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 ${\text{Fe}}^{3+}$ 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 ${\text{Fe}}^{3+}$ zu ${\text{Fe}}^{2+}$.
• Jetzt folgt ein durch die NADP-abhängige Cytochrom P450-Reduktase katalysierter Transfer eines Elektrons - das Eisen wird zu ${\text{Fe}}^{2+}$ 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(${{\text{O}}_2}^{2-}$) oder in der Superoxid-Form (${{\text{O}}_2}^{\mathrm{-•}}$) 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.