Цитохром Р450 (изоферменты CYP2C19 и CYP3A4). P450 цитохромы В каком растении содержится цитохром 450

Цитохром р450 (CYP 450) – так называется большая семья универсальных ферментов организма человека, отвечающих за метаболизм большинства лекарств и других чужеродных органических соединений (ксенобиотиков) .

Метаболизм многих классов лекарственных средств (антигистаминных препаратов, ингибиторов ретровирусной протеазы, бензодиазепинов, блокаторов кальциевых каналов и др.) происходит с участием цитохромов.

Помимо этого, цитохромы обеспечивают различные физиологические процессы, включая биосинтез стероидов и холестерина, метаболизм жирных кислот и обеспечение кальциевого обмена (гидроксилирование витамина D3, составляющее первый этап в образовании кальцитриола).

История цитохрома р450

Цитохром Р450 был открыт в конце 50-х годов ХХ века М. Клингенбергом и Д. Гарфинкелем. Термин «цитохром» (cito –клетка; с hromos –цвет) появился в 1962 г. как временное название для обнаруженной в клетках окрашенной субстанции.

Как оказалось, различные виды цитохрома Р450 широко распространены в клетках микроорганизмов, растений и млекопитающих. Отсутствуют эти ферменты только у анаэробных бактерий.

Ученые предполагают, что все гены, кодирующие разные виды CYР450, произошли от одного гена-предшественника, который существовал еще два биллиона лет назад. Функция этого «оригинального» гена заключалась в утилизации энергии. На данный момент в природе обнаружено более 1000 различных видов цитохрома CYP 450.

Разнообразие цитохромов

На сегодняшний день у млекопитающих обнаружено около 55 различных видов цитохромов, у растений – более 100.

Благодаря успехам генной инженерии, удалось установить, что ферменты семейства цитохромов выполняют различные функции, что и обусловливает их деление на три основных класса:

• участвующие в метаболизме лекарственных препаратов и ксенобиотиков;
• участвующие в синтезе стероидов;
• участвующие в других важных эндогенных процессах, протекающих в организме.

Классификация цитохромов

Все цитохромы и гены, кодирующие их синтез, называют в соответствии со следующими рекомендациями:

• в названии цитохрома обязательно указывается корень CYP;
• в названии гена, кодирующего синтез соответствующего цитохрома, также присутствует CYP , но прописанный наклонным шрифтом;
• цитохромы разделены на семейства (обозначаются цифрами), подсемейства (обозначаются буквами) и изоформы (обозначаются цифрами, отражающими номер кодирующего гена).

Например, CYP 2 D 6 относится ко 2-му семейству, подсемейству D , кодируется геном 6. Название же самого гена выглядит как CYP 2 D 6.

Основные цитохромы

Несмотря на разнообразие цитохромов в организме человека, метаболизм лекарственных средств происходит с участием преимущественно ограниченного количества CYP 450. Наиболее распространенными представителями этой группы являются: CYP 1А2, CYP 2С9, CYP 2С19, CYP 2 D 6, CYP 2E1, CYP 3A4.

Эти ферменты катализируют широкий спектр метаболических реакций:

• один цитохром может метаболизировать несколько лекарственных препаратов, имеющих различную химическую структуру;
• один и тот же лекарственный препарат может подвергаться воздействию различных CYP 450 в разных органах и системах человеческого организма.

Двойственность природы цитохромов P450

В большинстве случаев жирорастворимые лекарственные средства и другие химические субстанции трансформируются в водорастворимые метаболиты, которые легче выводятся из организма. Введение гидроксильных групп (благодаря цитохрому Р450) увеличивает полярность молекул и их растворимость, что также способствует их выведению из организма. Почти все ксенобиотики, попадающие в печень, окисляются какой-либо изоформой цитохрома р450.

Однако те же ферменты, катализирующие процессы «очищения», могут активировать инертные химические молекулы до высоко реактивного состояния. Такие молекулы-посредники могут взаимодействовать с белками и ДНК.

Таким образом, воздействие цитохромов р450 может произойти по одному из двух конкурентных путей: метаболической детоксикации либо активации.

Вариабельность действия цитохромов

Для каждого человека характерен свой метаболизм лекарственных веществ, отличающийся от такового других людей. Индивидуальные особенности зависят от генетических факторов, возраста пациента, его пола, состояния здоровья, характера питания, сопутствующей фармакотерапии и т.д.

Генетическая вариабельность лекарственного метаболизма была установлена случайно: стандартные дозы лекарств неожиданно вызывали нестандартные реакции у разных индивидуумов.

Активность ферментов бывает двух (иногда трех) основных видов: интенсивная и слабая (средняя), соответственно метаболизм лекарственных веществ может происходить быстро и медленно.

Цитохромы и метаболизм лекарственных средств

Цитохром CYP 1А2 участвует в метаболизме многих лекарств, включая эуфиллин и кофеин. Активность этого фермента повышается под воздействием химических веществ, попадающих в организм человека во время курения.

Цитохром CYP 2А6 играет важную роль в метаболизме кумарина (непрямой антикоагулянт) и никотина.

Цитохром CYP 2С9 вовлечен в метаболизм фенитоина, толбутамида, варфарина. Если в структуре гена, кодирующего синтез данного цитохрома, изменяется хотя бы одна аминокислота, то нарушается его ферментативная активность. Ферментная недостаточность этого цитохрома обусловливает врожденную предрасположенность к интоксикации фенитоином и к осложнениям в результате терапии варфарином.

Цитохром CYP 2С19 участвует в метаболизме омепразола, диазепама, имипрамина. Однако клиническое значение полиморфизма этого фермента остается спорным. Эффективные дозы многих препаратов, метаболизируемых CYP 2С9, столь далеки от токсических, что потенциальные отклонения в активности цитохрома CYP 2С9 не играют значительной роли.

Цитохром CYP 2 D 6 является примером генотипических различий среди разных этнических групп. В 70-х годах прошлого столетия изучали фармакокинетику антигипертензивного препарата дебризохина и антиаритмика спартеина. Получены следующие результаты: при общей тенденции к сверхбыстрому метаболизму дебризохина, среди лиц европеоидной расы медленный метаболизм наблюдался в 5–10% случаев, среди японцев этот показатель составил менее 1%.

Препараты, метаболизируемые CYP2D6 (b -блокаторы, антиаритмики, психоаналептики, антидепрессанты и наркотические анальгетики), имеют узкий терапевтический индекс, т.е. между дозой, необходимой для достижения лечебного эффекта, и токсической дозой существует небольшая разница. В такой ситуации индивидуальные отклонения в метаболизме лекарств могут сыграть драматическую роль: повышение концентрации последнего до токсического уровня, либо снижение до потери эффективности.

История применения пергексилина (Австралия) ярко продемонстрировала огромное значение полиморфизма CYP2D6. После первого опыта назначений препарат был изъят из арсенала средств для лечения стенокардии вследствие высокой гепато- и нефротоксичности. Но в настоящее время пергексилин опять применяется и признан высокоэффективным средством, поскольку является токсичным только для пациентов со слабым метаболизмом CYP2D6. Безопасность назначения пергексилина обеспечивается предварительным определением индивидуального уровня этого цитохрома.

Цитохром CYP 3А4 предположительно метаболизирует около 60% всех лекарственных веществ. Это основной цитохром печени и кишечника (от общего количества цитохромов он составляет 60%). Активность его может повышаться под влиянием рифампицина, фенобарбитала, макролидов и стероидов.

Ингибирование метаболизма лекарственных средств

Ингибирование метаболизма лекарственных средств является наиболее частой причиной клинически значимого медикаментозного взаимодействия, что приводит к нежелательному повышению концентрации препарата в крови. Чаще всего это происходит, когда два различных лекарства конкурируют между собой за возможность быть связанными с одним ферментом. Лекарство, «проигравшее» в этой конкурентной «борьбе», теряет возможность адекватно метаболизироваться и избыточно накапливается в организме. Отрадно, что существует не так много препаратов, обладающих характеристиками выраженного ингибитора. Характерными ингибиторами являются циметидин, эритромицин, кетоконазол и хинидин. Среди более новых препаратов потенциальными ингибиторными свойствами обладают селективные ингибиторы обратного захвата серотонина и ингибиторы протеаз.

Скорость ингибирования зависит от фармакокинетических свойств «конфликтующих» препаратов. Если и ингибитор, и лекарство-субстрат имеют короткий период полураспада (например, циметидин и ингибитор его метаболизма – теофиллин), взаимодействие окажется максимальным на 2–4-й день. Столько же времени потребуется для прекращения эффекта взаимодействия.

В случае одновременного применения варфарина и амиодарона для прекращения ингибиторного эффекта потребуется 1 мес и более, что связано с длительным периодом полураспада последнего.

Несмотря на то, что ингибирование цитохромопосредованного метаболизма является большой проблемой, в клинической практике иногда создаются условия, позволяющие целенаправленно использовать этот феномен. Антивирусный препарат саквинавир имеет очень низкую биодоступность, что связано с его интенсивным метаболизмом цитохромом CYP 3A4. Биодоступность лекарства при приеме внутрь составляет всего 4%. Одновременное введение родственного препарата ритинавира, подавляющего активность цитохрома, приводит к 50-кратному повышению плазменной концентрации саквинавира, что позволяет достичь терапевтического эффекта.

Индукция метаболизма лекарственных средств

Индукция метаболизма возникает, когда какой-либо препарат стимулирует синтез ферментов, вовлеченных в метаболизм другого лекарства (или уменьшает естественное разрушение этих ферментов).

Наиболее хорошо известным идуктором цитохрома является рифампицин, который повышает уровни CYP 3A4 и CYP 2С в печени, в результате чего интенсифицируется метаболизм целого ряда лекарственных препаратов (таблица).

Вполне обоснованным является предположение, что индукторы цитохромов уменьшают эффективность лекарств-субстратов. Однако существует и другая сторона этого явления. Внезапная отмена лекарства-индуктора (или прекращение воздействия индуктора из окружающей среды) может неожиданно привести к сильному повышению плазменной концентрации препарата, который ранее интенсивно метаболизировался. Примером может служить ситуация, когда курильщики, привыкшие к постоянному употреблению кофе, решают внезапно бросить курить, в результате чего снижается активность CYP 1А2, а в плазме крови повышается концентрация кофеина. Это может усугублять выраженность синдрома отмены: головную боль и возбуждение.

Взаимодействие цитохромов с пищей

В результате исследования, проведенного в 1991 г., было установлено, что один стакан грейпфрутового сока вызывает трехратное повышение плазменного уровня фелодипина. При этом другие соки не вызывали подобного эффекта. Предполагается, что компоненты грейпфрута – флавониды или фуранокоумарин – подавляют метаболизм фелодепина в кишечнике, опосредованного цитохромом CYP 3А4.

Фармакогеномика и ее перспективные направления

Науку, изучающую генетически определенную реакцию организма на лекарственные препараты, с недавнего времени стали называть фармакогеномикой . Развитие этой науки позволит точно предсказывать индивидуальный ответ организма на определенное лечение, а также выявлять пациентов с высоким риском развития токсических реакций.

Таблица. Основные виды цитохромов р450 у человека

Среди многообразия CYP (табл. 8.2, 8.3) основной вклад в общее метаболическое окисление этими ферментами лекарственных средств вносят: 1А2, 2А6, 2В6, 2С9, 2С19, 2D6, 2Е1 и ЗА4 (табл. 8.4).

Цитохром 1А2 локализуется, в основном, в печени. Однако он отсутствует в микросомах печени новорожденных и экспрессируется к 1-3 месяцам жизни. Уже к первому году жизни его количество составляет половину взрослого. В отличие от CYP1A1 эта изоформа окисляет не только ПАУ, но и значительное количество лекарственных средств (табл. 8.5).

Большинство препаратов, представленных в таблице 8.5, являются субстратами и других изоформ CYP. В качестве маркерных субстратов для фенотипирования CYP1A2 используются фенацетин, антипирин и кофеин. Фенацетин в процессе

Субстраты, индукторы и ингибиторы цитохрома 1А2

гидроксилирования превращается в деметилфенацетин, антипирин в 4-оксиантипирин и кофеин в параксантин.

Еще одна особенность CYP1A2 заключается в том, что он катализирует процессы окисления ароматических аминов и ариламидов-реакций характерных только для этой изоформы фермента .

Оценка клиренса кофеина является важным диагностическим тестом определения функционального состояния печени при ее выраженном поражении. В силу того, что главным мета- болизирующим ферментом кофеина является CYP1A2, по сути в этом тесте определяется активность этого фермента.

Как и другие цитохромы семейства 1 CYP1A2 индуцируется ПАУ, а также некоторыми лекарственными препаратами (табл. 8.5) и пищевыми продуктами (брюссельская капуста, сильно прожаренное мясо). Совместное применение субстратов CYP1A2 с его индукторами приводит к увеличению скорости окисления первых, следствием чего является снижение их терапевтической эффективности. Совместное применение субстратов CYP1A2 с его ингибиторами (табл. 8.5) угнетает метаболизм субстратов, следствием этого процесса может быть возникновение побочных эффектов. Например, не рекомендуется применять вместе ципрофлоксацин (ингибитор) и теофил- лин (субстрат), так как при этом концентрация теофиллина в крови повышается в 4-5 раз, что приводит к резкому усилению кардиотоксичности .

Общим свойством цитохромов подсемейства 2А, среди которых CYP2A6 играет наиболее важную роль в метаболизме лекарств, является их способность индуцироваться фенобарбиталом. Цитохром 2А6 экспрессируется, в основном, в печени. Не обнаружено существенных различий в его активностях в печени новорожденных, фетальной печени и печени взрослых. Окисляет фермент небольшое число лекарственных средств: кумарин, циклофосфамид, превращение никотина в котинин . Наряду с цитохромами 1А1, 1А2, 2D6 и 2Е1 CYP2A6 принимает участие в биоактивации компонентов табачного дыма (нитрозаминов), вызывающих рак легких. Вместе с цитохромами 1А1, 1А2, ЗА4 и 2В6 CYP2A6 катализирует процессы биоактивации афлотоксина В.

Практически существует только один ингибитор CYP2A6 - ритонавир.

Цитохром 2В6 также находится, в основном, в печени. Это была первая изоформа гемопротеина, изолированного из организма млекопитающих. Он участвует в метаболизме небольшого числа лекарственных средств (циклофосфамид, тамоксифен). Маркерным субстратом для фермента является S-метени- тоин, который в организме подвергается деметилированию с образованием продукта реакции - деметилмефенитоина. Цитохром 2В6 принимает участие в метаболизме стероидов (тестостерона). В основном же, он катализирует реакции окисления ксенобиотиков (бензпирен, фенантрен, метоксифлуран, б-аминохризен).

Типичными индукторами CYP2B6 являются фенобарбитал и другие барбитураты , а ингибитором - орфенандрин .

Подсемейство цитохромов 2С составляет более 18 % всех CYPb печени. Оно также называется мефенитоин-4-гидрокси- лазой, так как мефенитоин является маркерным субстратом этого подсемейства ферментов.

Цитохром 2С9 отсутствует в фетальной печени и начинает определяться только через месяц после рождения и его активность не меняется на протяжении всей жизни. Он катализирует реакции окисления многих лекарственных препаратов, в том числе и нестероидных противовоспалительных средств (табл. 8.6).

Индуктором CYP2C9 является рифампицин , а специфическим ингибитором - сульфафеназол, ингибирующий окисление субстратов в очень низких концентрациях . Совместное применение лекарств-субстратов CYP2C9 и его ингибиторов приводит к усилению или возникновению побочных эффектов. Так одновременное использование варфарина и сульфаниламидных препаратов приводит к увеличению антикоагулянтного действия.

Цитохром 2С19 катализирует процессы окисления различных по строению и терапевтическому действию лекарственных средств (диазепам, гексобарбитал, имипрамин, мефенотоин, омепразол, пропранолол, ритонавир). Этот фермент принимает участие также в метаболических превращениях противомалярийных препаратов, в частности, прогуанила. Он был предложен в качестве маркерного субстрата CYP2C19, вместо мефитоинового теста. В некоторых случаях для фенотипирова- ния используют и омепразол. Индукторами фермента являются барбитураты и рифампицин, а ингибиторами - омепразол, ритонавир, толбутамид, троглитазон, фелбамат.

Среди минорных ферментов подсемейства цитохромов 2С, вносящих некоторый вклад в окисление лекарств следует отметить CYP2C8. Метаболизирует фермент диазепам, диклофенак, мефобарбитал, толбутамид. Индуцируют фермент фенобарбитал и примидон, а ингибируют омепразол.

Цитохром 2С18 катализирует реакции окисления пирокси- кама, напроксена, пропранолола, омепразола. Ингибирует фермент циметидин.

Цитохром 2D6 начинает определяться в печени вскоре после рождения и в течение жизни его активность не меняется. В печени взрослых особей CYP2D6 составляет около 3 % всех цитохромов Р450, однако метаболизирует он 20 % всех известных препаратов , в том числе нейролептики, антидепрессанты, Р-адреноблокаторы (табл. 8.7).

Ряд лекарственных препаратов ингибируют реакции окисления, катализируемые CYP2D6 (табл. 8.7), однако селективным

считается хинидин . Кроме дебризохина (CYP2D6 часто называют дебризохин-4-гидроксилазой) в качестве маркерного субстрата используют декстрометорфан, который в процессе О-деэтилирования образует декстрофан.

Если большинство цитохромов подсемейства 2D способны индуцироваться фенобарбиталом и клозепином, то для CYP2D6 пока не обнаружено соответствующего индуктора.

Генетический полиморфизм наиболее характерен для CYP2D6 (раздел 10.1).

Подсемейство цитохромов 2Е представлено только одним, хорошо изученным изоэнзимом CYP2E1. Количество этого фермента резко повышается в течение первых часов после

рождения вне зависимости от гестационного возраста. К субстратам CYP2E относятся небольшое число лекарств (галотан, дапсон, изониазид, кофеин, ритонавир, теофиллин, энфлуран), а также ксенобиотики незначительной молекулярной массы (ацетон, бензол, этанол, тетрахлорметан, анилин). Эндогенными субстратами являются жирные кислоты (лауриновая кислота).

Цитохром 2Е1 значительно активнее, чем изоформы других посемейств катализирует образование свободных радикалов. Например, в микросомах печени и в реконструированных системах этот фермент окисляет этанол, пропанол и бутанол до соответствующих радикалов . Он проявляет необычно высокую оксидазную активность, образуя активные формы кислорода, инициируя зависимое от тетрахлорметана и НАДФН перекисное окисление липидов.

Типичными индукторами CYP2E1 являются спирты, ацетон, пиридин. Даже однократное введение крысам или мышам ацетона вызывает быстрый (в течение 6 часов) подъем концентрации белка без существенных изменений в уровне иРНК CYP2E1. Молекулярный механизм такой индукции все еще остается невыясненным. Известно только, что индуцированный ацетоном цитохром печени мышей и хомяков имеет молекулярную массу 52-22 кД и за аминокислотной последовательностью проявляет высокую гомологию к CYP2E печени крыс .

Реакция 6-гидроксилирования хлорзоксазона одна из немногих маркерных реакций, которая используется для оценки активности CYP2E1 у людей. Несмотря на то, что эта изоформа фермента, не единственная участвующая в реакциях окисления хлорзоксазона, все же на ее долю приходится 68 % образования 6-гидроксилхлорзоксазона .

К селективным ингибиторам CYP2E1 относятся диэтилди- тиокарбамат, дисульфарам, диметилсульфоксид, хлорметиазол, оксид азота.

Несмотря на существования значительных индивидуальных различий в активностях CYP2E1 у людей, они однако, не связаны с полиморфизмом гена этого фермента.

Цитохромы подсемейства ЗА составляют 30 % всех цито- хромов печени и 70 % всех цитохромов желудочно-кишечного тракта (раздел 6.5). Цитохром ЗА4 локализован преимущественно в печени и желудочно-кишечном тракте. Он не обнаруживается в фетальной печени, а экспрессируется только к первому месяцу жизни и составляет 30-40 % активности взрослой особи. Эта изоформа окисляет около 60 % всех известных лекарственных препаратов (табл. 8.8).

Субстраты, индукторы и ингибиторы CYP3A4

ных веществ его субстратами могут быть тестостерон, кортизол, прогестерон .

Цитохромы Р450. Структура и функция

Среди ферментов 1-й фазы ведущее место занимает система цитохрома Р450 (P450 или CYP) с точки зрения каталитической активности в отношении огромного числа ксенобиотиков. Наибольшая концентрация цитохрома Р450 обнаруживается в эндоплазматическом ретикулуме гепатоцитов (микросомах). Печеночные микросомальные цитохромы Р450 играют важнейшую роль в определении интенсивности и времени действия чужеродных соединений и ключевую - в детоксикации ксенобиотиков, а также в активации их до токсичных и/или канцерогенных метаболитов. Цитохрома Р450-зависимые монооксигеназы – мультиферментная электрон-транспортная система. Все цитохромы Р450 - гемсодержащие белки. Обычно гемовое железо находится в окисленном состоянии (Fe3+). Восстанавливаясь до состояния Fe2+, цитохром Р450 способен связывать лиганды, такие как кислород или монооксид углерода. Комплекс восстановленного цитохрома Р450 с СО имеет максимум поглощения 450 nм, что и явилось основанием для

названия этих ферментов. Основная реакция, которую катализируют цитохромы Р450 – монооксигеназная, в которой один атом кислорода взаимодействует с субстратом (RH), а другой восстанавливается до Н2О. В качестве восстановителя в реакции участвует НАДФН:

RH (субстрат)+О2 + НАДФH + H+ --> ROH (продукт) + Н2О + НАДФ+

Механизм, благодаря которому цитохром получает электрон от НАДФH, зависит от внутриклеточной локализации цитохрома Р450. В ЭПР, где расположено большинство гемопротеидов, участвующих в биотрансформации ксенобиотиков, электрон передается через флавопротеин, называемый НАДФH-Р450 редуктаза. Одна молекула редуктазы может доставлять электроны на несколько различных молекул Р450. В митохондриях, где расположены итохромы Р450, участвующие в биосинтезе стероидных гормонов и метаболизме витамина D, электрон переносится с помощью 2-х белков: ферродоксина или ферродоксин-редуктазы.

На рис. 1 показан каталитический цикл цитохрома Р450. 1-я часть цикла заключается в активации кислорода, 2-я – в окислении субстрата. Схема действия микросомальной монооксигеназной системы впервые была описана Эстабруком с соавт., в настоящее время она подтверждена многими исследователями. Эта схема такова: первая стадия состоит во взаимодействии субстрата с окисленной формой Р450. При связывании Р450 с субстратами

происходит переход гемового железа из низкоспинового в высокоспиновое состояние. Вторая стадия состоит в восстановлении образовавшегося фермент-субстратного комплекса первым электроном, который поступает с НАДФН-специфичной цепи переноса от НАДФН через

флавопротеид I (НАДФН-цитохром Р450 редуктазу). Третья стадия состоит в образовании тройного комплекса: восстановленный цитохрома Р450-субстрат-кислород. Четвертая стадия

представляет собой восстановление тройного комплекса вторым электроном, который, как

полагают, поступает из НАДН-специфичной цепи переноса электронов, состоящей из НАДН-

цитохром b5 редуктазы или флавопротеида II и цитохрома b5 . Пятая стадия состоит из нескольких процессов, включающих внутримолекулярные превращения восстановленного тройного комплекса и его распад с образованием гидроксилированного продукта и воды. На этой стадии цитохром Р450 переходит в исходную окисленную форму.

Цитохромы Р450 катализируют следующие типы реакций: гидроксилирование алифатического или ароматического атома углерода; эпоксидирование двойной связи;

окисление атома (S, N, I) или N-гидроксилирование; перенос окисленной группы;

разрушение эфирной связи; дегидрогенирование. Некоторые реакции, катализируемые

цитохромом Р450, представлены на рис. 2 и 3. Несколько классов реагентов хорошо

гидроксилируется последний углерод в цепи, так называемое омега- гидроксилирование. Так

же бывает внутреннее гидроксилирование в нескольких позициях (позиции -1,- 2).

Это приводит к множеству различных вариантов продуктов даже с таким простым алканом, как гексан. Заметим, что циклические углеводороды тоже подвергаются гидроксилированию. В реакции гидроксилирования сначала образуется полуацеталь, который потом превращается в спирт и альдегид. При окислении алкенов цитохромом Р450 образуются двуатомные окиси. Они отличаются по своей стабильности и могут являться высоко реакционноспособными. Например, винилхлорид метаболически переходит в окись, которая затем превращается в хлорацетальдегид – мутаген, действующий непосредственно на ДНК. Эти исследования привели к запрету на использование винилхлорида в распылителях. Винильная группа стерина (винилбензол) известна своими канцерогенными свойствами, но организм человека способен нейтрализовать его, переводя окись с помощью фермента эпоксигидролазы в диол. Но эпоксигидролаза помогает не всегда. Например, цитохром Р450 синтезирует эпоксид Афлотоксина В1 in vivо. Это соединение – высоко реакционноспособный электрофил, не стабилен и быстро формирует аддукт с ДНК. К тому же диол, образующийся из эпоксида, так же нестабилен и высоко реакционноспособен. Окисление ароматических соединений цитохромом Р450 так же дает эпоксиды, но они быстро переходят в фенол. В результате гидроксилирования бензола, полученный фенол может опять гидроксилироваться, переходя в катехол или гидрохинон. Заметим, что катехол и гидрохинон могут реагировать с кислородом, подавляя аналогичные реакции с хинонами и супероксидами, которые являются токсинами. Такое известное соединение как 2,3,7,8-тетрахлордибензолдиоксин (ТХДД) не подвержен гидроксилированию и устойчив (период полураспада в организме человека – год и более).

Белки цитохромов Р450 человека - большое семейство из 56 разных ферментов, кодируемых различными генами CYP. Все ферменты Р450 - гемсодержащие белки печени; Fe+2 в геме позволяет им принимать электроны от доноров электронов, например никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), и использовать их для катализирования множества разных реакций, чаще всего - соединение одного из атомов молекулярного кислорода (О2) с атомами углерода, азота или серы.

В случае многих лекарственных средств под действием цитохромов Р450 происходит добавление к молекуле гидроксильной группы. Этот процесс обычно называют I фазой метаболизма лекарств - введение в состав более полярной группы, что обеспечивает легкий доступ к боковой группе. Гидроксильная группа, присоединенная в I фазе, создает точку присоединения к лекарству углеводной или ацетильной группы, что приводит к детоксикации лекарственного средства и значительно облегчает его выделение (фаза II метаболизма лекарства).

Цитохромы Р450 сгруппированы в 20 семейств согласно гомологии аминокислотной последовательности. Три семейства - CYP1, CYP2 и CYP3 содержат ферменты, не специфичные к субстратам и участвующие в метаболизме большого числа чужеродных веществ (ксенобиотиков), включая лекарства. Для фармакогенетики особенно важны конкретно шесть генов (CYP1A1, CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6 и CYP3A4), поскольку кодируемые ими шесть ферментов отвечают за I фазу метаболизма у более 90% всех обычно используемых лекарственных средств.

Только CYP3A4 включен в метаболизм свыше 40% всех лекарств, используемых в клинической медицине. Кроме того, многие гены CYP очень полиморфны, с аллелями, имеющими реальные функциональные последствия для реакции на лекарственную терапию. Аллели CYP могут приводить к отсутствию, уменьшению или повышению активности фермента, влияя на скорость метаболизма многих лекарственных средств. Например, CYP2D6 - первичный цитохром в I фазе метаболизма активен более чем для 70 разных лекарств. Описаны 26 аллелей в гене CYP2D6, влияющие на его активность, понижая, устраняя или повышая ее (блок).

Миссенс-мутации уменьшают активность этих цитохромов; аллели, при которых активность отсутствует полностью, вызваны мутациями сплайсинга или сдвига рамки. В отличие от них, аллель CYP2D6*1XN представляет серию копий числового полиморфизма аллелей, когда ген CYP2D присутствует в трех, четырех и более копий в одной хромосоме. Как и следовало ожидать, копии приводят к высокой активности фермента. Существует больше десятка аллелей, не влияющих на функцию белка и считающихся диким типом. Различные комбинации четырех классов аллелей приводят к количественным различиям метаболической активности, хотя некоторые комбинации встречаются очень редко и недостаточно изучены. Обычно выделяют три основных фенотипа: с нормальным, сниженным и быстрым метаболизмом.

Индивидуумы со сниженным метаболизмом имеют явный риск накопления токсичного уровня лекарств. При быстром метаболизме есть риск недостаточного эффекта при использовании обычных доз, неадекватных для поддержания терапевтического уровня препарата в крови.

Изменения ферментов цитохромов Р450 важны не только для детоксикации лекарственных средств, они также участвуют в активации некоторых препаратов. Например, кодеин - слабый наркотик, оказывающий болеутоляющее действие за счет преобразования в морфин - активный метаболит с 10-кратно повышенным действием.

Преобразование выполняет фермент CYP2D6 . Лица с низким метаболизмом, вызванным утратой активных аллелей в гене CYP2D6, не способны преобразовать кодеин в морфин, поэтому получат небольшую терапевтическую пользу. И, наоборот, для пациентов с повышенной скоростью метаболизма низкие дозы кодеина могут оказаться токсичными.

Случаи медленного и быстрого метаболизма имеют еще одно осложнение, существенное для применения фармакогенетики в персонализированной генетической медицине. Частота многих аллелей цитохромов Р450 различается в разных популяциях. Например, фенотип с медленным метаболизмом CYP2D6 присутствует у 1 из 14 европеоидов, редко встречается у монголоидов и практически отсутствует у американских индейцев и жителей Океании. Аналогичным образом аллели с медленным метаболизмом гена CYP2C19 имеют выраженную этническую изменчивость, составляя 3% у европеоидов и почти 16% у всех монголоидов, имеющих медленный метаболизм.