Роль семейства цитохромов p450 в патогенезе и лечении нажбп. Цитохромы Гены цитохрома p450

Цитохромы Р450

Суперсемейство цитохромов Р-450 (CYP-450) отвечает за микро- сомальное окисление и представляет собой группу ферментов, имеющих множество изоформ (более 1000), которые не только осуществляют метаболизм лекарств, но и участвуют в синтезе стероидных гормонов, холестерина и других веществ.

Наибольшее количество цитохромов обнаружено в гепатоцитах, а также в таких органах, как кишечник, почки, легкие, головной мозг, сердце . Изоферменты цитохромов на основании гомологии нуклеотидной и аминокислотной последовательностей подразделяют на семейства, которые, в свою очередь, делят на подсемейства. Представители различных семейств отличаются субстратной специфичностью и регуляторами активности (индукторы и ингибиторы). Хотя отдельные члены семейств могут иметь «перекрестную» специфичность и «перекрестные» индукторы и ингибиторы . Так, показано, что противовирусный препарат ритонавир метаболизируется семью ферментами (CYP1A1, CYP2A6, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP3A4), а циметидин ингибирует четыре фермента (CYP1A2, CYP2C9, CYP2D6, CYP3A4) . Наиболее важными для биотрансформации лекарств являются цитохромы CYP1A1, CYP2A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP3A4, CYP3A5. Относительный вклад различных цитохромов и других ферментов I фазы детоксикации в метаболизме лекарств представлен на рисунке 7.2.2.

Вследствие полиморфизма генов метаболизма активность соответствующих ферментов у разных лиц может существенно варьировать. В зависимости от этих межиндивидуальных особенностей выделяют три группы лиц, различающихся по активности того или иного фермента метаболизма . Это так называемые «экстенсивные» ме- таболизаторы - лица с нормальной скоростью метаболизма лекарств (основная часть популяции), «медленные» метаболизаторы (лица со сниженной скоростью метаболизма определенных лекарств) и «быстрые» («сверхактивные») метаболизаторы - индивиды с повышенной скоростью биотрансформации некоторых лекарств. Доля «медленных» и «быстрых» метаболизаторов по отдельным ферментам метаболизма обнаруживает существенные межпопуляционные различия. Вместе с тем далеко не всегда отмечается полная корреляция генотипа и фенотипа в скорости метаболизма лекарства, что свидетельствует о необходимости использования биохимического контроля при генотипировании ферментов метаболизма .

Рассмотрим функциональные особенности полиморфизма основных генов суперсемейств цитохромов CYP-450, принимающих участие в метаболизме лекарств. Подробную информацию о свойствах ферментов метаболизма, их субстратных характеристиках и генетическом полиморфизме можно найти в серии отечественных монографий и учебников по клинической фармакогенетике .

Семейство Р-450 CYP1 метаболизирует сравнительно небольшую часть ксенобиотиков, самые важные из которых представлены полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) - основными компонентами табачного дыма.

Особенно важная роль в этом принадлежит генам CYP1A1 и CYP1A2, локализованным на хромосоме 15. Экспрессию обоих генов регулирует комплекс, образуемый Ah-рецептором с индуцирующей молекулой ПАУ, который проникает в ядро и специфически стимулирует экспрессию этих генов.

CYP1A1 кодирует белок с арилгидрокарбонат-гидроксилазной активностью, контролирующий начальный метаболизм ПАУ, приводящий к образованию канцерогенов (например, бензопирена, который образуется при табакокурении). Генный полиморфизм CYP1A1 обусловлен тремя точковыми мутациями: С4887А и A4889G в экзо- не 7 и T6235C в 3’-фланкирующей области. Замена G4889(Val)+C6235 характеризуется появлением «быстрого» аллеля *2B. Он обладает в 3 раза более высокой активностью по сравнению с аллелем дикого типа. *2B встречается почти у 7 % представителей европеоидной расы и рассматривается как фактор риска рака легких. Показано, что при наличии *2B-аллеля у курильщиков риск развития рака легкого по сравнению с некурящими возрастает более чем в семь раз. Риск становится еще больше, если, кроме аллеля *2B гена CYP1A1, курящий индивид имеет также «неполноценный» аллель гена GSTM1. Аллели *2A (C6235) и *4 (A4887(Asp) встречаются в популяции с частотой всего 1-3 %. При этом *2A-аллель ассоциирован с наследственной предрасположенностью к лейкозу и резистентностью к лекарственной терапии этого заболевания .

Продукт гена CYP1A2 метаболизирует на только ПАУ, но и такие соединения, как кофеин, теофиллин и др. Показано, что наличие *1А-аллеля гена CYP1A2 тормозит метаболизм таких препаратов, как кофеин, деазепам, верапамил, метадон, теофиллин, эстрадиол.

Семейство Р-450 CYP2 - представлено группой функционально наиболее значимых ферментов, метаболизирующих огромное количество различных препаратов. Их активность обнаруживает выраженную зависимость от генетического полиморфизма.

Подсемейство CYP2A является наиболее важным изоферментом данного подсемейства. Он участвует в превращении никотина в коти- нин, в гидроксилировании кумарина и циклофосамида, вносит вклад в метаболизм ритонавира, парацетамола и вальпроевой кислоты. CYP2A6 принимает участие в биоактивации компонентов табачного дыма - нитрозаминов, вызывающих рак легких . Ген CYP1A6 локализован на 19 хромосоме в локусе 19q13.2. В основном ген экспрессируется в печени. Показано, что аллель *4 гена CYP1A6 является про- тективным, т. е. ассоциируется с меньшим риском возникновения рака легкого . Наличие аллелей *2 и *3 ассоциировано со сниженным метаболизмом кумарина, что имеет значение при дозировании этого препарата из-за возможного гепатотоксического действия .

Подсемейство CYP2B. Все ферменты этого подсемейства индуцируются фенобарбиталом. Наиболее значимым ферментом является CYP2B6, который метаболизирует многие цитостатики (циклофос- амид), противовирусные препараты (эфавиренц и невирапин), антидепрессанты (бупропион), анестетики (пропофол) и снитетические опиоиды (метадон), а также участвует в метаболизме эндогенных стероидов. Ген CYP2B6 локализован в том же локусе, что и ген CYP2A6, экпрессируется преимущественно в печени. Наличие медленных аллелей гена CYP2B6 (*2, *4, *5, *6) снижает скорость метаболизма противовирусных препаратов, что приводит к снижению клиренса и повышает риск осложнений со стороны ЦНС .

Подсемейство CYP2C играет ключевую роль в метаболизме многих лекарств. Общим свойством этих изоферментов является наличие 4-гидролазной активности в отношении противосудорожного препарата мефенитоина .

Особенно важным для клинической фармакогенетики является тестирование полиморфизма гена CYP2C9, локализованного в локусе 10q24. Ген экпрессируется преимущественно в печени, является главным метаболизатором ингибиторов ангиотензиновых рецепторов (лозартана и ирберсартана). Его субстратами также являются антикоагулянты (варфарин), сахаро снижающие препараты (глипизид), противосудорожные препараты (фенитоин, диазепам), антидепрессанты (амитриптилин, кломипрамин, имипрамин), ингибиторы протоновых помп (омепразол), нестероидные противовоспалительные препараты (диклофенак, ибупрофен, пироксикам), толбутамин . Как уже упоминалось, анализ полиморфизма гена CYP2C9 стал первым официально одобренным генетическим тестом (см. выше). Количество индивидов, имеющих сниженную активность данного фермента, в отечественной популяции составляет до 20 % . При этом во избежание нежелательных побочных эффектов лечебную дозу вышеперечисленных препаратов у носителей аллелей *2 и *3 гена CYP2C9 необходимо уменьшать в 2-4 раза.

Ген CYP2C19 локализован в локусе 10q24.1-q24.3, экспрессируется в печени. Его белковый продукт является основным ферментом метаболизма ингибиторов протонного насоса (омепразол) и противосудорожных препаратов (прогуанил, вальпроевая кислота, диазепам, барбитураты). Частота его «медленного» аллеля (*2) в европейской популяции колеблется от 5 до 20 0% .

Подсемейство CYP2D. Цитохром CYP2D6 метаболизирует около 20 % всех известных лекарственных средств. Ген CYP2D6 локализован на 22 хромосоме в локусе 22q13.1. Основным местом его экспрессии является печень. В настоящее время в гене CYP2D6 идентифицировано более 36 аллелей, некоторые из них характеризуются отсутствием белкового продукта, а другие приводят к появлению фермента с измененными свойствами. Субстратами фермента CYP2D6 являются такие широко используемые в клинической практике лекарственные средства, как бета-адреноблокаторы, антидепрессанты, антипсихотропные вещества, антиаритмические, нейролептики, противогипертонические препараты, ингибиторы монооксидредуктазы, производные морфина, нейротрансмиттеры (допамины), анальгетики, опиаты. Принимая во внимание, что около 6-10 % европеоидов относятся к медленным метаболизаторам по этому ферменту, очевидна необходимость в генетическом тестировании CYP2D6 с целью коррекции доз упомянутых препаратов. Кроме того, «функционально ослабленные» аллели этого гена ассоциированы с наследственной предрасположенностью к таким тяжелым болезням, как рак легкого, рак кишечника и др.

Подсемейство CYP2E. Цитохром CYP2E1 относится к этанолин- дуцибельным ферментам. Его субстратами являются карбонтетрахлорид, диметилнитрозамин. Есть данные о том, что CYP2E1, наряду с CYP1A2, участвует в превращении парацетамола в N-ацетилбензохи- нонимин, обладающий мощным гепатотоксическим действием . Кроме того, он является наиболее важным изоферментом группы ци- тохромов, окисляющих холестерин липопротеинов низкой плотности, что, в свою очередь, ведет к образованию атеросклеротических бляшек. Ген CYP2E1 локализован в локусе 10q24.3-qter, экспрессируется в печени взрослых людей. Taq1-полиморфизм в гене CYP2E1 приводит к снижению активности данного фермента. Гомозиготы M/M по ослабленному аллелю гена CYP2E1 обнаруживают повышенную чувствительность к вышеуказанным препаратам вследствие их замедленной детоксикации.

Семейство цитохрома Р-450 CYP3

Подсемейство CYP3A наиболее многочисленное. На его долю приходится около 30 % всех изоферментов цитохрома Р-450 в печени и 70 % всех изоферментов стенки желудочно-кишечного тракта . Наиболее значимыми являются ферменты CYP3A4 и CYP3A5, гены которых локализованы в локусе 7q22.1. В печени экпрессиру- ется преимущественно ген CYP3A4, а в желудочно-кишечном тракте - CYP3A5.

Фермент CYP3A4 метаболизирует свыше 60 % всех лекарств и играет большую роль в метаболизме тестостерона и эстрогенов. Аллельные варианты гена CYP3A4 весьма многочисленны, но данные об их влиянии на фармакокинетику соответствующих лекарственных средств противоречивы.

Фермент CYP3A5 метаболизирует часть лекарств, с которыми взаимодействует CYP3A4. Показано, что наличие аллеля *3 гена CYP3A5 приводит к снижению клиренса таких лекарств, как альпраза- лам, мидазолам, саквинавир .

Параоксоназа - фермент, отвечающий за синтез параоксо- назы - белка плазмы крови. Помимо этого фермент инактивирует фосфорорганические соединения, органофосфаты, карбаматы, эфиры уксусной ксилоты. Часть из этих веществ является боевыми отравляющими веществами - зарин, зоман, табун. Из известных трех изоформ наибольшее значение имеет фермент PON1. Ген его локализован в локусе 7q21.3. Наиболее значимым и изученным полиморфизмом является замена глютамина на аргинин в 192 положении (L/M-полиморфизм). Показано, что аллель М ассоциирован со сниженным метаболизмом фосфорорганических соединений.

Аллель М и М/М-генотип увеличивают риск развития болезни Паркинсона, особенно в сочетании с 5-аллелем гена GSTP1, и ассоциированы с образованием атеросклеротических бляшек.

Алкоголь- и альдегиддегидрогеназы

Алкогольдегидрогеназа является ключевым ферментом в катаболизме этанола и других спиртов, окисляя спирты до альдегидов. У взрослого человека ген ADH1B экспрессируется в печени. Существует определенная динамика уровня его экспрессии в зависимости от возраста. Ген ADH1B (ADH2) локализован в локусе 4q22. Наиболее изученный полиморфизм - G141A. Показано, что аллель А связан с повышенной активностью фермента, что приводит к избыточному накоплению промежуточных продуктов метаболизма - альдегидов, обладающих выраженным токсическим эффектом. Индивидуумы с аллелем А гена ADH1B имеют повышенную чувствительность к этанолу и менее подвержены алкоголизму.

В клетках печени присутствуют также две альдегиддегидрогеназы: ALDH1 (цитозольная) и ALDH2 (митохондриальная). Ген ALDH2 локализован в локусе 12q24.2, его продукт играет ключевую роль в превращении токсичных альдегидов в соответствующие карбоновые кислоты, легко удаляемые из организма. ALDH2 играет важную роль в катаболизме алкоголя. Известно, что у представителей желтой расы алкогольная интоксикация обусловлена отсутствием ALDH2 почти у 50 % населения. Полиморфизм в гене ALDH2 приводит к замене Glu в 487 положении белка (ALDH2*1-аллель) на Lys (ALDH2*2-аллель). ALDH2*2-aллель кодирует фермент со сниженной активностью. У гетерозигот активность фермента снижена в 10 раз. Фермент ALDH2 вовлечен в патогенез различных раков, связанных с чрезмерным потреблением алкоголя, - гепатоцеллюлярная карцинома, рак пищевода, глотки и ротовой полости.

Интенсивный прием алкоголя у лиц с неблагоприятными аллельными вариантами генов ADH1B и ALDH2 может привести к быстрому развитию печеночных осложнений: алкогольной болезни и циррозу печени.

Белки цитохромов Р450 человека - большое семейство из 56 разных ферментов, кодируемых различными генами CYP. Все ферменты Р450 - гемсодержащие белки печени; Fe+2 в геме позволяет им принимать электроны от доноров электронов, например никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), и использовать их для катализирования множества разных реакций, чаще всего - соединение одного из атомов молекулярного кислорода (О2) с атомами углерода, азота или серы.

В случае многих лекарственных средств под действием цитохромов Р450 происходит добавление к молекуле гидроксильной группы. Этот процесс обычно называют I фазой метаболизма лекарств - введение в состав более полярной группы, что обеспечивает легкий доступ к боковой группе. Гидроксильная группа, присоединенная в I фазе, создает точку присоединения к лекарству углеводной или ацетильной группы, что приводит к детоксикации лекарственного средства и значительно облегчает его выделение (фаза II метаболизма лекарства).

Цитохромы Р450 сгруппированы в 20 семейств согласно гомологии аминокислотной последовательности. Три семейства - CYP1, CYP2 и CYP3 содержат ферменты, не специфичные к субстратам и участвующие в метаболизме большого числа чужеродных веществ (ксенобиотиков), включая лекарства. Для фармакогенетики особенно важны конкретно шесть генов (CYP1A1, CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6 и CYP3A4), поскольку кодируемые ими шесть ферментов отвечают за I фазу метаболизма у более 90% всех обычно используемых лекарственных средств.

Только CYP3A4 включен в метаболизм свыше 40% всех лекарств, используемых в клинической медицине. Кроме того, многие гены CYP очень полиморфны, с аллелями, имеющими реальные функциональные последствия для реакции на лекарственную терапию. Аллели CYP могут приводить к отсутствию, уменьшению или повышению активности фермента, влияя на скорость метаболизма многих лекарственных средств. Например, CYP2D6 - первичный цитохром в I фазе метаболизма активен более чем для 70 разных лекарств. Описаны 26 аллелей в гене CYP2D6, влияющие на его активность, понижая, устраняя или повышая ее (блок).

Миссенс-мутации уменьшают активность этих цитохромов; аллели, при которых активность отсутствует полностью, вызваны мутациями сплайсинга или сдвига рамки. В отличие от них, аллель CYP2D6*1XN представляет серию копий числового полиморфизма аллелей, когда ген CYP2D присутствует в трех, четырех и более копий в одной хромосоме. Как и следовало ожидать, копии приводят к высокой активности фермента. Существует больше десятка аллелей, не влияющих на функцию белка и считающихся диким типом. Различные комбинации четырех классов аллелей приводят к количественным различиям метаболической активности, хотя некоторые комбинации встречаются очень редко и недостаточно изучены. Обычно выделяют три основных фенотипа: с нормальным, сниженным и быстрым метаболизмом.

Индивидуумы со сниженным метаболизмом имеют явный риск накопления токсичного уровня лекарств. При быстром метаболизме есть риск недостаточного эффекта при использовании обычных доз, неадекватных для поддержания терапевтического уровня препарата в крови.

Изменения ферментов цитохромов Р450 важны не только для детоксикации лекарственных средств, они также участвуют в активации некоторых препаратов. Например, кодеин - слабый наркотик, оказывающий болеутоляющее действие за счет преобразования в морфин - активный метаболит с 10-кратно повышенным действием.

Преобразование выполняет фермент CYP2D6 . Лица с низким метаболизмом, вызванным утратой активных аллелей в гене CYP2D6, не способны преобразовать кодеин в морфин, поэтому получат небольшую терапевтическую пользу. И, наоборот, для пациентов с повышенной скоростью метаболизма низкие дозы кодеина могут оказаться токсичными.

Случаи медленного и быстрого метаболизма имеют еще одно осложнение, существенное для применения фармакогенетики в персонализированной генетической медицине. Частота многих аллелей цитохромов Р450 различается в разных популяциях. Например, фенотип с медленным метаболизмом CYP2D6 присутствует у 1 из 14 европеоидов, редко встречается у монголоидов и практически отсутствует у американских индейцев и жителей Океании. Аналогичным образом аллели с медленным метаболизмом гена CYP2C19 имеют выраженную этническую изменчивость, составляя 3% у европеоидов и почти 16% у всех монголоидов, имеющих медленный метаболизм.

Цитохром Р450. Авторы открытия М.Клингерберг и Д.Гарфинкель установили, что этот фермент по химической природе простетической группы может быть отнесен к цитохромам типа и. Т.Омура и Р.Сато в 1964 г. обнаружили, что комплекс восстановленного гемопротеина с окисью углерода имеет характерный максимум при 450 нм, что и определило название фермента. Однако использование слова "цитохром" применительно к гемопротеинам класса Р450 нельзя считать удачным, так как функцией цитохромов является перенос электронов, а не катализ монооксигеназных реакций. В рекомендациях по номенклатуре семейства Р450, предложенной Д. Небертомб слово "цитохром" упоминается только при расшифровке обозначения CYP (т.е. cy- tochrome З450), которое и используется при обозначении генов Р450.

В настоящее время известно более 150 различных Р450, обнаруженных в животных, растениях, грибах, бактериях. Только у строго анаэробных бактерий гемопротеин отсутствует. Прокариоты содержат растворимый Р450. Переход к эукариотическим системам сопровождается встраиванием Р450 в мембрану, как в случае дрожжей и грибов. Все цитохромы Р450 высших организмов - мембранные ферменты. В эволюционном плане наиболее древней является бактериальная монооксигеназа

На промежуточной стадии эволюционной лестницы стоит митохондриальная гидроксилазная система надпочечников. Она имеет все при- знаки бактериальной растворимой системы и также состоит из трех компонентов. Два ее компонента - FAD-содержащий флавопротеин (NADPH- или NADH-зависимая редуктаза) и негеминовый серосодержащий белок (адренодоксин) - водорастворимы и локализованы в матриксе ми- тохондрий, третий - Р450 встроен в мембрану. Обращает на себя вни- мание высокая субстратная специфичность митохондриальных гемопро- теинов, что делает эту систему еще более похожей на бактериальную. Митохондриальные цитохромы Р450 участвуют главным образом в окисле- нии эндогенных субстратов.

На самой высокой ступени эволюционной лестницы стоит монооксигеназная система микросом печени .

Р450 играют важную роль в окислении многочисленных соединений, как эндогенных (стероиды, желчные кислоты, жирные кислоты, проста- гландины, лейкотриены, биогенные амины), так и экзогенных (лекарства, яды, продукты промышленного загрязнения, пестициды, канцерогены, мутагены и т.п.), последние называют ксенобиотиками .

По типу катализируемых реакций Р450 можно отнести к монооксигеназам внешнего типа. В присутствии доноров электронов (NAD(P)H) Р450 способен активировать молекулярный кислород, один атом которого затем внедряется в молекулу окисляемого субстрата, а другой восстанавливается до воды"

R + AH + O L ROH + A + H O где R - субстрат, ROH - продукт, AH - донор электронов.

Оксигеназные реакции, катализируемые цитохромом Р450, весьма разнообразны. Одна из наиболее широко распространенных реакций окисления ксенобиотиков - реакция окислительного деалкилирования, которая сопровождается окислением алкильной группы, присоединенной к N-, O- или S-атомам. Второе место по распространенности принадлежит реакциям гидроксилирования циклических соединений, которые включают гидроксилирование ароматических, предельных и гетероциклических углеводородов. Р450 может также катализировать реакции гидроксилирования алифатических соединений, N-окисление, окислительное дезаминирование, реакции восстановления азо- и нитросоединений. Реакции окисления природных соединений включают w-окисление насыщенных жирных кислот, гидроксилирование стероидных гормонов, желчных кислот и холестерина, биосинтез простагландинов, перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот.

В отличие от других гемопротеинов, обладающих как правило в клетке лишь одной активностью и строго определенной функцией, Р450 наряду с монооксигеназной может проявлять и оксидазную активность, генерируя активные формы кислорода в виде суперокисного и гидрок- сильного радикалов, перекиси водорода. В связи с этим в литературе иногда Р450 называют оксидазой со смешанной функцией. А.И. Арчаков с сотр. обнаружили, что Р450 может функционировать и как истинная четырехэлектронная оксидаза, генерируя только воду из молекулы кисло рода. Р450 обнаруживает и пероксидазную активность, используя в реакции окисления в качестве косубстратов, вместо NAD(P)H, органи- ческие перекиси или перекись водорода. Имеются данные, что Р450 может катализировать диоксигеназные реакции. Таким образом, характер- ной особенностью Р450 является множественность функций, но основной является монооксигеназная. На рис. 1.32 представлена общая схема оксигеназной и оксидазных реакций. На 1-ой стадии оксигеназного цикла (цикл а) происходит связывание субстратов с окисленной формой Р450 с образованием фермент-субстратных комплексов. При этом в зависимости от субстратов могут появляться три типа спектральных из- менений: I, II и модифицированный II, характеризующиеся в дифференциальном спектре поглощения максимумом и минимумом при определенных длинах волн. Субстраты I типа взаимодействуют в основном с низко- спиновой формой Р450 и атом железа из шестикоординированного низко- спинового состояния переходит в пятикоординированное высокоспиновое состояние. В образовании комплексов I типа ведущую роль играют гидрофобные взаимодействия неполярных субстратов с активным центром фермента. Комплексы типа II возникают в результате взаимодействия аминогруппы субстрата с атомом железа гема, находящимся либо в вы- сокоспиновом, либо в низкоспиновом состояниях. При этом высокоспиновая форма железа переходит в низкоспиновую. Железо гема в таких комплексах находится в шестикоординированном состоянии, причем ме- сто связывания кислорода занято азотом субстрата. Модифицированный тип II спектральных изменений является результатом взаимодействия гидроксильной группы субстрата с высокоспиновой формой железа. Ско- рость взаимодействия субстратов I типа с Р450, как правило, на по- рядок выше, чем II типа. На 2-ой стадии монооксигеназного цикла происходит восстановление комплекса Р450-субстрат. Электрон для восстановления цитохрома Р450 поступает от NADPH-специфичного флавопротеина. На следующих стадиях происходит активация кислорода. Для этих стадий характерно последовательное образование окси- и пероксикомплексов Р450. Оксикомплекс Р450 способен диссоциировать с освобождением суперокисных радикалов, из которых в реакции дисмута- ции генерируется перекись водорода (цикл б). Восстановление окси- комплекса вторым электроном ведет к образованию двухэлектронновос- становленного пероксикомплекса. Считается, что эта стадия является лимитирующей в монооксигеназном цикле. При распаде пероксикомплекса генерируется перекись водорода (цикл в) и образуется реакционноспо- собная частица оксеноида (FeO) , содержащая шестиэлектронный атом кислорода, лигандированный трехвалентным железом. Кислородный атом из этой частицы может переноситься к С-Н-связи субстрата и внедряться в нее. В качестве другого механизма предлагается возможность ацилирования дистального атома кислорода, лигандированного на желе- зе гема. Распад этого комплекса ведет к образованию надкислоты в активном центре Р450. Низкая реакционная способность надкислоты требует дополнительной активации молекулы субстрата. Двухэлектрон- ное восстановление оксеноида ведет к образованию воды из молекулы кислорода (цикл г). Вероятнее всего, единого механизма для реакций, катализируемых цитохромом Р450, не существует.

К настоящему времени идентифицированы более 160 разных генов, кодирующих Р450. Сведения о первичной структуре, субстратной специ- фичности, индуцибельности, локализации в клетке, строении гена и многих других свойствах приведены в компьютерной базе данных "Cyto- chrome P450, Database" (CPD), созданной в Институте биомедицинской химии РАМН.

Молек. масса различных Р450 колеблется от 44 до 60 кДа. Мономеры гемопротеина состоят из одной полипептидной цепи, содержащей от 45 до 55% неполярных аминокислотных остатков. В отсутствие детергента цитохром существует в виде агрегатов с молек. массой от 300 до 700 кДа. Полная аминокислотная последовательность установлена для более чем 150 цитохромов Р450. Наиболее хорошо исследованы CYP2B4 и CYP1A2, выделенные из микросом печени кроликов после ин- дукции фенобарбиталом и 3-метилхолантреном соответственно. Молекула CYP2B4 состоит из 491 аминокислотных остатковб а CYP1A2 - из 516 аминокислотных остатков. Д. Озолс и др. в 1981 г. и О. Гото и др. в 1983 г. при сравнении первичной структуры гемопротеинов семейств CYP2 и CYP1 обнаружили 2 консервативных участка

Микросомальное окисление – это последовательность реакций с участием оксигеназ и НАДФН , приводящих к внедрению атома кислорода в состав неполярной молекулы и появлению у нее гидрофильности и повышает ее реакционную способность..

Реакции микросомального окисления осуществляются несколькими ферментами, расположенными на мембранах эндоплазматического ретикулума (в случае in vitro они называются микросомальные мембраны). Ферменты организуют короткие цепи, которые заканчиваются цитохромом P 450 .

Реакции микросомального окисления относятся к реакциям фазы 1 и предназначены для придания гидрофобной молекуле полярных свойств и/или для повышения ее гидрофильности, усиления реакционной способности молекул для участия в реакциях 2 фазы. В реакциях окисления происходит образование или высвобождение гидроксильных, карбоксильных, тиоловых и аминогрупп, которые и являются гидрофильными.

Ферменты микросомального окисления располагаются в гладком эндоплазматическом ретикулуме и являются оксидазами со смешанной функцией (монооксигеназами).

Цитохром P450

Основным белком микросомального окисления является гемопротеин – цитохром Р 450 . В природе существует до 150 изоформ этого белка, окисляющих около 3000 различных субстратов. Соотношение разных изоформ цитохрома Р450 различается в силу генетических особенностей. Считается, что одни изоформы участвуют в биотрансформации ксенобиотиков, другие – метаболизируют эндогенные соединения (стероидные гормоны, простагландины, жирные кислоты и др.).

Цитохром Р450 взаимодействует с молекулярным кислородом и включает один атом кислорода в молекулу субстрата, способствуя появлению (усилению) у нее гидрофильности, а другой – в молекулу воды. Основными его реакциями являются:

• окислительное деалкилирование, сопровождающееся окислением алкильной группы (при атомах N, O или S) до альдегидной и ее отщеплением,
• окисление (гидроксилирование) неполярных соединений с алифатическими или ароматическими кольцами,
• окисление спиртов до соответствующих альдегидов.

Работа цитохрома Р 450 обеспечивается двумя ферментами:

• НАДН‑цитохром b 5 ‑оксидоредуктаза , содержит ФАД ,
• НАДФН‑цитохром Р 450 ‑оксидоредуктаза , содержит ФМН и ФАД .

Схема взаиморасположения ферментов микросомального окисления и их функции

Обе оксидоредуктазы получают электроны от соответствующих восстановленных эквивалентов и передают их на цитохром Р 450 . Этот белок, предварительно присоединив молекулу восстановленного субстрата, связывается с молекулой кислорода. Получив еще один электрон, цитохром P 450 осуществляет включение в состав гидрофобного субстрата первого атома кислорода (окисление субстрата). Одновременно происходит восстановление второго атома кислорода до воды.

Последовательность реакций гидроксилирования субстратов с участием цитохрома Р450

Существенной особенностью микросомального окисления является способность к индукции или ингибированию, т.е. к изменению мощности процесса.

Индукторами являются вещества, активирующие синтез цитохрома Р 450 и транскрипцию соответствующих мРНК. Они бывают

1. Широкого спектра действия, которые обладают способностью стимулировать синтез цитохрома Р 450 , НАДФН-цитохром Р 450 -оксидоредуктазы и глюкуронилтрансферазы. Классическим представителем являются производные барбитуровой кислоты – барбитураты, также в эту группу входят диазепам , карбамазепин , рифампицин и др.

2. Узкого спектр а действия, т.е. стимулируют одну из форм цитохрома Р 450 – ароматические полициклические углеводороды (метилхолантрен , спиронолактон ), этанол.

Например, этанол стимулирует синтез изоформы Р 450 2Е1 (алкогольоксидаза) которая участвует в метаболизме, этанола, нитрозаминов, парацетамола и др.
Глюкокортикоиды индуцируют изоформу Р 450 3А.

Ингибиторы микросомального окисления связываются с белковой частью цитохрома или с железом гема. Они делятся на:

1. Обратимые

• прямого действия – угарный газ (СО ), антиоксиданты ,
• непрямого действия , т.е. влияют через промежуточные продукты своего метаболизма, которые образуют комплексы с цитохромом Р 450 – эритромицин .

2. Необратимые ингибиторы – аллопуринол , аминазин , прогестерон , оральные контрацептивы , тетурам , фторурацил ,

Оценка реакций 1-й фазы

Оценку микросомального окисления можно проводить следующими способами:

• определение активности микросомальных ферментов после биопсии,
• по фармакокинетике препаратов,
• с помощью метаболических маркеров (антипириновая проба ).

Антипириновая проба

Обследуемый принимает утром натощак амидопирин из расчета 6 мг/кг веса. Собирается 4 порции мочи в интервале соответственно от 1 до 6 часов, 6-12, 12-24 и 45-48 часов. Объем мочи измеряется. Не позже, чем через 24 часа моча центрифугируется или фильтруется. Далее исследуется концентрация 4-аминоантипирина и его метаболита N-ацетил-4-аминоантипирина в моче.

Цитохром р450 (CYP 450) – так называется большая семья универсальных ферментов организма человека, отвечающих за метаболизм большинства лекарств и других чужеродных органических соединений (ксенобиотиков) .

Метаболизм многих классов лекарственных средств (антигистаминных препаратов, ингибиторов ретровирусной протеазы, бензодиазепинов, блокаторов кальциевых каналов и др.) происходит с участием цитохромов.

Помимо этого, цитохромы обеспечивают различные физиологические процессы, включая биосинтез стероидов и холестерина, метаболизм жирных кислот и обеспечение кальциевого обмена (гидроксилирование витамина D3, составляющее первый этап в образовании кальцитриола).

История цитохрома р450

Цитохром Р450 был открыт в конце 50-х годов ХХ века М. Клингенбергом и Д. Гарфинкелем. Термин «цитохром» (cito –клетка; с hromos –цвет) появился в 1962 г. как временное название для обнаруженной в клетках окрашенной субстанции.

Как оказалось, различные виды цитохрома Р450 широко распространены в клетках микроорганизмов, растений и млекопитающих. Отсутствуют эти ферменты только у анаэробных бактерий.

Ученые предполагают, что все гены, кодирующие разные виды CYР450, произошли от одного гена-предшественника, который существовал еще два биллиона лет назад. Функция этого «оригинального» гена заключалась в утилизации энергии. На данный момент в природе обнаружено более 1000 различных видов цитохрома CYP 450.

Разнообразие цитохромов

На сегодняшний день у млекопитающих обнаружено около 55 различных видов цитохромов, у растений – более 100.

Благодаря успехам генной инженерии, удалось установить, что ферменты семейства цитохромов выполняют различные функции, что и обусловливает их деление на три основных класса:

• участвующие в метаболизме лекарственных препаратов и ксенобиотиков;
• участвующие в синтезе стероидов;
• участвующие в других важных эндогенных процессах, протекающих в организме.

Классификация цитохромов

Все цитохромы и гены, кодирующие их синтез, называют в соответствии со следующими рекомендациями:

• в названии цитохрома обязательно указывается корень CYP;
• в названии гена, кодирующего синтез соответствующего цитохрома, также присутствует CYP , но прописанный наклонным шрифтом;
• цитохромы разделены на семейства (обозначаются цифрами), подсемейства (обозначаются буквами) и изоформы (обозначаются цифрами, отражающими номер кодирующего гена).

Например, CYP 2 D 6 относится ко 2-му семейству, подсемейству D , кодируется геном 6. Название же самого гена выглядит как CYP 2 D 6.

Основные цитохромы

Несмотря на разнообразие цитохромов в организме человека, метаболизм лекарственных средств происходит с участием преимущественно ограниченного количества CYP 450. Наиболее распространенными представителями этой группы являются: CYP 1А2, CYP 2С9, CYP 2С19, CYP 2 D 6, CYP 2E1, CYP 3A4.

Эти ферменты катализируют широкий спектр метаболических реакций:

• один цитохром может метаболизировать несколько лекарственных препаратов, имеющих различную химическую структуру;
• один и тот же лекарственный препарат может подвергаться воздействию различных CYP 450 в разных органах и системах человеческого организма.

Двойственность природы цитохромов P450

В большинстве случаев жирорастворимые лекарственные средства и другие химические субстанции трансформируются в водорастворимые метаболиты, которые легче выводятся из организма. Введение гидроксильных групп (благодаря цитохрому Р450) увеличивает полярность молекул и их растворимость, что также способствует их выведению из организма. Почти все ксенобиотики, попадающие в печень, окисляются какой-либо изоформой цитохрома р450.

Однако те же ферменты, катализирующие процессы «очищения», могут активировать инертные химические молекулы до высоко реактивного состояния. Такие молекулы-посредники могут взаимодействовать с белками и ДНК.

Таким образом, воздействие цитохромов р450 может произойти по одному из двух конкурентных путей: метаболической детоксикации либо активации.

Вариабельность действия цитохромов

Для каждого человека характерен свой метаболизм лекарственных веществ, отличающийся от такового других людей. Индивидуальные особенности зависят от генетических факторов, возраста пациента, его пола, состояния здоровья, характера питания, сопутствующей фармакотерапии и т.д.

Генетическая вариабельность лекарственного метаболизма была установлена случайно: стандартные дозы лекарств неожиданно вызывали нестандартные реакции у разных индивидуумов.

Активность ферментов бывает двух (иногда трех) основных видов: интенсивная и слабая (средняя), соответственно метаболизм лекарственных веществ может происходить быстро и медленно.

Цитохромы и метаболизм лекарственных средств

Цитохром CYP 1А2 участвует в метаболизме многих лекарств, включая эуфиллин и кофеин. Активность этого фермента повышается под воздействием химических веществ, попадающих в организм человека во время курения.

Цитохром CYP 2А6 играет важную роль в метаболизме кумарина (непрямой антикоагулянт) и никотина.

Цитохром CYP 2С9 вовлечен в метаболизм фенитоина, толбутамида, варфарина. Если в структуре гена, кодирующего синтез данного цитохрома, изменяется хотя бы одна аминокислота, то нарушается его ферментативная активность. Ферментная недостаточность этого цитохрома обусловливает врожденную предрасположенность к интоксикации фенитоином и к осложнениям в результате терапии варфарином.

Цитохром CYP 2С19 участвует в метаболизме омепразола, диазепама, имипрамина. Однако клиническое значение полиморфизма этого фермента остается спорным. Эффективные дозы многих препаратов, метаболизируемых CYP 2С9, столь далеки от токсических, что потенциальные отклонения в активности цитохрома CYP 2С9 не играют значительной роли.

Цитохром CYP 2 D 6 является примером генотипических различий среди разных этнических групп. В 70-х годах прошлого столетия изучали фармакокинетику антигипертензивного препарата дебризохина и антиаритмика спартеина. Получены следующие результаты: при общей тенденции к сверхбыстрому метаболизму дебризохина, среди лиц европеоидной расы медленный метаболизм наблюдался в 5–10% случаев, среди японцев этот показатель составил менее 1%.

Препараты, метаболизируемые CYP2D6 (b -блокаторы, антиаритмики, психоаналептики, антидепрессанты и наркотические анальгетики), имеют узкий терапевтический индекс, т.е. между дозой, необходимой для достижения лечебного эффекта, и токсической дозой существует небольшая разница. В такой ситуации индивидуальные отклонения в метаболизме лекарств могут сыграть драматическую роль: повышение концентрации последнего до токсического уровня, либо снижение до потери эффективности.

История применения пергексилина (Австралия) ярко продемонстрировала огромное значение полиморфизма CYP2D6. После первого опыта назначений препарат был изъят из арсенала средств для лечения стенокардии вследствие высокой гепато- и нефротоксичности. Но в настоящее время пергексилин опять применяется и признан высокоэффективным средством, поскольку является токсичным только для пациентов со слабым метаболизмом CYP2D6. Безопасность назначения пергексилина обеспечивается предварительным определением индивидуального уровня этого цитохрома.

Цитохром CYP 3А4 предположительно метаболизирует около 60% всех лекарственных веществ. Это основной цитохром печени и кишечника (от общего количества цитохромов он составляет 60%). Активность его может повышаться под влиянием рифампицина, фенобарбитала, макролидов и стероидов.

Ингибирование метаболизма лекарственных средств

Ингибирование метаболизма лекарственных средств является наиболее частой причиной клинически значимого медикаментозного взаимодействия, что приводит к нежелательному повышению концентрации препарата в крови. Чаще всего это происходит, когда два различных лекарства конкурируют между собой за возможность быть связанными с одним ферментом. Лекарство, «проигравшее» в этой конкурентной «борьбе», теряет возможность адекватно метаболизироваться и избыточно накапливается в организме. Отрадно, что существует не так много препаратов, обладающих характеристиками выраженного ингибитора. Характерными ингибиторами являются циметидин, эритромицин, кетоконазол и хинидин. Среди более новых препаратов потенциальными ингибиторными свойствами обладают селективные ингибиторы обратного захвата серотонина и ингибиторы протеаз.

Скорость ингибирования зависит от фармакокинетических свойств «конфликтующих» препаратов. Если и ингибитор, и лекарство-субстрат имеют короткий период полураспада (например, циметидин и ингибитор его метаболизма – теофиллин), взаимодействие окажется максимальным на 2–4-й день. Столько же времени потребуется для прекращения эффекта взаимодействия.

В случае одновременного применения варфарина и амиодарона для прекращения ингибиторного эффекта потребуется 1 мес и более, что связано с длительным периодом полураспада последнего.

Несмотря на то, что ингибирование цитохромопосредованного метаболизма является большой проблемой, в клинической практике иногда создаются условия, позволяющие целенаправленно использовать этот феномен. Антивирусный препарат саквинавир имеет очень низкую биодоступность, что связано с его интенсивным метаболизмом цитохромом CYP 3A4. Биодоступность лекарства при приеме внутрь составляет всего 4%. Одновременное введение родственного препарата ритинавира, подавляющего активность цитохрома, приводит к 50-кратному повышению плазменной концентрации саквинавира, что позволяет достичь терапевтического эффекта.

Индукция метаболизма лекарственных средств

Индукция метаболизма возникает, когда какой-либо препарат стимулирует синтез ферментов, вовлеченных в метаболизм другого лекарства (или уменьшает естественное разрушение этих ферментов).

Наиболее хорошо известным идуктором цитохрома является рифампицин, который повышает уровни CYP 3A4 и CYP 2С в печени, в результате чего интенсифицируется метаболизм целого ряда лекарственных препаратов (таблица).

Вполне обоснованным является предположение, что индукторы цитохромов уменьшают эффективность лекарств-субстратов. Однако существует и другая сторона этого явления. Внезапная отмена лекарства-индуктора (или прекращение воздействия индуктора из окружающей среды) может неожиданно привести к сильному повышению плазменной концентрации препарата, который ранее интенсивно метаболизировался. Примером может служить ситуация, когда курильщики, привыкшие к постоянному употреблению кофе, решают внезапно бросить курить, в результате чего снижается активность CYP 1А2, а в плазме крови повышается концентрация кофеина. Это может усугублять выраженность синдрома отмены: головную боль и возбуждение.

Взаимодействие цитохромов с пищей

В результате исследования, проведенного в 1991 г., было установлено, что один стакан грейпфрутового сока вызывает трехратное повышение плазменного уровня фелодипина. При этом другие соки не вызывали подобного эффекта. Предполагается, что компоненты грейпфрута – флавониды или фуранокоумарин – подавляют метаболизм фелодепина в кишечнике, опосредованного цитохромом CYP 3А4.

Фармакогеномика и ее перспективные направления

Науку, изучающую генетически определенную реакцию организма на лекарственные препараты, с недавнего времени стали называть фармакогеномикой . Развитие этой науки позволит точно предсказывать индивидуальный ответ организма на определенное лечение, а также выявлять пациентов с высоким риском развития токсических реакций.

Таблица. Основные виды цитохромов р450 у человека