シトクロムP450

P450酵素をコードする遺伝子、および酵素自体は、スーパーファミリーを表すルートシンボルCYPに続いて、遺伝子ファミリーを示す番号、サブファミリーを示す大文字、そして個々の遺伝子を示す別の数字で指定されます。慣例として、遺伝子を参照する際には名前をイタリック体にします。たとえば、 CYP2E1は、パラセタモール（アセトアミノフェン）代謝に関与する酵素の1つである酵素CYP2E1をコードする遺伝子です。CYP命名法は公式の命名規則ですが、CYP450またはCYP ₄₅₀が同義語として使用されることもあります。これらの名前は命名規則に従って使用すべきではありません（これらはファミリー番号450のP450を示すため）。しかし、P450 の遺伝子名や酵素名の中には、歴史的な名称 (例えば CYP102A1 の P450 _BM3 ) や、触媒活性と基質として使用される化合物名を示す機能名で呼ばれるものもあります。例としては、トロンボキサンA ₂シンターゼであるCYP5A1 (トロンボキサン A ₂シンターゼ 1) や、ラノステロール 14-α- デメチラーゼであるCYP51A1 (基質 (ラノステロール) と活性 (脱メチル化) から非公式に LDM と略されることもあります) などがあります。^{[ 3 ]}

命名ガイドラインでは、新しい CYP ファミリーのメンバーは少なくとも 40% のアミノ酸同一性を共有し、サブファミリーのメンバーは少なくとも 55% のアミノ酸同一性を共有する必要があると示唆されています。命名委員会は、基本遺伝子名 ( Cytochrome P450 Homepage Archived 2010-06-27 at the Wayback Machine ) と対立遺伝子名 ( CYP Allele Nomenclature Committee ) の両方を割り当てて追跡します。^{[ 4 ] [ 5 ]}これらの類似性に基づくグループ分けは、系統解析で頻繁に再現され、メンバーは一般的に触媒活性の特徴を共有しています。提案された類似性閾値が系統パターンが示すものと完全に一致しない場合 (たとえば、ファミリーに近いが同一性が 39% しかない新しいメンバー) があり、類似性閾値が下がると「ファミリーの拡大」と呼ばれる現象が発生したり、ファミリーが分割されたりすることがあります。^{[ 6 ]}

分類群全体にわたってP450ファミリー番号を割り当てるための普遍的な命名法があります: ^{[ 7 ]}

• CYP1 – 49、CYP301 – CYP499、...：動物
  • CYP440 ～ 446：動物に見られるCYP74ファミリーメンバー用に予約されている。
• CYP51 – 69、CYP501 – CYP699、...：真菌類および下等真核生物^{[ 8 ]}
  • CYP6001 – CYP6099: P450と他の酵素（例えば、ジオキシゲナーゼ、ペルオキシゲナーゼ、イソメラーゼなど）の真菌融合体。
• CYP71 – 99、CYP701 – CYP999、...：植物（アーケプラスチダ）
• CYP101 – 299、...細菌

分類群ブロックは、CYP101 ～ 999用に定義された分類群ブロックを拡張することにより、CYP1001 ～ CYP69999用に定義されます。たとえば、CYP3001 ～ 4999およびCYP30001 ～ CYP49999は動物に割り当てられます。これらのグループの下で定義された予約は拡張されません。^{[ 7 ]}定義されたP450ファミリー番号、サブファミリー文字、およびオルソロググループ番号を追跡するためのいくつかのデータベースが利用可能であり、各ファミリー・サブファミリー接頭辞の意味に曖昧さがないだけでなく^{[ 9 ]}、異なる種間で同じ名前の遺伝子が互いにオルソログであることを意図しています。 2026年4月現在 最も完全なデータベースは、11068のファミリー、26037のサブファミリー、79577のオルソロググループ、および164068のオルソロググループのサンプル配列を網羅するP450 Atlas（バージョン1.3.0）です。^{[ 10 ]}

異なるファミリーの多くの P450 酵素を比較すると、ファミリーの進化的なグループであるクランの概念が生まれます。正確な類似性のカットオフは明確に定義されていませんが、一般的には、系統樹の最初の分岐ノードのいくつかから派生するべきであると理解されています。 ^{[ 11 ]}クランの中には 1 つのファミリーしかないものもあれば、多くのファミリーを含む高度に多様化したものもあります (例: CYP71 クランと CYP85 クラン)。多くの分類群にわたるクランとファミリーの出現を追跡すると、代謝能力の進化の鮮明なイメージが浮かび上がります。^{[ 6 ] [ 12 ]}

電子伝達タンパク質の性質に基づいて、P450はいくつかのグループに分類できる。

• CPR-P450システムは、シトクロムP450還元酵素（CPR）とP450ドメイン を組み合わせたものである。
  • ミクロソームP450系では、電子はCPR（CPR、POR、またはCYPORなど）を介してNADPHから伝達される。
  • また、バチルス・メガテリウムのP450meg（CYP106A2）などの細菌にも見られる。^{[ 13 ]}
• Fr/Fd/P450システムは、フェレドキシン還元酵素とフェレドキシンを用いて電子をP450に伝達する。代表的なものとして、カンファー関連基質に対するCAMオペロン由来の植物プラスチドP450cam（CYP101A1）システムが挙げられる。^{[ 13 ]}
  • ミトコンドリアP450システムは、アドレノドキシン還元酵素とアドレノドキシン（フェレドキシンの一種）を用いて、NADPHからP450へ電子を伝達する。
  • FMN/Fd/P450システム：元々はロドコッカス属で発見されたもので、FMNドメインを含む還元酵素がCYPに融合している。
• CYB ₅ R/cyb ₅ /P450システムでは、CYPに必要な両方の電子がシトクロムb _{5から供給され、シトクロムb 5は}シトクロムb ₅還元酵素（CYB ₅ R）によって還元されます。
• 外部還元力を必要としないP450のみのシステム。代表的なものとしては、トロンボキサン合成酵素（CYP5）、プロスタサイクリン合成酵素（CYP8）、およびCYP74A（アレンオキシド合成酵素）などが挙げられる。

シトクロムP450の活性部位にはヘム鉄中心が含まれています。鉄はシステインチオラート配位子を介してタンパク質に結合しています。このシステインといくつかの隣接残基は既知のP450で高度に保存されており、正式なPROSITEシグネチャーコンセンサスパターン[FW] - [SGNH] - x - [GD] - {F} - [RKHPT] - {P} - C - [LIVMFAP] - [GAD]を持っています。^{[ 14 ]}一般的に、P450の触媒サイクルは次のように進行します。

1. 基質はヘム基の近傍、軸方向チオラートとは反対側に結合する。基質結合は活性部位の立体構造の変化を誘発し、多くの場合、ヘム鉄の遠位軸方向配位位置から水分子を置換し^{[ 15 ]}、ヘム鉄の状態を低スピンから高スピンに変化させる^{[ 16 ] 。}
2. 基質結合は、シトクロムP450還元酵素または他の関連還元酵素を介してNAD(P)Hからの電子移動を誘導し、^{[ 17 ]} Fe(III)をFe(II)に変換する。
3. 分子状酸素は、生成した二価鉄ヘム中心の遠位軸配位位置に結合し、最初はオキシミオグロビンに似た二酸素付加物を形成する。
4. 2番目の電子は、シトクロムP450還元酵素、フェレドキシン、またはシトクロムb5_のいずれかから移動し、Fe-O2付加物を還元して_短寿命のペルオキソ状態を生成します。
5. ステップ 4 で形成されたペルオキソ基は、急速に 2 回プロトン化され、1 分子の水が放出され、P450 化合物 1 (または単に化合物 I) と呼ばれる高反応性種が形成されます。この高反応性中間体は 2010 年に単離されました。^{[ 18 ]} P450 化合物 1 は、ポルフィリンおよびチオラート配位子上に非局在化した追加の酸化当量を持つ鉄 (IV) オキソ (またはフェリル) 種です。代替のパーフェリル鉄 (V)-オキソ^{[ 15 ]}の証拠はありません。^{[ 18 ]}

P450酵素は、基質と酵素の種類に応じて、多種多様な反応を触媒することができます。ここでは、水酸化反応の一例を示します。水酸化生成物が活性部位から放出されると、酵素は元の状態に戻り、水分子が鉄原子核の遠位配位位置に戻ります。

モノオキシゲネーションの別の経路は、「過酸化物シャント」（図中の経路「S」）を経由する。この経路では、過酸化物や次亜塩素酸塩などの酸素原子供与体による鉄基質複合体の酸化が伴う。^{[ 19 ]}図には、仮説上の過酸化物「XOOH」が示されている。

酸素リバウンド機構を含む機構の詳細については、鉄オキソヘム錯体からなる合成類似体を用いて調査されている。^{[ 20 ]}

基質の結合は酵素のスペクトル特性に反映され、390  nm での吸光度が増加し、420  ​​nm での吸光度が減少します。これは差分分光法で測定でき、「タイプ I」差分スペクトルと呼ばれます (図の挿入グラフを参照)。一部の基質は、まだ不明なプロセスによって、スペクトル特性に逆の変化、つまり「逆タイプ I」スペクトルを引き起こします。阻害剤とヘム鉄に直接結合する特定の基質は、430 nm で最大、3​​90 nm で最小となる タイプ II 差分スペクトルを生じます(図の挿入グラフを参照)。還元当量がない場合、この複合体は安定のままとなり、結合の程度をin vitro での吸光度測定から決定することができます^{[ 19 ]} C: 一酸化炭素 (CO) が還元型 P450 に結合すると、触媒サイクルが中断されます。この反応により、450 nm で最大となる古典的な CO 差分スペクトルが得られます。しかし、COの阻害作用はCYPの種類によって異なり、CYP3Aファミリーは比較的影響を受けにくい。^{[ 21 ] [ 22 ]}    

シトクロムP450のヘムは、保存配列 、 に結合します。FxxGxRxCxGここで「x」は変異アミノ酸を表します。システイン（C）は鉄とアルギニン（R）に結合し、ヘムの負に帯電した側鎖と強い静電相互作用を形成します。保存配列内のグリシン（G）残基は、その小さな構造により、周囲のαヘリックスが変異アミノ酸と相互作用することなく所定の位置に留まることができるため、必須です。^{[ 23 ]}その他の保存モチーフは次のとおりです。

• ExxR(Kヘリックス) ^{[ 23 ]}
• AGxDTT（Iヘリックス、酸素結合ドメイン）^{[ 23 ]}