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Stoffwechsel von Fremdstoffen

Cytochrom P450: Enzymmechanismus

Die von allen Cytochrom P450-Isoenzymen katalysierte Reaktion ist formal die für alle Monooxygenasen spezifische Reaktion:

RH+ O2+ NADPH+ H+ ROH+ H2O+ NADP+

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 Fe3+ 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 Fe3+ zu Fe2+.
  • Jetzt folgt ein durch die NADP-abhängige Cytochrom P450-Reduktase katalysierter Transfer eines Elektrons - das Eisen wird zu Fe2+ 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(O22) oder in der Superoxid-Form (O2-•) 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.1
Katalysemechanismus des Cytochrom P450-Monooxygenase-Systems
© Wiley-VCH
Abb.2
Vorgeschlagener Rebound-Mechanismus der Cytochrom P450-C-H-Oxidation
© Wiley-VCH

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 R 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
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