mas com presença do grupo COOH terminal; bioquimicamente relacionados às prostaglandinas e formados a partir delas através de uma série de etapas envolvendo a formação de um endoperóxido (uma ponte O-O entre os carbonos 9 e 11 nas prostaglandinas)por uma ciclooxigenase, seguida de rearranjo (catalisado pela tromboxano sintase), que insere um dos átomos de oxigênio entre os carbonos 11 e 12, deixando o outro oxigênio unindo os carbonos 9 e 11. Os tromboxanos são assim denominados em virtude de sua influência sobre a agregação plaquetária e a formação do anel de seis membros contendo oxigênio. Stedman], CYP8, prostaciclina sintase [a prostaciclina é um potente inibidor da agregação plaquetária e vasodilatador. Stedman], e CYP74A (allene oxide synthase).


http://bioisolutions.blogspot.com/2009/03/cytochrome-p450.html