细胞色素P450课稿

细胞色素P450

[摘要]：简要介绍了生物细胞色素P450分布的多样性、P450的功能、P450在不同领域的研究现状与进展。鉴于P450的研究无论在理论上探索生物的生理代谢、选择进化和生物与环境的关系方面，或在环境保护、农业生态、生物防治、作物基因工程和医药卫生等应用方面，都有广泛的实践意义，因此，应该受到更大的关注和重视。

[关键词]：细胞色素P450；生物；生理代谢；环境保护

通过体内的解毒酶来催化完成的代谢解毒作用是生物主要而常见的一种适应机制。解毒酶的种类很多，其中单加氧酶的作用最为重要。1954年发现兔肝微粒体对苯异丙胺有脱氨作用。随后人们注意到肝微粒体是多种外源化合物（如药物、毒物及类固醇）的氧化代谢发生部位。并且这些氧化代谢中普遍需要分子氧和NADPH，其共同特点是在作用物分子中加入一个氧原子，因此这些酶可称为单加氧酶或羟化酶和多功能氧化酶。

单加氧酶是一种多酶复合体。一般认为它由细胞色素P450、细胞色素b5、黄素蛋白—NADPH—P450还原酶、黄素蛋白—NADH—细胞色素b5还原酶和磷酯组成，它们共同组成电子传递体系。P450为整个酶系中的末端氧化酶，它不仅负责活化氧分子，同时负责与底物结合，并决定酶系底物的专一性，在整个酶系功能中起着关键的作用。

P450是1958年被发现的，它是一类以还原态与CO结合后在波长450nm处有吸收峰的含血红素的单链蛋白质。近年来，每年发表的有关P450的文章已超过2000篇。研究证实，动物、植物、微生物体内均存在P450，它们以氧活化成分参与各种各样的代谢反应，能代谢包括脂肪酸、甾类化合物、脂肪烃、芳香烃、杀虫剂和除草剂、药物、致癌物等多种化合物，由于该方面的研究涉及到生物化学、临床药物学、环境科学、健康科学、分子生物学等多个领域，因此成为生物技术领域中研究热点。

1 P450分布的多样性

1.1动物体内P450的分布

P450首先在哺乳动物的肝脏微粒体中发现。在同一动物的许多不同组织中都存在P450。哺乳动物的肝脏是P450含量最丰富的器官，它还主要分布在肺、皮肤、消化道、肾、肾上腺皮质和髓质、睾丸、卵巢、主动脉和血小板等部分。P450虽然在许多组织或器官中存在，但其分布具有一定的选择性。耿益民等人对大鼠的心肌组织与肝脏组织的P450含量进行测定，结果证明肝脏组织中的P450明显高于心肌组织[1]。

昆虫中存在P450的报道见于20世纪60年代。1967年，Ray首先在家蝇中确定P450的存在。相继在烟草天蛾中也发现了P450。目前证明，P450在蝗虫、按蚊、蜚蠊、北美黑尾风蝶等几十种昆虫中都有分布。昆虫的许多器官和组织，如中肠、脂肪体、马氏管甚至头壳中都有P450。家蝇的腹部微粒体中P450的含量最高。吴益东等人研究表明，棉铃虫六龄幼虫的不同组织中P450分布有明显差异，在中肠中含量最高，脂肪体中次之，体壁中最低[2]。

在其它动物中，研究较多的是淡水鱼类、海洋鱼类和贝壳类。Cristine Nasci等研究了P450在海洋鱼类中的分布。Briubo证明，鱼类的P450主要分布于肺、肾和鳃。而赤鲷鱼心肌中的P450含量明显低于肝脏。

1.2植物体内P450的分布

1969年D.S.Frear等人首次报道了棉花中存在P450，相继又发现小麦、蓖麻、大豆、薯类等植物中均存在P450。到目前为止，已有50多种植物被鉴定有P450。

研究证明，P450存在于高等植物的微粒体、质膜、高尔基体膜、液泡膜、叶绿体膜和线粒体膜等多处中，其中以微粒体含量最高。黄花幼苗的各个器官如子叶、胚根、幼根、胚轴及地上部分，萌发种子中的胚乳、储藏器官块根、块茎中都存在P450。研究表明，同一种植物在不同部位，同一部位在不同发育时期，P450的分布和含量均有不同。如开花盛期，鳄梨花序P450含量最丰富。P450含量由高至低的排序为叶、花、茎。

1.3微生物的P450分布

1967年，Appleby偶然地从根瘤菌假菌体中发现P450，首次证明存在于细菌。此后的研究表明，P450存在于恶臭假单胞菌生物降解樟脑过程。迄今为止，已在十几个属细菌中发现P450，如假单胞杆菌科的恶臭假单胞菌、铜绿假单胞菌，根瘤菌科的大豆根瘤菌、羽扇豆根瘤菌，奈瑟氏菌科的莫拉氏菌、醋酸钙不动杆菌，病毒科的费氏弧菌、哈氏弧菌磷光合细菌，还有巨大芽孢杆菌、棒状杆菌等。

此外，放线菌也发现有P450，它们是：诺卡氏型的诺卡氏菌、红色红球菌、赤红发

酵多孢菌，链霉菌科的西唐氏链霉菌、灰色链霉菌、浅灰链霉菌等。

在真菌中，如：有酵母菌的微荚膜新隐球酵母、白色假丝酵母、近平滑假丝酵母、镰刀菌属的尖孢镰刀菌。

2 P450功能的多样性

2.1 P450底物的广谱性

P450酶系是自然界中最具有催化作用的生物催化剂。该酶系的主要特点是，底物的广谱性，能作用于许多结构不同的物质，尤其是能催化各种外源化合物，包括其它生物来源和人工合成的化学品（农药、致癌物、药物、抗氧化剂、添味剂、溶剂、染料、麻醉剂、石油产品等）的生物转化。在人工合成的约20万种化合物中，大多数都可能是P450的底物。许多可作为P450不同同工酶的诱导剂或抑制剂。有些参与甾醇转化的P450对底物有高度的选择性，而其它P450特别是肝微粒体的P450具有重叠的底物专一性[3]。

2.2 P450的催化机制

P450可以催化成千上万种的反应，甚至对具有相似化学结构的底物也表现出多种反应类型，因而被人们称为万能的催化剂。P450催化反应过程涉及多个步骤，典型的反应是通过电子传递系统将分子氧还原，并将其中一个氧原子加到底物（RH）中，反应需NADPH。RH+O2+NADPH+H+→ROH+H20+NADP+

随着生物所处环境的不同，P450还有其它的催化机制，如：（1）在无氧情况下，还存在过氧化物支路，通过过氧化物提供氧原子使底物羟基化；（2）通过氧还原机制，但氧不加入底物中形成羟基化合物，而是形成超氧化物、过氧化物；（3）P450不完全是氧化催化剂，它还起还原催化作用。亚铁型P450可提供电子，在无氧条件下进行分步反应。许多化合物如染料、N—氧化物、环氧化物都可接收2个电子而被还原[3]。

P450参与的反应主要有烷基的羟化、烯基的环氧化、烃基的氧化、硫位的氧化、氧化性脱氨、脱卤和脱氢、氧化性的碳—碳键断裂及一些还原反应[3]。

3 P450在不同领域的研究进展

3.1 P450在医学方面的研究

3.1.1 P450与药物代谢和致癌机理的研究

20世纪70年代，P450酶系在致癌物的代谢中的主要作用得到证实，许多探讨化学致癌的科学家转向P450的研究。近几年，P450在药物代谢、毒理学、肿瘤生化等方面的工作有很大进展。研究表明，在微粒体药物代谢体系中，参与致癌物代谢活性最主要的酶系为P450。

动物试验表明，苯及其代谢物如酚、氢醌、儿茶酚都是P450的催化底物，苯能通过其代谢产物醌类在很低的浓度下损坏P450的活性，从而导致苯的毒性增强[4]。张希凤等人通过测定大鼠肝微粒体探讨复方丹参片、阿斯匹林和潘生丁对P450的影响，结果表明，3种药物在引起P450总量减少的情况下，间接增加肿瘤发生的危险性[5]。P450在中药代谢中的作用的研究也取得一定进展，夏尔宁等报告了黑木耳多糖和银耳多糖对戊巴比妥诱导的小鼠睡眠时间和P450含量的影响[6]。为了探讨人类肿瘤的发生机理，王莉娥等人用大鼠肝微粒体酶系进行了以苯、二氯乙稀和含变价金属的石棉为代谢底物的研究[7]。据报道P450其羟化活性可激活前致癌物引发肺癌和膀胱癌、食管癌等。有关P450与药物代谢和致癌机理方面的研究已深入到分子水平。

3.1.2 P450抑制剂的研究

研究P450抑制剂是探索防癌抑癌作用机理方面的一个进步。傅旭春等人通过对氨基二苯醚类化合物与苯巴比妥诱导的大鼠肝微粒体相互作用的试验表明，对氨基二苯醚类似物既可以作为P450底物，也可以被P450氧化代谢，其代谢中间体与P450形成P450—MI络合物而产生抑制作用[8]。李德淳的研究表明，中药大蒜的主要成分（二稀丙基硫）为鼠肝微粒体二甲基亚硝胺脱甲基酶的竞争性抑制剂，影响P450同工酶P45011E1的活性。二稀丙基硫对P450同工酶的抑制作用，阻碍了致癌物在体内的活化代谢。

3.2 P450与杀虫剂的相互作用

3.2.1 P450与昆虫抗药性的关系

20世纪60年代，P450酶系因其在昆虫抗药性及昆虫对寄主植物适应性中的作用而受到重视。至今有关昆虫P450酶系的研究已深入到分子水平。大多数有机杀虫剂都受微粒

体氧化作用，这些氧化代谢作用能使杀虫剂经氧化代谢失去毒性，害虫抗药性的产生往往与P450的含量升高和活性增强有关。在拟除虫菊酯类杀虫剂的代谢研究中，有人从拟除虫菊酯类杀虫剂的化学结构推测其代谢方式主要为水解作用。国外大量研究表明，P450解毒活性增强是棉铃虫对拟除虫菊酯的重要抗性机理之一。吴益东等人的研究证实棉铃虫P450与抗药性具有密切的关系。黄俊勇等人用溴氰菊酯对家蝇进行诱导，通过P450含量的测定，研究杀虫剂在昆虫体内的氧化代谢和昆虫对杀虫剂的抗性机理[9]。现已对果蝇、蜚蠊、烟草夜蛾、南方行军虫、淡色库蚊及小菜蛾等昆虫的P450作了研究，发现昆虫的抗药性品系往往伴随P450含量的增加和氧化代谢活力的增强[9]。彭芳报道，P450代谢有机磷农药，是使烷基和芳基链氧化裂解起到解毒作用，故昆虫对有机磷产生抗性是部分增加了P450的活性，导致氧化降解的功能增强[10]。

3.2.2增效剂对P450的抑制作用

1960年在家蝇体内代谢研究中首次发现亚甲基二氧苯基化合物（MDP）能抑制杀虫剂的氧化代谢，使家蝇体内的P450含量有所下降，从而揭示了MDP类化合物对杀虫剂的增效机理。MDP类化合物对拟除虫菊酯类杀虫剂具有增效作用，是因为这类增效剂干扰了拟除虫菊酯类杀虫剂在昆虫体内的氧化代谢，阻止药物非极性分子向极性分子的转化，增强了拟除虫菊酯类杀虫剂在昆虫体内的滞留，而使毒性增大[9]。吴益东等人用增效醚（PBO）作为抑制剂，研究了棉铃虫拟除虫菊酯类杀虫剂抗性的抑制作用。结果表明，经PBO处理，可使棉铃虫P450的含量大幅度下降，使其对杀虫剂的解毒能力减弱。各种杀虫剂或增效剂与P450的相互作用是非常复杂的，了解和阐明这些机制对合理使用各种杀虫剂具有指导

意义。

3.3 P450在环境保护方面的应用

3.3.1 P450与植物的次生代谢

P450在植物的次生代谢的合成及解毒方面有非常复杂而广泛的功能。具体地参与植物保护功能的P450是在保护植物免受昆虫、微生物和病毒的侵害的次生代谢物，如黄酮类、

香豆素、生物碱等化合物的合成中起重要作用。而参与物质代谢的P450是在将杀虫剂、杀草剂及其它有毒害化合物质转化为非毒害化合物。许多实验证明，P450参与脂肪酸的羟化和环氧化。如葵酸、肉豆寇酸、月桂酸等在救荒野豌豆、菊芋和小麦中可被P450催化进行羟化反应。在菊竽茎中催化月桂酸羟化的P450也可催化月桂酸的不饱和类似物的环氧化。菠菜中的蜕皮酮—20—单加氧酶被鉴定为P450。烟草中的尼古丁脱甲基酶、香石竹中的二蒽酰胺4—羟化酶等均是P450[11]。水稻中的甘草亭酸—24—羟化酶为P450依赖的次生代谢酶类。植物P450可对植物体内的外源有毒物质，如杀虫剂、杀草剂等进行修饰，解除其对植物体的毒害作用。如棉花幼苗的微粒体制备液可把monuron脱去两个甲基而成为尿素。杀虫剂metdachlor可被高粱中P450脱乙基化。仅从1990年就至少有5个催化除草剂的环羟化的P450研究被报道[11]。随着研究的进展，以小麦、大豆、玉米和薯类为模式植物的研究已深入到基因表达、调控水平。除了有关植物P450参与多种次生物质代谢反应和抗病虫害等方面的研究外，有人开始进行P450在植物衰老过程中作用的研究，以便调控植物有毒物质的组织器官特异表达，提高植物食品的安全性。

3.3.2 P450在环境污染治理—生物修复技术中的应用

随着科学进步与工业发展，大量的有毒化学物质和人工合成化学物质释放到环境中，尤其是与环境相关的有机化合物如烷烃、芳烃、多氯联苯、有机氯、杂环等化合物造成的环境污染日益严重。微生物可以在逆境中生存并进行代谢，因而成为环境污染生物修复的主力军。报道，P450单加氧酶普遍存在于微生物中，它可以在底物的诱导下降解其它有机物质，并认为烃类降解的初始阶段都是通过P450的作用在碳链上加上氧原子，再经一系列反应使碳链断开，进而完成降解。多环芳烃苯环的断裂也主要靠P450的作用[12]。另有报道，P450属于可被多环芳烃诱导的基因家族成员。

与动物和植物一样，微生物体内的P450不仅可催化烷基的羟基化，而且能催化烯基的环氧化、乙醚的脱烷基、脱卤、脱氮、烃基的氧化等多种反应。研究证明，微生物的P450存在于许多降解代谢途径中，如红色红球菌和不动杆菌具有烷烃代谢作用，诺卡氏菌的P450参与烷基乙醚的降解过程。酵母菌中的P450可代谢烷烃，浅灰链霉菌的P450可转化除草剂。棒状杆菌可利用胆固醇。西唐氏链霉菌为降解木质素的放线菌。1978年研究表明，恶臭假单胞菌P450的降解功能不仅具有催化甲烷的羟基作用，而且能催化高碳的烷烃和芳烃类化合物。由于生物加氧酶的活性与污染物的降解代谢密切相关，所以有人试图利用加氧酶作为有机污染的监测方法之一。

4 P450的研究前景与展望

P450是生物体内的一类重要的混合功能的血红素氧化还原酶类，它可以催化多种化学反应，在防御生物免受外界不良环境影响方面起重要作用，而且是一个基因超家族。研究现状表明：（1）随着分子生物技术的发展，许多生物的P450已被分离纯化，更多生物P450基因被克隆和在外源表达。酵母表达系统已经把动物、细菌、真菌的P450很好地表达，并有了成熟的经验。（2）P450在医药、昆虫方面的研究已达到分子水平，在植物P450的表达调控上虽取得一些进展，但在抗虫和抗草剂的农作物基因工程方面的工作尚在起步阶段，许多研究有待深入进行。（3））微生物P450在有机污染物的代谢机理，已引起环境科学者的关注，虽然这方面的工作起步较晚，目前国内为空白，但它在污染环境生物修复技术中的作用将不断得到重视，开展此方面的工作势在必行。

参考文献

[1] 吴益东，等.棉铃虫六龄虫微粒体细胞色素P450和细胞色素b5的测定及组织分布[J].农业生物技术学

报,1997，5（3）：297—301.

[2] 耿益民，等.大鼠心肌组织与肝脏组织中细胞色素P—450的含量测定[J].首都医科大学学报，1999，

20（1）：4—5.

[3] 吴益东，等.增效醚（PBO）对棉铃虫细胞色素P450的抑制作用及对拟除虫菊酯的增效作用[J].昆虫学

报,2000，43（2）：138—141.

[4] 邱星辉，冷欣夫.细胞色素P450的多样性[J].生命的化学，1997，17（6）：13—16.

[5] 沈钧，金锡鹏.苯与细胞色素P450的关系研究进展[J].职业卫生与应急救援，1998，16（2）：74—76.

[6] 张希凤，等.复方丹参片、阿斯匹林和潘生丁对细胞色素P—450的影响[J].哈尔滨医科大学学报，1995，

29（2）：96—98.

[7] 李德淳，细胞色素P450酶系统在中医药研究中的应用[J].天津中医学院学报，1994，1：39—40.

[8] 王莉娥，等.NADPH—细胞色素P—450还原酶的制备及在外来化合物代谢中的作用[J].卫生研究，1997，

26（4）：217—220.

[9]付旭春，等.对氨基二苯醚类似物抑制细胞色素P—450的定量构效关系[J]. 药学学报，1994，29（8）：

589—594.

[10]黄俊勇，冷欣夫.溴氰菊酯对家蝇细胞色素P—450含量的影响[J]. 昆虫学报，1992，35（3）：301—

305.

[11]彭芳.细胞色素P450在有机磷农药研究中的作用[J].中国公共卫生，1993，9（4）：156—157.

[12]赵剑,等.细胞色素P—450与植物的次生代谢[J]. 生命科学，1999，11(3):127—131.