ЦИТОХРОМ ЕНЗИМИ (CYP): СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И РОЛЯ ВЪВ ФАРМАКОЛОГИЯТА

Когато говорим за метаболизъм на лекарства, цитохром P450 (CYP) ензимите представляват една от най-важните групи белтъци в човешкия организъм. Те участват в химичните реакции, чрез които тялото метаболизира, активира и елиминира приетите лекарства и ксенобиотици от разнороден произход.

Какво представляват CYP ензимите?

CYP ензимите са голямо семейство от протеини, които се откриват основно в черния дроб, но присъстват и в други органи като тънко черво, бели дробове и кожа. Името на ензимите „цитохром P450“ произлиза от „цито“ (cyto – свързани сa  с клетъчните мембрани) и съдържат хемов пигмент (chrome/хром). Когато са свързани с въглероден оксид, тези ензими произвеждат спектър с дължина на вълната приблизително 450 nm. CYP са част от по-широка група ензими, наречена монооксигенази, което означава, че в хода на биохимичните си реакции вграждат един атом кислород в субстрата (например лекарство), а другият се редуцира до вода. Тяхната основна задача е да превърнат липофилните (хидрофобни) вещества във водоразтворими (хидрофилни), за да могат да бъдат по-лесно елиминирани чрез урината.

---

Горната графика показва ароматно хидроксилиране на локалния анестетик лидокаин. Лекарствата с ароматни групи рутинно претърпяват ароматно хидроксилиране, след което се подлагат на ензимна конюгация във фаза II на лекарствения метаболизъм. Долната графика показва реакция на деалкилиране, като показаният пример е N-деметилиране на трицикличния антидепресант имипрамин. О-деалкилиращите реакции също са често срещани. CYP-медиираната реакция включва вмъкне на кислороден атом в една от N-метиловите групи на алифатната странична верига. Това създава нестабилен междинен продукт, който се разпада спонтанно, за да се получи N-деметилираният продукт и формалдехид. Метаболитът дезипрамин е самостоятелен трицикличен антидепресант и притежава свой собствен фармакологичен ефект.

---

Структура на CYP ензимите.

Всички CYP ензими при човека споделят характерна обща структура.

• Белтъчна верига: всеки CYP е съставен от единична полипептидна верига, която се сгъва в компактна триизмерна форма. Тази форма създава „джоб“ – активното място, където се свързват лекарствените молекули.
• Хемова група: в ядрото на активното място се намира хемова група (порфиринов комплекс с железен йон). Желязото е ключовият елемент, тъй като то променя своето състояние при обмен на електрони и позволява активирането на молекула кислород – решаваща стъпка за окислителните реакции.
• Мембранно локализиране: повечето CYP ензими са прикрепени към мембраните на ендоплазмения ретикулум на чернодробните клетки. Тази позиция им позволява лесно да взаимодействат с други белтъци, които им „подават“ електрони (например NADPH–CYP редуктазата).

---

Как работят CYP ензимите?

Функцията на CYP ензимите е да добавят кислород в молекулата на ксенобиотика и да модифицират химичната му структура (фаза I метаболизъм). По този начин лекарствата стават: по-лесни за елиминиране, понякога по-активни или по-неактивни, по-малко токсични или обратното.

Процесът обикновено включва:

1. Свързване на лекарството (D) с активния център на CYP. Обазува се бинарен комплекс „ензим-лекарство“.
2. Редуциране на комплекса „ензим-лекарство“ от NADPH–CYP редуктазата.
3. Активиране на кислород: образуване на комплекс  „активиран кислород“-P450-лекарство.
4. Пренасяне на кислородния атом върху лекарството.
5. Получаване на модифицирана молекула: метаболит.

Обобщено, лекарствата преминават през следната биохимична реакция във фаза I на метаболизма:

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

 Примери за окисление на лекарства, медиирано от CYP:

окисление на C-H химични връзки: алифатно хидроксилиране на кетамин; ароматно хидроксилиране (диклофенак); 

N-окисление: вориконазол;

S-окисление: албендазол;

Деалкилиране: кодеин;

Епоксидиране: карбамазепин;

 

---

Основните CYP ензими, които метаболизират лекарства

Цитохром P450 ензимите са подразделени на семейства и подсемейства според сходството в аминокиселинната структура:
Ензимите с > 40% сходство в аминокиселинната последователност са групирани в семейства, обозначени с номер (например CYP1, CYP2 и CYP3). Ензимите с > 55% сходство в аминокиселинната последователност са групирани в подсемейства (субфамилия), обозначени с буква (например CYP2C, CYP2D и CYP2E). Отделните изоензими (индивидуална форма) са допълнително идентифицирани с номер (например CYP2D6).

Най-значимите ензими отговорни за метаболизма на лекарствата са:

• CYP3A4 метаболизира около 50% от всички лекарства. Експресиран в черен дроб (главно), тънкото черво (висока концентрация), бъбреци, плацента и мозък. Характеризира се с относително стабилен генотип, наблюдава се по-малък полиморфизъм от CYP2D6. Основни субстрати на CYP3A4 са: калциеви антагонисти (дилтиазем, верапамил, амлодипин), статини (симвастатин, аторвастатин), такролимус, циклоспорин, макролиди (еритромицин, азитромицин, кларитромицин), бензодиазепини (мидазолам, алпразолам).
• CYP2D6 е отговорен за метаболизма на около 25% от лекарствата. Редица широко използвани лекарства, като антиаритмични, бета блокери, антидепресанти, наркотични аналгетици и антинеопластични лекарства се метаболизират от CYP2D6. Генетичният полиморфизъм на CYP2D6 е най-широко изследван и значим сред цитохром P450 ензимите, тъй като води до голяма вариабилност в метаболизма на лекарства между различните хора. Този полиморфизъм се дължи на множествени генетични варианти (алели) на CYP2D6, разположени на хромозома 22. Тези генетични вариации определят дали един индивид е бърз, бавен или ултрабърз метаболизатор. Видове метаболизатори:

1. Бавни метаболизатори (Poor Metabolizers): Хората с тези алели имат силно намалена или липсваща активност на CYP2D6. Те метаболизират лекарствата много бавно, което може да доведе до натрупване на лекарството и увеличена токсичността.​
2. Бързи метаболизатори (Extensive Metabolizers): Това са индивиди с нормална активност на CYP2D6 и стандартен метаболизъм на лекарствата.​
3. Ултрабързи метаболизатори (Ultrarapid Metabolizers): Те имат повече от едно копия на CYP2D6 гена, което води до изключително бърз метаболизъм. При тях някои лекарства (напр. пролекарства като кодеин) могат да се активират прекалено бързо, което увеличава риска от странични ефекти.​
4. Междинни метаболизатори (Intermediate Metabolizers): Това са хора с намалена активност, които метаболизират лекарствата по-бавно от стандартните, но не чак толкова бавно, колкото бавните метаболизатори.​

Генетичният полиморфизъм на CYP2D6 влияе директно върху ефективността и безопасността на лекарствата, които се метаболизират от този ензим (напр. антидепресанти, антипсихотици, бета-блокери).​ При бавни метаболизатори ефектът на лекарството може да бъде по-силен и по-дълготраен, докато при ултрабързи – по-слаб или краткотраен, особено ако лекарството се активира чрез CYP2D6.​ Фармакогеномни тестове за CYP2D6 се използват все по-често в клиничната практика за персонализиране на терапията и избягване на нежелани взаимодействия.​ Така, генетичният полиморфизъм на CYP2D6 е ключов фактор за разбиране на индивидуалните различия в метаболизма на лекарства и е от съществено значение за персонализираната медицина. Разпространението на CYP2D6 алелите варира значително между различните популации по света, което води до различни географски честоти на бавни, бързи и ултрабързи метаболизатори.​ В европейските популации около 5–10% от хората са бавни метаболизатори, а ултрабързите метаболизатори са по-рядко срещани.​ В азиатските популации (например Япония, Китай) честотата на бавните метаболизатори е по-ниска, около 1–2%, но се срещат по-често специфични алели, които водят до умерено намалена активност на CYP2D6. В африканските популации се наблюдава по-висока честота на ултрабързи метаболизатори (до 29% в някои групи), което се дължи на често срещаната дупликация на CYP2D6 гена.

• Други важни CYP ензими за лекарствения метаболизъм са: CYP2C9, CYP2C19, CYP1A2 (метаболизира близо 15% от лекарствата) и CYP2E1.

---

Приложение във фармакологията

Разбирането на CYP ензимите е критично за фармацевтите и медиците поради няколко причини:

• предвиждане на лекарствени взаимодействия

Някои лекарства могат:

• да инхибират CYP ензим, което води до повишаване на плазмената концентрацията на други лекарства.
• да индуцират CYP ензим, което води до намаляване на ефекта на други лекарства.

Едно лекарство може да бъде метаболизирано и едновременно да инхибира или индуцира същия ензим (съответно erythromycin и сarbamazepine), или може да бъде метаболизирано от един ензим, а да инхибира друг (terbinafine). Лекарствата могат нарочно да бъдат комбинирани с цел възползване от CYP450 инхибицията. Ritonavir, протеазен инхибитор и мощен CYP3A4 инхибитор, се комбинира с lopinavir за да се повишат серумните нива при пациенти с HIV. Процесът на индукция е по-бавен и зависи от времето на полу-живот на индуциращото лекарство. Сокът от грейпфрут съдържа биофлавоноиди, които инхибират CYP450 изоензимите, особено тези в чревната стена. Грейпфрутът инхибира метаболизма на лекарства метаболизиращи се от CYP3A4, CYP1A2 и CYP2A6, но CYP3A4 е основният изоензим, който се засяга. Лекарства, чийто ефект в значителна степен се повлиява от грейпфрут: amiodarone, atorvastatin, clomipramine, ciclosporin, diltiazem, ethinyloestradiol, felodipine, fexofenadine, itraconazole, methadone, midazolam, nifedipine, quinidine, saquinavir, sertraline, sirolimus, triazolam, verapamil buspirone, carbamazepine, lovastatin, simvastatin, tacrolimus.

• Фармакогенетика: генетичният полиморфизъм засягащ експресията на CYP ензимите пряко повлиява метаболизма и фармакологичния ефект на лекарствата. Например, ефективността на клопидогрел зависи от превръщането му в активен метаболит, което се осъществява от ензима CYP2C19. Индивидите, при които липсват 2 копия на гена CYP2C19, се класифицират като слаби метаболизатори на CYP2C19, което води до намален антитромбоцитен ефект на лекарството. Приблизително 2% от бялата раса, 4% от афроамериканците, 14% от китайците и 57% от жителите на Океания са слаби метаболизаторипо отношение на CYP2C19. Друг пример е вече описаният генетичен полиморфизъм на CYP2D6.
• Токсичност: Парацетамолът се метаболизира предимно в черния дроб, главно чрез глюкурониране и сулфатиране, като продуктите се елиминират с урината. Само 2–5% от лекарството се екскретира непроменено с урината. Второстепенен метаболитен път (5–15%) е окисление от  CYP2E1, като се образува токсичен метаболит, известен като NAPQI (N-ацетил-p-бензохинон имин). NAPQI е отговорен за чернодробната токсичност на парацетамола. При обичайни дози парацетамол, NAPQI бързо се детоксикира чрез конюгиране с глутатион. При предозиране, глутатионът се изчерпва от голямото количество образуван NAPQI, а NAPQI се свързва с митохондриалните протеини на чернодробните клетки, причинявайки оксидативен стрес и токсичност.
• Пролекарства (pro-drugs): Някои лекарства са неактивни, докато не бъдат активирани от CYP ензим. Пролекарствата са неактивни съединения, които стават активни лекарства след метаболизиране, често от  CYP ензимите в черния дроб. Kлючови примери включват химиотерапевтични средства като циклофосфамид (активиран от CYP2B6, CYP3A4) и лекарства за рак на гърдата като тамоксифен (активиран от CYP2D6).

CYP ензимите са ключов елемент от метаболизма на лекарствата. Те имат добре организирана структура, съставена от белтъчна верига и хемова група, която позволява сложни окислителни реакции. Разбирането на тяхната функция е фундаментално за безопасното и ефективно прилагане на лекарствата.

Автор: ФАРМАКОЗНАНИЕ.БГ

Източници на информация:

Cytochrome P450 (CYP) enzymes

Zhao, M.; Ma, J.; Li, M.; Zhang, Y.; Jiang, B.; Zhao, X.; Huai, C.; Shen, L.; Zhang, N.; He, L.; et al. Cytochrome P450 Enzymes and Drug Metabolism in Humans. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 12808. https://doi.org/10.3390/ijms222312808

https://www.news-medical.net/life-sciences/What-are-Cytochrome-P450-Enzymes.aspx

Gilani B, Cassagnol M. Biochemistry, Cytochrome P450. [Updated 2023 Apr 24]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2025 Jan-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557698/

https://www.researchgate.net/publication/302923235_Cytochrome_P450_structure-function_insights_from_molecular_dynamics_simulations

https://drughunter.com/resource/phase-i-drug-metabolism

https://www.dynamed.com/drug-review/cytochrome-p450-drug-metabolism#GUID-13B09D14-50BB-4283-9B41-7F0A9456080D

Роля на лекарствените взаимодействия на ниво метаболизъм

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK84114/

Ortiz de Montellano PR. Cytochrome P450-activated prodrugs. Future Med Chem. 2013 Feb;5(2):213-28. doi: 10.4155/fmc.12.197. PMID: 23360144; PMCID: PMC3697796.