Cytochrom P450(CYP450) – eine große Gruppe von Enzymen, die für den Stoffwechsel von Fremdkörpern verantwortlich sind organische Verbindungen Und Medikamente. Enzyme der Cytochrom-P450-Familie führen die oxidative Biotransformation von Arzneimitteln und einer Reihe anderer endogener bioorganischer Substanzen durch und erfüllen somit eine Entgiftungsfunktion. Unter Beteiligung von Cytochromen findet der Metabolismus vieler Arzneimittelklassen statt, beispielsweise Antihistaminika, retrovirale Proteaseinhibitoren, Benzodiazepine, Kalziumkanalblocker und andere.

Cytochrom P450 ist ein Proteinkomplex mit einem kovalent gebundenen Häm (Metalloprotein), der für die Anlagerung von Sauerstoff sorgt. Häm wiederum ist ein Komplex aus Protoporphyrin IX und einem zweiwertigen Eisenatom. Die Zahl 450 gibt an, dass das mit CO verbundene reduzierte Häm eine maximale Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von 450 nm aufweist.

Cytochrome P-450 sind nicht nur am Metabolismus von Arzneimitteln beteiligt, sondern auch an der Umwandlung von Hämoglobin in Bilirubin, der Synthese von Steroiden usw. Alle Isoformen von Cytochrom P-450 werden in die Familien CYP1, CYP2, CYP3 eingeteilt. Innerhalb der Familien werden die Unterfamilien A, B, C, D, E unterschieden. Innerhalb der Unterfamilien werden Isoformen durch Seriennummer bezeichnet. Beispielsweise ist CYP2C19 der Name des 19. Cytochroms der „C“-Unterfamilie, Familie „2“. Insgesamt sind es etwa 250 verschiedene Arten Cytochrom P-450, von dem etwa 50 im menschlichen Körper vorkommen und nur sechs davon (CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP3A4) mit dem Arzneimittelstoffwechsel zusammenhängen.

Die Aktivität der Cytochrome P-450 wird von vielen Faktoren beeinflusst – Rauchen, Alkohol, Alter, Genetik, Ernährung, Krankheit. Diese Faktoren sind für die Bildung individueller Merkmale der Arbeit von P-450-Enzymen verantwortlich und bestimmen die Auswirkungen von Arzneimittelwechselwirkungen bei einem bestimmten Patienten.

Bedeutung der Cytochrome P450 für die Gastroenterologie

Das in letzter Zeit gestiegene Interesse von Gastroenterologen an den Isoformen von Cytochrom P450 CYP2C19 und CYP3A4 ist auf ihre Rolle im Metabolismus von Benzimidazol-Derivaten zurückzuführen, zu denen alle Arzneimittel der Gruppe A02BC „Protonenpumpenhemmer“ (, und) gehören. Es ist klinisch bedeutsam, dass das CYP2C19-Gen polymorph ist und das Ausmaß der therapeutischen Wirkung verschiedener PPIs weitgehend vom Zustand dieses Gens beim Patienten abhängt.

Unter den PPI weist Lansoprazol die stärkste hemmende Wirkung auf CYP2C19 auf, gefolgt von Omeprazol und Esomeprazol in geringerem Ausmaß. Die Wirkung von Rabeprazol ist noch geringer, aber sein Thioester, der während des nicht-enzymatischen Stoffwechsels gebildet wird, hat eine signifikante hemmende Wirkung auf die Aktivität von CYP2C19. Pantoprazol hat den geringsten Einfluss auf CYP2C19. Pantoprazol hat in vitro die stärkste hemmende Wirkung auf CYP3A4, gefolgt von (mit nachlassender Wirkung) Omeprazol, Esomeprazol, Rabeprazol und Lansoprazol. Bei Patienten, die mehrere Medikamente einnehmen, wird Pantoprazol (PPI) bevorzugt.

Unter aktiver Beteiligung von CYP3A4 erfolgt der Stoffwechsel und große Zahl andere Medikamente.

Eine Reihe von gastroenterologischen Arzneimitteln hemmen das Cytochrom CYP3A4 und beeinflussen dadurch die Pharmakokinetik der gemeinsam eingenommenen Arzneimittel.

Problem mit Arzneimittelwechselwirkungen

In der modernen klinischen Praxis ist der kombinierte Einsatz von Medikamenten weit verbreitet, was mit dem Vorliegen mehrerer Erkrankungen beim Patienten oder der unzureichenden Wirksamkeit einer Monotherapie verbunden ist. Bei einer Kombinationstherapie sind Arzneimittelwechselwirkungen möglich. Ungefähr 56 % der Patienten unter 65 Jahren und 73 % der Patienten über 65 Jahre nehmen mehr als ein Medikament ein. Die Einnahme zweier Medikamente führt bei 6 % der Patienten zu einer Wechselwirkung. Die Verschreibung von 5 (oder 10) Medikamenten erhöht die Wechselwirkungsrate um bis zu 50 (oder 100) %.

Potenziell gefährliche Medikamentenkombinationen stellen ein ernstes klinisches Problem dar. Es gibt Hinweise darauf, dass 17 bis 23 % der von Ärzten verschriebenen Arzneimittelkombinationen potenziell gefährlich sind. Allein in den Vereinigten Staaten sterben jedes Jahr 48.000 Patienten aufgrund unbeabsichtigter Arzneimittelwechselwirkungen. mehrere Medikamente (einschließlich) wegen ihrer potenziell gefährlichen Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten, einschließlich Todesfällen, abgemeldet.

Die Hauptmechanismen von Arzneimittelwechselwirkungen sind mit Veränderungen ihrer Pharmakokinetik oder Pharmakodynamik verbunden. Das bedeutendste, laut moderne Ideen sind Veränderungen in der Pharmakokinetik während des Arzneimittelstoffwechsels, an denen Cytochrome P-450 beteiligt sind.

Ein Beispiel für eine gefährliche Wechselwirkung ist die kürzlich entdeckte Wechselwirkung zwischen PPI und PPI, die häufig bei der Behandlung von Patienten mit koronarer Herzkrankheit eingesetzt wird. Um das Risiko gastrointestinaler Komplikationen zu verringern, wird Patienten, die Acetylsalicylsäure in Kombination mit Clopidogrel erhalten, ein PPI verschrieben. Da die Bioaktivierung von Clopidogrel unter Beteiligung von CYP2C19 erfolgt, kann die Einnahme von durch dieses Cytochrom metabolisierten PPI die Aktivierung und die Wirkung von Clopidogrel verringern. Im Mai 2009 präsentierte die Konferenz der Society for Cardiocular Angiography and Interventions (SCAI) Daten, die zeigen, dass die gleichzeitige Anwendung von Clopidogrel und PPI das Risiko für Myokardinfarkt, Schlaganfall, instabile Angina pectoris, die Notwendigkeit wiederholter Koronarinterventionen und koronaren Tod deutlich erhöht () .

Cytochrom CYP2C19

Die Cytochrom P450-Isoform CYP2C19 (S-Mephenytoin-Hydroxylase) katalysiert die Reaktionen der 5-Hydroxylierung des Pyridinrings und der 5"-Demethylierung des Benzimidazolrings. Im menschlichen Körper befindet sich CYP2C19 in Hepatozyten.

Alle Arten von CYP2C19-Genmutationen können in drei Gruppen eingeteilt werden:

1. Ohne Mutationen (Homozygoten) sind sie auch schnelle Metabolisierer von PPI.
2. Eine Mutation in einem Allel (Heterozygoten), ein Zwischentyp des Stoffwechsels.
3. Da sie Mutationen in beiden Allelen aufweisen, sind sie auch langsame Metabolisierer von PPIs.

Die Prävalenz der CYP2C19-Genotypen, die Art des Stoffwechsels und die Wirkung von PPI bei der Behandlung säurebedingter Erkrankungen sind in der Tabelle aufgeführt:

Langsame Metabolisierer unterscheiden sich von schnellen und intermediären Metabolisierern durch eine zweifach höhere PPI-Konzentration im Blutplasma und eine doppelt so hohe Halbwertszeit. Der Polymorphismus des Gens, das für die 2C19-Isoform kodiert, bestimmt unterschiedliche Raten des PPI-Metabolismus bei Patienten. In diesem Zusammenhang wird empfohlen, die Auswahl der PPIs unter Aufsicht durchzuführen ().

• CYP2C19 metabolisiert aktiv die folgenden Medikamente: trizyklische Antidepressiva (Amitriptyl, Clomipramin, Imipramin), Antidepressivum – ein Sektor der umgekehrten Aufnahme von Serotonin, Citerotonin, Antidepressivum – Mao-Moklobemid-Inhibitor, Antikonvulsions- und Antiepeleptika (Diazepam, Primidon, Phenetin, Phenobarbital, Nordazepam), Protonenpumpenhemmer (, und), das Malariamedikament Proguanil und Indomethacin sowie: Warfarin, Gliclazid, Propranolol, Cyclophosphamid, Nelfinavir, Progesteron, Teniposid, Tetrahydrocannabinol, Carisoprodol, Voriconazol und andere
• starke CYP2C19-Inhibitoren: Moclobemid, Fluvoxamin, Chloramphenicol (Chloramphenicol)
• unspezifische Inhibitoren von CYP2C19: PPIs Omeprazol und Lansoprazol, Indomethacin sowie Felbamat, Ketoconazol, Modafinil, Oxcarbazepin, Probenecid, Ticlopidin,
• CYP2C19-Induktoren: Rifampicin, Artemisinin, Carbamazepin, Norethisteron, Prednison, Johanniskraut.

Cytochrom CYP3A4

Das Enzym CYP3A4 katalysiert die Sulfoxidationsreaktion, die zur Bildung einer Sulfongruppe führt. CYP3A4 ist eines der wichtigsten Cytochrome für Arzneimittel, da es etwa 60 % der oxidierten Arzneimittel zumindest teilweise biotransformiert. Obwohl die Aktivität von CYP3A4 stark variiert, unterliegt es keinem genetischen Polymorphismus. Die Lage von CYP3A4 auf apikalen Membranen und Hepatozyten erleichtert den Metabolismus von Arzneimitteln, bevor das Arzneimittel in den systemischen Kreislauf gelangt, was als „First-Pass-Effekt“ bekannt ist.

Ein genetischer Defekt in CYP3A4 kann bei Einnahme zur Entwicklung eines sekundären langen QT-Intervall-Syndroms und als Folge davon zur Entwicklung einer Herzdysthymie führen ().

• CYP3A4 ist das Hauptenzym im Stoffwechsel der folgenden Arzneimittel: Immunsuppressiva (Cyclosporin, Sirolimus, Tacrolimus), Arzneimittel zur Chemotherapie (Anastrozol, Cyclophosphamid, Docetaxel, Erlotinib, Tyrphostin, Etoposid, Ifosfamid, Paclitaxel, Tamoxifen, Teniposid, Vinblastin, Vindesin). , Gefitinib), Antimykotika (Clotrimazol, Ketoconazol, Itraconazol), Makrolide (, Erythromycin), trizyklische Antidepressiva (Amitriptylin, Clomipramin, Imipramin), Antidepressiva – selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (Citalopram, Escitalopram, Sertralin), Antipsychotika (Aripiprazol, Haloperidol, Ziprasidon). , Risperidon), Opioid-Analgetika (Alfentanil, Codein, Methadon, Fentanyl), Benzodiazepine (Alprazolam, Clonazepam, Midazolam, Flunitrazepam), lipidsenkende Statine (Atorvastatin, Lovastatin, Simvastatin), Kalziumkanalblocker (Amlodipin, Verapamil, Diltiazem,

Cytochrome P450. Struktur und Funktion

Unter den Phase-1-Enzymen nimmt das Cytochrom-P450-System (P450 oder CYP) hinsichtlich der katalytischen Aktivität gegenüber einer Vielzahl von Xenobiotika den Spitzenplatz ein. Die höchste Konzentration an Cytochrom P450 findet sich im endoplasmatischen Retikulum von Hepatozyten (Mikrosomen). Hepatische mikrosomale Cytochrome P450 spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Intensität und Zeit der Wirkung fremder Verbindungen und spielen eine Schlüsselrolle bei der Entgiftung von Xenobiotika sowie bei deren Aktivierung zu toxischen und/oder krebserregenden Metaboliten. Cytochrom P450-abhängige Monooxygenasen sind ein Multienzym-Elektronentransportsystem. Alle Cytochrome P450 sind Häm-haltige Proteine. Hämeisen liegt normalerweise in einem oxidierten Zustand vor (Fe3+). Durch die Reduktion zum Fe2+-Zustand ist Cytochrom P450 in der Lage, Liganden wie Sauerstoff oder Kohlenmonoxid zu binden. Der Komplex aus reduziertem Cytochrom P450 mit CO weist ein Absorptionsmaximum bei 450 nm auf, das die Grundlage dafür bildete

Namen dieser Enzyme. Die durch Cytochrome P450 katalysierte Hauptreaktion ist eine Monooxygenase-Reaktion, bei der ein Sauerstoffatom mit dem Substrat (RH) interagiert und das andere zu H2O reduziert wird. NADPH ist als Reduktionsmittel an der Reaktion beteiligt:

RH (Substrat) + O2 + NADPH + H+ -> ROH (Produkt) + H2O + NADP+

Der Mechanismus, durch den Cytochrom ein Elektron von NADPH erhält, hängt von der intrazellulären Lokalisierung von Cytochrom P450 ab. Im ER, wo sich die meisten Hämoproteine ​​befinden, die an der Biotransformation von Xenobiotika beteiligt sind, wird das Elektron durch ein Flavoprotein namens NADPH-P450-Reduktase übertragen. Ein Reduktasemolekül kann Elektronen an mehrere verschiedene P450-Moleküle abgeben. In Mitochondrien, wo sich P450-Itochrome befinden, die an der Biosynthese von Steroidhormonen und dem Vitamin-D-Stoffwechsel beteiligt sind, wird das Elektron mithilfe von zwei Proteinen übertragen: Ferrodoxin oder Ferrodoxinreduktase.

In Abb. Abbildung 1 zeigt den Katalysezyklus von Cytochrom P450. Der 1. Teil des Zyklus beinhaltet die Aktivierung von Sauerstoff, der 2. – die Oxidation des Substrats. Der Wirkmechanismus des mikrosomalen Monooxygenasesystems wurde erstmals von Estabrook et al. beschrieben und inzwischen von vielen Forschern bestätigt. Dieses Schema ist wie folgt: Die erste Stufe besteht aus der Wechselwirkung des Substrats mit der oxidierten Form von P450. Wenn P450 an Substrate bindet

Es findet ein Übergang von Häm-Eisen von einem Low-Spin- in einen High-Spin-Zustand statt. Die zweite Stufe besteht in der Reduktion des entstehenden Enzym-Substrat-Komplexes mit dem ersten Elektron, das aus der NADPH-spezifischen Transferkette von NADPH durch kommt

Flavoprotein I (NADPH-Cytochrom-P450-Reduktase). Die dritte Stufe besteht aus der Bildung eines ternären Komplexes: reduziertes Cytochrom P450-Substrat-Sauerstoff. Vierte Stufe

stellt die Reduktion eines ternären Komplexes durch ein zweites Elektron dar, das, wie

Es wird angenommen, dass es aus der NADH-spezifischen Elektronentransportkette stammt, bestehend aus NADH-

Cytochrom-b5-Reduktase oder Flavoprotein II und Cytochrom-b5. Die fünfte Stufe besteht aus mehreren Prozessen, einschließlich intramolekularer Umwandlungen des reduzierten ternären Komplexes und seiner Zersetzung unter Bildung eines hydroxylierten Produkts und Wasser. In diesem Stadium wandelt sich Cytochrom P450 in seine ursprüngliche oxidierte Form um.

Cytochrome P450 katalysieren die folgenden Arten von Reaktionen: Hydroxylierung eines aliphatischen oder aromatischen Kohlenstoffatoms; Epoxidierung der Doppelbindung;

Oxidation des Atoms (S, N, I) oder N-Hydroxylierung; Übertragung der oxidierten Gruppe;

Zerstörung der ätherischen Kommunikation; Dehydrierung. Einige Reaktionen wurden katalysiert

Cytochrom P450 sind in Abb. dargestellt. 2 und 3. Mehrere Klassen von Reagenzien sind gut

Der letzte Kohlenstoff in der Kette wird hydroxyliert, die sogenannte Omega-Hydroxylierung. Also

Die interne Hydroxylierung erfolgt an mehreren Positionen (Positionen -1,-2).

Dadurch ergeben sich bereits mit einem einfachen Alkan wie Hexan viele unterschiedliche Produktvarianten. Beachten Sie, dass auch zyklische Kohlenwasserstoffe einer Hydroxylierung unterliegen. Bei der Hydroxylierungsreaktion entsteht zunächst ein Halbacetal, das dann in einen Alkohol und einen Aldehyd umgewandelt wird. Bei der Oxidation von Alkenen durch Cytochrom P450 entstehen zweiatomige Oxide. Sie variieren in ihrer Stabilität und können sehr reaktiv sein. Beispielsweise wird Vinylchlorid metabolisch in ein Oxid umgewandelt, das sich dann in Chloracetaldehyd umwandelt, ein Mutagen, das direkt auf die DNA wirkt. Diese Studien führten zu einem Verbot der Verwendung von Vinylchlorid in Verneblern. Die Vinylgruppe von Sterol (Vinylbenzol) ist für ihre krebserregenden Eigenschaften bekannt, der menschliche Körper kann sie jedoch neutralisieren, indem er das Oxid mithilfe des Enzyms Epoxyhydrolase in ein Diol umwandelt. Aber Epoxyhydrolase hilft nicht immer. Beispielsweise synthetisiert Cytochrom P450 in vivo Aflotoxin B1-Epoxid. Diese Verbindung ist ein hochreaktives Elektrophil, instabil und bildet schnell ein Addukt mit DNA. Darüber hinaus ist das aus dem Epoxid gebildete Diol ebenfalls instabil und hochreaktiv. Bei der Oxidation aromatischer Verbindungen mit Cytochrom P450 entstehen ebenfalls Epoxide, die jedoch schnell in Phenol umgewandelt werden. Durch die Hydroxylierung von Benzol kann das entstehende Phenol erneut hydroxyliert werden und in Brenzkatechin oder Hydrochinon umgewandelt werden. Beachten Sie, dass Catechol und Hydrochinon mit Sauerstoff reagieren können und ähnliche Reaktionen mit Chinonen und Superoxiden, die Toxine sind, hemmen. Eine so bekannte Verbindung wie 2,3,7,8-Tetrachlordibenzoldioxin (TCDD) ist nicht anfällig für Hydroxylierung und stabil (die Halbwertszeit im menschlichen Körper beträgt ein Jahr oder mehr).

Cytochrom P450. Die Autoren der Entdeckung, M. Klingerberg und D. Garfinkel, fanden heraus, dass dieses Enzym chemischer Natur Die prothetische Gruppe kann als Cytochrome vom Typ und klassifiziert werden. T. Omura und R. Sato entdeckten 1964, dass der Komplex aus reduziertem Hämoprotein mit Kohlenmonoxid ein charakteristisches Maximum bei 450 nm aufweist, was den Namen des Enzyms bestimmte. Allerdings kann die Verwendung des Wortes „Cytochrom“ in Bezug auf Hämoproteine ​​der P450-Klasse nicht als erfolgreich angesehen werden, da die Funktion von Cytochromen in der Elektronenübertragung und nicht in der Katalyse von Monooxygenase-Reaktionen besteht. In den von D. Nebertomb vorgeschlagenen Empfehlungen zur Nomenklatur der P450-Familie wird das Wort „Cytochrom“ nur bei der Entschlüsselung der Bezeichnung CYP (d. h. Cytochrom Z450) erwähnt, die zur Bezeichnung von P450-Genen verwendet wird.

Derzeit sind mehr als 150 verschiedene P450 bekannt, die in Tieren, Pflanzen, Pilzen und Bakterien vorkommen. Nur streng anaerobe Bakterien haben kein Hämoprotein. Prokaryoten enthalten lösliches P450. Der Übergang zu eukaryotischen Systemen geht wie bei Hefen und Pilzen mit dem Einbau von P450 in die Membran einher. Alle Cytochrome P450 höherer Organismen sind Membranenzyme. Aus evolutionärer Sicht ist die bakterielle Monooxygenase die älteste

Auf einer Zwischenstufe der Evolutionsleiter befindet sich das mitochondriale Hydroxylasesystem der Nebennieren. Es verfügt über alle Eigenschaften eines bakterienlöslichen Systems und besteht zudem aus drei Komponenten. Zwei seiner Bestandteile – FAD-haltiges Flavoprotein (NADPH- oder NADH-abhängige Reduktase) und Nicht-Häm-schwefelhaltiges Protein (Adrenodoxin) – sind wasserlöslich und in der mitochondrialen Matrix lokalisiert, der dritte – P450 – ist in die Membran eingebettet . Bemerkenswert ist die hohe Substratspezifität mitochondrialer Hämoproteine, die dieses System einem bakteriellen System noch ähnlicher macht. Mitochondriale Cytochrome P450 sind hauptsächlich an der Oxidation endogener Substrate beteiligt.

Auf der höchsten Stufe der Evolutionsleiter steht das Monooxygenase-System der Lebermikrosomen.

P450 spielen eine wichtige Rolle bei der Oxidation zahlreicher Verbindungen, sowohl endogener (Steroide, Gallensäuren, Fettsäuren, Prostaglandine, Leukotriene, biogene Amine) als auch exogener (Medikamente, Gifte, industrielle Schadstoffprodukte, Pestizide, Karzinogene, Mutagene usw.). . usw.), letztere werden Xenobiotika genannt.

Basierend auf der Art der katalysierten Reaktionen kann P450 als Monooxygenase vom externen Typ klassifiziert werden. In Gegenwart von Elektronendonoren (NAD(P)H) ist P450 in der Lage, molekularen Sauerstoff zu aktivieren, von dem ein Atom dann in das Molekül des oxidierten Substrats eingebaut und das andere zu Wasser reduziert wird.“

R + AH + O L ROH + A + H O wobei R das Substrat, ROH das Produkt und AH der Elektronendonor ist.

Durch Cytochrom P450 katalysierte Oxygenase-Reaktionen sind sehr vielfältig. Eine der am weitesten verbreiteten Oxidationsreaktionen von Xenobiotika ist die oxidative Dealkylierungsreaktion, die mit der Oxidation einer an den N-, O- oder S-Atomen gebundenen Alkylgruppe einhergeht. Den zweiten Platz in der Prävalenz nehmen die Hydroxylierungsreaktionen zyklischer Verbindungen ein, zu denen die Hydroxylierung aromatischer, gesättigter und heterozyklischer Kohlenwasserstoffe gehört. P450 kann auch Hydroxylierungsreaktionen aliphatischer Verbindungen, N-Oxidation, oxidative Desaminierung und Reduktionsreaktionen von Azo- und Nitroverbindungen katalysieren. Zu den Oxidationsreaktionen natürlicher Verbindungen gehören die W-Oxidation gesättigter Fettsäuren, die Hydroxylierung von Steroidhormonen, Gallensäuren und Cholesterin, die Biosynthese von Prostaglandinen und die Peroxidation ungesättigter Fettsäuren Fettsäuren.

Im Gegensatz zu anderen Hämoproteinen, die normalerweise nur eine Aktivität und eine streng definierte Funktion in der Zelle haben, kann P450 zusammen mit Monooxygenase auch Oxidaseaktivität aufweisen und reaktive Sauerstoffspezies in Form von Superoxid und Hydroxylradikalen, Wasserstoffperoxid, erzeugen. In diesem Zusammenhang wird P450 in der Literatur manchmal als Oxidase mit gemischter Funktion bezeichnet. K.I. Archakov et al. fanden heraus, dass P450 auch als echte Vier-Elektronen-Oxidase fungieren kann und aus einem Sauerstoffmolekül nur Wasser erzeugt. P450 zeigt auch Peroxidaseaktivität und verwendet organische Peroxide oder Wasserstoffperoxid als Cosubstrate in der Oxidationsreaktion anstelle von NAD(P)H. Es gibt Hinweise darauf, dass P450 Dioxygenase-Reaktionen katalysieren kann. Ein charakteristisches Merkmal von P450 ist daher seine Funktionsvielfalt, die wichtigste davon ist jedoch die Monooxygenase. In Abb. Abbildung 1.32 zeigt ein allgemeines Diagramm von Oxygenase- und Oxidase-Reaktionen. In der 1. Stufe des Oxygenase-Zyklus (Zyklus a) binden Substrate an die oxidierte Form von P450 und bilden Enzym-Substrat-Komplexe. In diesem Fall können je nach Substrat drei Arten von spektralen Veränderungen auftreten: I, II und modifiziertes II, die im differentiellen Absorptionsspektrum durch ein Maximum und ein Minimum bei bestimmten Wellenlängen gekennzeichnet sind. Typ-I-Substrate interagieren hauptsächlich mit der Low-Spin-Form von P450 und das Eisenatom geht von einem sechsfach koordinierten Low-Spin-Zustand in einen fünffach koordinierten High-Spin-Zustand über. Bei der Bildung von Typ-I-Komplexen spielen hydrophobe Wechselwirkungen unpolarer Substrate mit dem aktiven Zentrum des Enzyms die führende Rolle. Komplexe vom Typ II entstehen durch die Wechselwirkung der Aminogruppe des Substrats mit dem Häm-Eisenatom, das sich entweder in einem High-Spin- oder Low-Spin-Zustand befindet. In diesem Fall wandelt sich die High-Spin-Form des Eisens in eine Low-Spin-Form um. Das Häm-Eisen liegt in solchen Komplexen in einem sechsfach koordinierten Zustand vor, und die Stelle der Sauerstoffbindung wird vom Stickstoff des Substrats besetzt. Modifizierte spektrale Veränderungen vom Typ II resultieren aus der Wechselwirkung der Hydroxylgruppe des Substrats mit der High-Spin-Form von Eisen. Die Wechselwirkungsgeschwindigkeit von Substraten vom Typ I mit P450 ist in der Regel um eine Größenordnung höher als die von Typ II. In der 2. Stufe des Monooxygenase-Zyklus wird der P450-Substrat-Komplex wiederhergestellt. Das Elektron für die Reduktion von Cytochrom P450 stammt vom NADPH-spezifischen Flavoprotein. In den folgenden Phasen erfolgt die Sauerstoffaktivierung. Diese Stufen sind durch die sequentielle Bildung von Oxy- und Peroxykomplexen P450 gekennzeichnet. Der P450-Oxykomplex kann unter Freisetzung von Superoxidradikalen dissoziieren, aus denen in der Dismutationsreaktion (Zyklus b) Wasserstoffperoxid entsteht. Die Reduktion des Oxykomplexes mit einem zweiten Elektron führt zur Bildung eines um zwei Elektronen reduzierten Peroxykomplexes. Es wird angenommen, dass dieses Stadium den Monooxygenase-Zyklus limitiert. Bei der Zersetzung des Peroxykomplexes entsteht Wasserstoffperoxid (Zyklus c) und es entsteht ein reaktives Oxenoidteilchen (FeO), das ein Sauerstoffatom mit sechs Elektronen enthält, an das Eisen(III) gebunden ist. Ein Sauerstoffatom dieses Teilchens kann auf die C-H-Bindung des Substrats übertragen und dort eingefügt werden. Ein weiterer vorgeschlagener Mechanismus ist die Möglichkeit einer Acylierung des distalen Sauerstoffatoms, das an das Häm-Eisen gebunden ist. Der Abbau dieses Komplexes führt zur Bildung einer Persäure im aktiven Zentrum von P450. Die geringe Reaktivität der Persäure erfordert eine zusätzliche Aktivierung des Substratmoleküls. Die Zwei-Elektronen-Reduktion eines Oxenoids führt zur Bildung von Wasser aus einem Sauerstoffmolekül (Zyklus d). Höchstwahrscheinlich gibt es keinen einheitlichen Mechanismus für durch Cytochrom P450 katalysierte Reaktionen.

Bisher wurden mehr als 160 verschiedene Gene identifiziert, die für P450 kodieren. Informationen zur Primärstruktur, Substratspezifität, Induzierbarkeit, Lokalisierung in der Zelle, Genstruktur und vielen anderen Eigenschaften finden Sie in der Computerdatenbank „Cytochrome P450, Database“ (CPD), die am Institut für Biomedizinische Chemie der Russischen Akademie erstellt wurde Medizinische Wissenschaften.

Molek. Die Masse verschiedener P450 liegt zwischen 44 und 60 kDa. Hämoproteinmonomere bestehen aus einer Polypeptidkette, die 45 bis 55 % unpolare Aminosäurereste enthält. In Abwesenheit von Detergens liegt Cytochrom in Form molekularer Aggregate vor. mit einem Gewicht von 300 bis 700 kDa. Die vollständige Aminosäuresequenz wurde für mehr als 150 Cytochrome P450 ermittelt. Am besten untersucht sind CYP2B4 und CYP1A2, die nach Induktion mit Phenobarbital bzw. 3-Methylcholanthren aus Kaninchenlebermikrosomen isoliert wurden. Das CYP2B4-Molekül besteht aus 491 Aminosäureresten und CYP1A2 – aus 516 Aminosäureresten. D. Ozols et al. entdeckten 1981 und O. Goto et al. beim Vergleich der Primärstruktur von Hämoproteinen der CYP2- und CYP1-Familien

Cytochrom p450 (CYP 450) ist der Name einer großen Familie universeller Enzyme des menschlichen Körpers, die für den Stoffwechsel der meisten Medikamente und anderer fremder organischer Verbindungen (Xenobiotika) verantwortlich sind.

Der Stoffwechsel vieler Arzneimittelklassen (Antihistaminika, retrovirale Proteasehemmer, Benzodiazepine, Kalziumkanalblocker etc.) erfolgt unter Beteiligung von Cytochromen.

Darüber hinaus vermitteln Cytochrome verschiedene physiologische Prozesse, darunter die Biosynthese von Steroiden und Cholesterin, den Fettsäurestoffwechsel und den Kalziumstoffwechsel (Hydroxylierung von Vitamin D3, was den ersten Schritt bei der Bildung von Calcitriol darstellt).

Geschichte von Cytochrom p450

Cytochrom P450 wurde in den späten 50er Jahren des 20. Jahrhunderts von M. Klingenberg und D. Garfinkel entdeckt. Der Begriff „Cytochrom“ (cito – Zelle; chromos – Farbe) tauchte 1962 als vorläufige Bezeichnung für eine farbige Substanz auf, die in Zellen vorkommt.

Wie sich herausstellte, sind verschiedene Arten von Cytochrom P450 in den Zellen von Mikroorganismen, Pflanzen und Säugetieren weit verbreitet. Diese Enzyme fehlen nur in anaeroben Bakterien.

Wissenschaftler vermuten, dass alle Gene kodieren verschiedene Typen CYP450 stammt von einem einzelnen Vorläufer-Gen ab, das vor zwei Milliarden Jahren existierte. Die Funktion dieses „ursprünglichen“ Gens bestand darin, Energie zu nutzen. An dieser Moment In der Natur wurden mehr als 1000 verschiedene Arten von Cytochrom CYP 450 gefunden.

Vielfalt der Cytochrome

Bisher wurden etwa 55 verschiedene Arten von Cytochromen bei Säugetieren und mehr als 100 bei Pflanzen entdeckt.

Dank des Erfolges Gentechnik konnte festgestellt werden, dass Enzyme der Cytochrom-Familie verschiedene Funktionen erfüllen, was ihre Einteilung in drei Hauptklassen bestimmt:

• am Stoffwechsel von Arzneimitteln und Xenobiotika beteiligt;
• beteiligt an der Synthese von Steroiden;
• an anderen wichtigen Dingen beteiligt endogene Prozesse, im Körper vorkommend.

Klassifizierung von Cytochromen

Alle Cytochrome und Gene, die ihre Synthese kodieren, werden gemäß den folgenden Empfehlungen benannt:

• der Name des Cytochroms muss das Wurzel-CYP enthalten;
• Der Name des Gens, das für die Synthese des entsprechenden Cytochroms kodiert, enthält ebenfalls CYP , aber kursiv geschrieben;
• Cytochrome werden in Familien (durch Zahlen gekennzeichnet), Unterfamilien (durch Buchstaben gekennzeichnet) und Isoformen (durch Zahlen gekennzeichnet, die die Nummer des kodierenden Gens widerspiegeln) unterteilt.

Beispielsweise gehört CYP 2 D 6 zur 2. Familie, Unterfamilie D, kodiert durch Gen 6. Der Name des Gens selbst sieht so aus CYP 2 D 6.

Grundlegende Cytochrome

Trotz der Vielfalt der Cytochrome im menschlichen Körper, Arzneimittelstoffwechsel geschieht hauptsächlich mit der Teilnahme limitierte Anzahl CYP 450. Die häufigsten Vertreter dieser Gruppe sind: CYP 1A2, CYP 2C9, CYP 2C19, CYP 2 D 6, CYP 2E1, CYP 3A4.

Diese Enzyme katalysieren eine Vielzahl von Stoffwechselreaktionen:

• ein Cytochrom kann mehrere Medikamente mit unterschiedlichen chemischen Strukturen metabolisieren;
• Das gleiche Medikament kann durch unterschiedliche CYP 450 in verschiedenen Organen und Systemen des menschlichen Körpers beeinflusst werden.

Dualität der Natur der Cytochrome P450

In den meisten Fällen werden fettlösliche Medikamente und andere chemische Substanzen in wasserlösliche Metaboliten umgewandelt, die leichter aus dem Körper ausgeschieden werden können. Die Einführung von Hydroxylgruppen (dank Cytochrom P450) erhöht die Polarität von Molekülen und ihre Löslichkeit, was auch zu ihrer Entfernung aus dem Körper beiträgt. Fast alle Xenobiotika, die in die Leber gelangen, werden durch eine Isoform von Cytochrom p450 oxidiert.

Allerdings können dieselben Enzyme, die die „Reinigungs“-Prozesse katalysieren, inerte Enzyme aktivieren chemische Moleküle in einen hochreaktiven Zustand. Solche Zwischenmoleküle können mit Proteinen und DNA interagieren.

Somit kann die Wirkung von Cytochrom p450s über einen von zwei konkurrierenden Wegen erfolgen: metabolische Entgiftung oder Aktivierung.

Variabilität der Wirkung von Cytochromen

Jeder Mensch hat seinen eigenen Stoffwechsel von Arzneimitteln, der sich von dem anderer Menschen unterscheidet. Individuelle Eingenschaften hängen von genetischen Faktoren, dem Alter, dem Geschlecht, dem Gesundheitszustand, dem Ernährungszustand des Patienten, der begleitenden Pharmakotherapie usw. ab.

Die genetische Variabilität im Arzneimittelstoffwechsel wurde zufällig entdeckt: Standarddosen von Arzneimitteln lösten bei verschiedenen Personen unerwartet ungewöhnliche Reaktionen aus.

Es gibt zwei (manchmal drei) Haupttypen der Enzymaktivität: intensiv und schwach (mittel). Der Stoffwechsel von Arzneimitteln kann schnell und langsam erfolgen.

Cytochrome und Arzneimittelstoffwechsel

Cytochrom CYP 1A2 ist am Stoffwechsel vieler Medikamente beteiligt, darunter Aminophyllin und Koffein. Die Aktivität dieses Enzyms erhöht sich unter dem Einfluss von Chemikalien, die beim Rauchen in den menschlichen Körper gelangen.

Cytochrom CYP 2A6 spielt eine wichtige Rolle im Stoffwechsel von Cumarin (einem indirekten Antikoagulans) und Nikotin.

Cytochrom CYP 2S9 beteiligt am Stoffwechsel von Phenytoin, Tolbutamid, Warfarin. Wenn sich mindestens eine Aminosäure in der Struktur des Gens ändert, das für die Synthese eines bestimmten Cytochroms kodiert, dann ist es so enzymatische Aktivität. Ein Enzymmangel dieses Cytochroms führt zu einer angeborenen Veranlagung für eine Phenytoinvergiftung und Komplikationen infolge einer Warfarin-Therapie.

Cytochrom CYP 2S19 ist am Stoffwechsel von Omeprazol, Diazepam und Imipramin beteiligt. Jedoch klinische Bedeutung Der Polymorphismus dieses Enzyms bleibt umstritten. Die wirksamen Dosen vieler durch CYP 2C9 metabolisierter Arzneimittel sind so weit von toxischen Substanzen entfernt, dass mögliche Abweichungen in der Aktivität von Cytochrom CYP 2C9 keine wesentliche Rolle spielen.

Cytochrom CYP 2 D 6 ist ein Beispiel für genotypische Unterschiede zwischen verschiedenen ethnischen Gruppen. In den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die Pharmakokinetik des blutdrucksenkenden Arzneimittels Debrisoquin und des Antiarrhythmikums Spartein untersucht. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt: Bei Kaukasiern wurde bei allgemeiner Tendenz zu einem ultraschnellen Metabolismus von Debrisoquin in 5–10 % der Fälle ein langsamer Metabolismus beobachtet, bei Japanern lag dieser Wert bei weniger als 1 %.

Durch CYP2D6 metabolisierte Arzneimittel (B-Blocker, Antiarrhythmika, Psychoanaleptika, Antidepressiva und narkotische Analgetika) haben eine enge therapeutische Breite, d. h. Es gibt kaum einen Unterschied zwischen der zur Erzielung einer therapeutischen Wirkung erforderlichen Dosis und der toxischen Dosis. In einer solchen Situation können individuelle Abweichungen im Metabolismus von Medikamenten eine dramatische Rolle spielen: ein Anstieg der Medikamentenkonzentration auf ein toxisches Niveau oder eine Abnahme bis hin zum Verlust der Wirksamkeit.

Die Geschichte des Einsatzes von Perhexilin (Australien) hat die enorme Bedeutung des CYP2D6-Polymorphismus deutlich gezeigt. Nach den ersten Erfahrungen mit der Verschreibung wurde das Medikament aufgrund seiner hohen Hepato- und Nephrotoxizität aus dem Arsenal der Medikamente zur Behandlung der Angina pectoris gestrichen. Doch derzeit wird Perhexilin wieder eingesetzt und gilt als hochwirksames Mittel, da es nur für Patienten mit schlechtem CYP2D6-Stoffwechsel toxisch ist. Die Sicherheit der Verschreibung von Perhexilin wird durch die vorläufige Bestimmung des individuellen Spiegels dieses Cytochroms gewährleistet.

Cytochrom CYP 3A4 verstoffwechselt angeblich etwa 60 % aller Medikamente. Dies ist das wichtigste Cytochrom der Leber und des Darms (es macht 60 % der Gesamtzahl der Cytochrome aus). Seine Aktivität kann unter dem Einfluss von Rifampicin, Phenobarbital, Makroliden und Steroiden zunehmen.

Hemmung des Arzneimittelstoffwechsels

Die Hemmung des Arzneimittelstoffwechsels ist die häufigste Ursache für klinisch bedeutsame Arzneimittelwechselwirkungen, die zu unerwünschten Erhöhungen der Arzneimittelkonzentrationen im Blut führen. Dies geschieht am häufigsten, wenn zwei verschiedene Medikamente um die Bindung an dasselbe Enzym konkurrieren. Ein Medikament, das in diesem Konkurrenzkampf „verliert“, verliert die Fähigkeit, ausreichend verstoffwechselt zu werden, und reichert sich übermäßig im Körper an. Erfreulich ist, dass es nicht viele Medikamente gibt, die die Eigenschaften eines ausgeprägten Hemmstoffs aufweisen. Typische Inhibitoren sind Cimetidin, Erythromycin, Ketoconazol und Chinidin. Unter den neueren Medikamenten haben selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer und Proteasehemmer potenziell hemmende Eigenschaften.

Die Hemmungsrate hängt von den pharmakokinetischen Eigenschaften der „widersprüchlichen“ Arzneimittel ab. Wenn sowohl der Inhibitor als auch das Substratarzneimittel eine kurze Halbwertszeit haben (z. B. Cimetidin und der Inhibitor seines Metabolismus, Theophyllin), ist die Wechselwirkung an den Tagen 2 bis 4 am höchsten. Es dauert genauso lange, bis der Interaktionseffekt aufhört.

Bei gleichzeitiger Anwendung von Warfarin und Amiodaron dauert es 1 Monat oder länger, bis die hemmende Wirkung aufhört, die mit der langen Halbwertszeit des letzteren verbunden ist.

Obwohl die Hemmung des Cytochrom-vermittelten Stoffwechsels ein großes Problem darstellt, werden in der klinischen Praxis manchmal Bedingungen geschaffen, die eine gezielte Nutzung dieses Phänomens ermöglichen. Das antivirale Medikament Saquinavir weist eine sehr geringe Bioverfügbarkeit auf, was mit seiner umfangreichen Metabolisierung durch Cytochrom CYP 3A4 zusammenhängt. Die Bioverfügbarkeit des Arzneimittels beträgt bei oraler Einnahme nur 4 %. Die gleichzeitige Verabreichung des verwandten Arzneimittels Ritinavir, das die Cytochrom-Aktivität hemmt, führt zu einem 50-fachen Anstieg der Plasmakonzentrationen von Saquinavir, was eine therapeutische Wirkung ermöglicht.

Induktion des Arzneimittelstoffwechsels

Eine Stoffwechselinduktion liegt vor, wenn ein Arzneimittel die Synthese von Enzymen stimuliert, die am Stoffwechsel eines anderen Arzneimittels beteiligt sind (oder den natürlichen Abbau dieser Enzyme verringert).

Der bekannteste Cytochrom-Induktor ist Rifampicin, das die Konzentrationen von CYP 3A4 und CYP 2C in der Leber erhöht, was zu einem verstärkten Metabolismus einer Reihe von Arzneimitteln führt (Tabelle).

Es ist durchaus anzunehmen, dass Cytochrom-Induktoren die Wirksamkeit von Arzneimittelsubstraten verringern. Dieses Phänomen hat jedoch noch eine andere Seite. Plötzliches Absetzen eines Induktors (oder Beendigung der Exposition gegenüber einem Induktor). Umfeld) kann unerwartet zu einem starken Anstieg der Plasmakonzentrationen eines Arzneimittels führen, das zuvor weitgehend metabolisiert wurde. Ein Beispiel ist eine Situation, in der Raucher, die es gewohnt sind, ständig Kaffee zu trinken, plötzlich beschließen, mit dem Rauchen aufzuhören, wodurch die Aktivität von CYP 1A2 abnimmt und die Koffeinkonzentration im Blutplasma ansteigt. Dies kann die Schwere der Entzugserscheinungen verschlimmern: Kopfschmerzen und Unruhe.

Interaktion von Cytochromen mit Lebensmitteln

Eine Studie aus dem Jahr 1991 ergab, dass ein Glas Grapefruitsaft einen dreifachen Anstieg des Felodipin-Plasmaspiegels verursachte. Andere Säfte hatten jedoch keinen ähnlichen Effekt. Es wird angenommen, dass die Bestandteile der Grapefruit – Flavonoide oder Furanocumarin – den Metabolismus von Felodepin im Darm unterdrücken, vermittelt durch Cytochrom CYP 3A4.

Pharmakogenomik und ihre vielversprechenden Richtungen

Die Wissenschaft, die die genetisch bedingte Reaktion des Körpers auf Medikamente untersucht, wird seit kurzem Pharmakogenomik genannt. Die Entwicklung dieser Wissenschaft wird es ermöglichen, die individuelle Reaktion des Körpers auf eine bestimmte Behandlung genau vorherzusagen und Patienten zu identifizieren, bei denen ein hohes Risiko für die Entwicklung toxischer Reaktionen besteht.

Tisch. Die wichtigsten Arten von Cytochrom p450 beim Menschen