Stoffwechsel von Fremdstoffen
Cytochrom P450: Enzymmechanismus
Die von allen Cytochrom P450-Isoenzymen katalysierte Reaktion ist formal die für alle Monooxygenasen spezifische Reaktion:
Der Katalysemechanismus ist sehr komplex und noch nicht in allen chemischen Details aufgeklärt, nicht zuletzt auch aufgrund der kurzen Halbwertszeit einiger Intermediate. Die Reaktion läuft in einem vierstufigen Prozess ab:
- Der Eisen-Cofaktor liegt im Häm in seiner oxidierten Form vor und hat nur eine geringe Tendenz, Sauerstoff zu binden. Zu Beginn des Reaktionszyklus bindet das Substrat an den oxidierten Cofaktor im aktiven Zentrum des Enzyms. Der Eisen-Cofaktor geht von einer low spin- in eine high spin-Form über; dieses erleichtert die nun folgende Reduktion von zu .
- Jetzt folgt ein durch die NADP-abhängige Cytochrom P450-Reduktase katalysierter Transfer eines Elektrons - das Eisen wird zu reduziert.
- Der nächste Schritt ist die Anlagerung des Sauerstoff-Moleküls an das Cytochrom P450. Der Oxidationszustand des Eisens und der des Sauerstoffs sind nicht genau bekannt: Der Sauerstoff könnte sowohl in der Peroxid-Form() oder in der Superoxid-Form () vorliegen.
- Anschließend erfolgt der Transfer eines zweiten Elektrons vom NADPH durch die NADP-abhängige Cytochrom P450-Reduktase. Der nun hoch reaktive Komplex lagert sich um, die O-O-Bindung wird gespalten. Ein Sauerstoff-Atom wird formal zu Wasser reduziert, das andere in die C-H-Bindung des Substrats R-H eingeschoben. Das oxidierte Substrat ROH diffundiert ab und der katalytische Zyklus kann von neuem beginnen.
- Abb.2
- Vorgeschlagener Rebound-Mechanismus der Cytochrom P450-C-H-Oxidation
Beim radikalischen Rebound-Mechanismus wird von einem Sauerstoff-Atom ausgegangen, das an das im Häm komplexierte Eisen gebunden ist. Im ersten Schritt entreißt es dem Substrat R-H ein H-Atom. Das radikalische Substrat spaltet anschließend homolytisch die Fe-O-Bindung. Auf diese Weise kehrt das Eisen aus seiner intermediären Oxidationsstufe IV in die Oxidationsstufe III zurück und der Alkohol ROH wir als Ligand an den Eisen-Komplex gebunden1, 2).
1) | Meunier, B.; de Visser, S. P.; Shaik, S. (2004): Mechanism of oxidation reactions catalyzed by cytochrome p450 enzymes.. In: Chem. Rev.. 104 (9) , 3947-3980 |
2) | Shaik, S.; Kumar, D.; de Visser, S. P.; Thiel, D. (2005): Theoretical perspective on the structure and mechanism of cytochrome P450 enzymes.. In: Chem. Rev.. 105 (6) , 2279-2328 |