细胞色素P450单加氧酶简介

细胞色素P450单加氧酶（Cytochrome P450s，CYP450s）是一类典型的含血红素的单加氧酶超家族，该酶中的还原态亚铁血红素与CO结合后会在450 nm处出现特征吸收峰，故该酶又被简称为P450（Pigment 450）^[1]。

到目前为止，已发现一万多种P450酶，根据蛋白氨基酸序列的相似度确定了P450酶的命名规则（如图1）。当氨基酸序列的相似度超过40%时，用数字表示同一家族成员；当氨基酸序列的相似度超过55%时，用字母表示同一亚家族；同一亚家族的不同成员可在字母后面添加阿拉伯数字表示；当氨基酸的序列相似度超过80%时，可在阿拉伯数字后面加v1、v2来表示二者为同一物种的不同等位基因^[2]。

图1.P450s命名规则

不同家族细胞色素P450单加氧酶的序列相似性仅为20%左右，但其三维结构高度相似性，含有多个螺旋、类螺旋和β折叠。P450的结构分为保守区和可变区：P450保守区是由四个螺旋形成的三棱柱结构，含有亚铁血红素活性中心；P450可变区包含与底物识别或结合相关的残基，以及六个底物识别序列（SRS）。可变区是催化多种反应的结构基础^[3]。大多数P450酶还需要氧化还原伴侣（如Fdx、FdR、CPR等）来维持其催化活性和稳定性^[4]。

细胞色素P450单加氧酶可以催化多种类型反应，如碳氢化合物羟基化、氧化C-C键断裂、脱烷基化(O-脱烷基、S-脱烷基、N-脱烷基)等^[5]：

实例1、N-氧化、S-氧化

实例2、醇醛氧化

实例3、烯烃环氧化以及炔烃氧化

实例4、氧化C-C键的断裂

实例5、氧化脱卤

实例6、氧化脱氨基

实例7、N-羟基化

实例8、碳氢化合物羟基化

实例9、O-脱烷基、S-脱烷基、N-脱烷基

实例10、一氧化氮还原

实例11、还原脱卤

细胞色素P450单加氧酶作为绿色生物催化剂，不仅可以在温和的条件下催化碳氢化合物羟基化、氧化C-C键断裂、脱烷基化等多种反应，而且与化学法使用的昂贵金属催化剂相比，更加经济、环保。

细胞色素P450单加氧酶的催化机理^[6]

P450酶的氧化还原反应模型机制可分为以下七个步骤（如图2）：

第一步，P450酶中的血红素的FeIII处于六配位的静息状态(A)，其中四个共价键与卟啉环的氮配位形成即铁卟啉环（平面结构），另外两个共价键分别与水和半胱氨酸相结合；

第二步，底物接近活性位点，FeIII上与水结合的配位键断裂形成化合物(B)，铁脱离卟啉环平面，并从一种相对低自旋状态转换成高自旋状态。这种自旋状态的变化会加强铁的还原能力，有助于NAD(P)H的电子经电子传递链传递；

第三步，五配位的FeIII接收到第一个电子后被还原为五配位的FeII，即化合物(C)。随后外界氧分子与FeII配位结合，形成一种超氧加合物中间体[Cys-FeII-O2](D)；

第四步，第二个电子进入催化中心形成化合物(E)即铁过氧中间体[Cys-FeIII-OO-]-，该中间体极易被质子化而形成化合物(F)即铁氢过氧化物[Cys-FeIII-OOH]-，化合物(F)即为Compound 0；

第五步，第二个质子进入催化中心，化合物(F)中的O-O键异裂，化合物(F)失去一个水分子然后得到化合物(G)[Cys-FeIV＝O]＋•，即Compound I；

第六步，Compound I的反应活性极高，它从底物中吸收氢原子转换成化合物(H)即Compound II以及底物自由基；

第七步，底物自由基键合进入Compound II中形成羟基化产物的中间体(I)，并从活性位点释放出R-OH，P450酶恢复为原始的FeIII六配位的静息状态。

图2.细胞色素P450单加氧酶的反应机理

细胞色素P450单加氧酶酶库和酶开发服务

尚科生物从2007年来就专注于生物酶和生物催化技术以及合成生物学技术的开发与应用研究。尚科生物现有的细胞色素P450单加氧酶酶库（尚科生物代号：ES-CYP）中包含11种不同的P450单加氧酶，可以为客户提供酶筛选、酶促反应工艺优化、酶改造和生产供应服务。

参考文献

[1]Peter G F.J.Biol.Chem,2019,294(5):1671-1680.

[2]Nebert D W,Adesnik M,et al.DNA,1987,6(1):1-11.

[3]Poulos T L,Finzel B C,et al.J.Biol.Chem,1985,260(30):16122-16130.

[4]李宁宁,细胞色素P450氧化还原酶电子转移机理的理论研究.[D].河南:河南大学,2024.

[5]Sono M,Roach M P,et al.Chemical Reviews,1996,96(7):2841-2888.

[6]李晨星,Variovorax paradoxus S110细胞色素P450：CYP116B256v2的异源表达及催化特性研究.[D].无锡:江南大学,2020.

责任编辑：琉璃

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