细胞色素P450同工酶
细胞色素P450同工酶是血红蛋白超级家族，它是内质网膜上混合功能氧化酶系统的末端氧化酶。称呼这些为同工酶是由于其与一氧化碳结合和还原时，分光光度法测得的吸收峰在450nm附近。P450同工酶认为已存在了350万年，在细菌、真菌及动植物中均可发现其存在。现在已清楚认为人类细胞色素酶参与外源性物质（如药物、酒精、抗氧化剂、有机溶剂、麻醉药、染料、环境污染物质、化学制品）的代谢，所产生的代谢产物可能有毒性或致癌性。它们在氧化、过氧化和还原内源性生理化合物，如甾体、胆汁酸、脂肪酸、前列腺素、生物源性氨类和retinoids等代谢起重要作用。最近除了研究细胞色素同工酶参与代谢以外，还揭示了其新的生理及病理作用。
分类
早期研究证实细胞色素P450有多种类型，但并不知道不同物种和组织有相似的同功异构体。研究人员根据同工酶的光谱特性、电泳泳动度或其底物将其分别命名。随着人们认识氨基酸顺序的迅速进展，Nehert及其同事在常见氨基酸顺序的基础上提出了通用的系统命名法，后被广泛接受。其将同工酶及基因分为家族和亚家族，以"CYP"为词首来命名所有物种的细胞色素P450同工酶（除果蝇及鼠基因用'Cyp'外）。在该系统中，所有来源的细胞色素P450蛋白的氨基酸若有40%以上的同一性，则归于同一家族，并以阿拉伯数字来标示。亚家族酶由氨基酸顺序有55％以上相似的酶组成，以大写字母标示，字母后面的阿拉伯数字表示不同的酶，与酶相关的基因则用斜体字表示。比如，CYP2家族有几个亚家族，诸如CYP2C、CYP2D、CYP2E。数字代表不同的酶，如CYP2D6，基因则用CYP2D6表示。不论其来源或催化活性为何，这种命名法的优点是很易识别结构一致或高度相似的细胞色素P450S。
有列表报道481个P450基因和22个假基因（截止到1995年10月）。描述了74个基因家族，在人类曾报道有14个基因家族，并曾发现人类基因组内有20个亚家族。
生物化学
每个细胞色素P450同工酶由一个蛋白质及一个血红素基弥补部分组成。细胞色素P450酶系统催化内源性和外源性化合物的代谢。内源性和外源性底物的生物转化使这些化合物具有亲水性或极性，然后才能被排泄。反应分为1相反应和2相反应。在1相反应中，细胞色素P450酶介导氧化或去甲基化。来源于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸还原型的电子转移反应后，血红素弥补基与氧结合，这一反应给底物加入一分子氧。细胞色素P450催化的典型单氧化反应可归纳如下：
NADPH+H++O2+RH=NADP++H2O+R-OH
R表示底物，如甾体、脂肪酸或带有烯烃、烷烃、芳香环或杂环取代基的化合物，常作为氧化作用的位点。药物代谢性细胞色素P450S具有独特的底物特异性，但常有重叠。细胞色素P450S的另一特点是在催化活性及调节上有大量物种内及物种间的变异性。一种药物代谢涉及到一种以上的细胞色素P450同工酶。
细胞色素P450系统可催化很多反应，包括环氧化反应，N-去烷基化，O-去烷基化，S-氧化及脂肪族和芳香族残基的羟化反应。氧化反应可使化合物激活或失活。和所有的酶一样，细胞色素P450同工酶呈饱和Michaelos-Meuten动力学，其活性需要辅助因子，并可被诱导或抑制。多环碳氢化合物可诱导CYP1A酶，苯巴比酮可诱导CYP2B，糖皮质激素可诱导CYP3A，乙醇可诱导CYP2E及安妥明可诱导CYP4A。
许多机制可抑制细胞色素P450酶，如对细胞色素P450酶底物的单纯竞争（奎尼丁，sulpaphenazole）,化合物与血红素结合（西米替丁），化合物的氧化产物与血红素结合（醋竹桃霉素）以及直接的不可逆性失活（双硫仑）。
药物如速可眠（Secobarbitone）,环磷酰胺（cydophosphamide）及氯霉素（chloramphenicol）被氧化成代谢产物，并与酶不可逆结合，有些药物代谢产物对细胞色素P450的还原型（亚铁）有高亲和力，因而不会进一步氧化，认为红霉素（erythromycin）抑制CYP3A即此之故，因而可引起阿芬太尼茶碱及华法令的代谢减退。
药物通过与细胞色素P450酶可逆性的互作用而产生相互作用。氟喹酮类抗生素（环丙沙星）可通过此机制抑制CYP3A4对咪哒唑仑的去甲基作用。西米替丁对氧化的非选择性抑制作用是通过咪唑（imidazole）核的一个氮原子与细胞色素P450血红素铁的直接相互作用实现的。被西米替丁影响消除的药物包括华法令、安定、苯妥英和propanolol 。其他含咪唑基的药物如酮康唑对细胞色素P450酶可能有潜在的抑制作用。雷尼替丁含有呋喃环而不是咪唑环，对细胞色素P450酶无抑制作用。
人微粒体的制备显示可直接刺激细胞色素P450的催化作用。食物中的化学物质如黄曲毒霉素B1，一种致肝癌物质，可有类似的刺激作用。食谱中的化学物质可通过多种机制，如改变基因转录的速度、mRNA的降解或翻译的过程来影响细胞色素P450酶的浓度。禁食可诱导CYP2E1酶。一般而言，维生素缺乏则降低细胞色素P450的活性。
分布
现已清楚细胞色素P450系统和肝脏代谢有关。CYP1，2，3家族约占总肝P450含量的70%，并负责大多数药物的代谢。根据它们在肝脏的表达，CYP3A约占总肝P450的30%，CYP2约占20%，CYP1A2占13%，CYP2E1占7%，CYP2A6占4%，CYP2D6占2%。在大量的组织内，包括小肠、胰、脑、肺、肾上腺、肾、骨髓、肥大细胞、皮肤、卵巢及睾丸均发现有其他的肝细胞色素P450。
整个肠道粘膜内，细胞色素P450同工酶存在有不同的数量。CYP3A4存在于小肠粘膜，CYP1A1存在于十二指肠。十二指肠及空肠有少量的CYP2D6及CYP2C8-10。非那西丁和氟西泮（flurasepam）系经肠道细胞色素P450酶代谢。
整个脑内均发现有细胞色素P450同工酶，且脑干及小脑的浓度很高，认为在调节皮质酮和孕酮的浓度非常重要。皮质酮和孕酮在应激、妊娠及月经周期中性情变化、睡与醒周期中有一定的作用。
近端肾小管腔内的微绒毛状缘及肾髓质也发现有细胞色素P450同工酶。它们可能催化肾内花生四稀酸导致产生成二十烷类物质，后者有血管活性，并可影响铁离子的转运，然后影响调控液体容量和成分的生理机制。肺泡II型细胞也发现细胞色素P450同工酶，但酶的总量相对较少，因此对代谢的作用不大。脂肪细胞内含有高浓度CYP19酶，认为在老年人雌激素的合成中可能起重要作用。
遗传学
遗传多态性是一种孟德尔遗传特性，正常群体中至少存在两种表型，每一种的频率均不低于1%。弱或慢代谢者具有纯合的常染色体隐性等位基因（常为突变的等位基因）而强或快代谢者具有杂合的或纯合的显性等位基因。一些细胞色素P450同工酶与遗传多态性有关。最为人知的多态性同工酶是CYP2D6即异喹胍羟化酶。CYP2D6基因位于第22染色体，该基因的突变会导致酶的亲和力减少或降低。5-10%的高加索人或0.9%的亚洲人的异喹胍和CYP2D6其它底物的代谢率明显降低。除了弱和强代谢者，现在还发现一组称为超快速代谢者。这组与活性极高的从基因放大而来的CYP2D6有关。
CYP2C19酶首先于S-美芬妥英（s-mephenytoin）的羟化中认识，也与遗传多态性有关。S-美芬妥英慢代谢在高加索人为2-5%，日本人为20%，非洲的美洲人为19%，非洲人为8%。
CYP2E1酶也示有遗传多态性，可影响人细胞色素基因CYP2E1 51-侧面区，（含DNA的非编码基因区，与蛋白质相互作用以促进或抑制转录）。它含有一些多态性长度限制性碎片，可影响转录或蛋白质表达的功能活性，并与酒精性肝病、吸烟引起的肝、肺癌的发展有关。
药物代谢遗传多态性的临床重要性取决于药物的活性是依赖于底物还是代谢物，以及影响药物总的消除通路的程度。异喹胍的抗高血压作用存在于药物自身而其消除取决于通路。因此，正常剂量下，弱代谢个体就有更大的可能出现明显的和长期的副作用。相反，可待因的镇痛活性是因为被CYP2D6（异喹胍羟化酶）脱甲基后形成吗啡所致。弱代谢者其镇痛效能就较低。另外，涉及代谢酶抑制或诱导的药物相互作用程度受遗传因素的影响且可以预测。奎尼丁是异喹胍羟化酶的强效抑制剂，它可使正常有效代谢变为表型的弱代谢者，从而增加潜在的副作用，有人建议在口服治疗指数窄的药物前，对病人的特定代谢路径进行表型研究。表型以给予单一剂量的标志物后药物及其代谢物在尿内浓度比率为基础的。金雀花碱（sparteine）、异喹胍(debrisoquine)及右美沙芬(dextromethorphan)均可作为CYP2D6多态性的标志物。其它标志物有CYP1A2 的咖啡因，CYP3A4的利多卡因。代谢表型的应用不广泛，主要因为其昂贵，不方便以及特异性及敏感性均较低。用多聚酶链反应对外周淋巴细胞的DNA分析所进行的基因型研究可直接预测代谢表型。目前，DNA检验可预测出95%的健康志愿者有CYP2D6表型。
生理作用
过去的几年来已明白细胞色素P450酶参与某些内源性化合物，如甾体类激素、胆固醇及脂肪酸的生物合成和/或降解。
最近的研究提示细胞色素P450酶在脑内有一定的生理作用，如经花生四稀酸代谢物的信号传导，可能参与下丘脑及垂体释放肽类激素；通过花生四稀酸代谢物调节脑血管张力；调节脑内的孕酮及皮质类固醇，此两种物质被认为通过与GABA受体的相互作用影响情绪和觉醒状态；控制细胞内胆固醇浓度，可影响低密度脂蛋白受体及参与胆固醇合成的酶的转录。曾提出CYP2D6酶调节神经递质，如多巴胺及5－羟色胺的代谢和过程，因此可能在决定个体的精神状态及个性中有一定的作用。
CYP11A、CYP11B、CYP17、CYP19和CYP21酶可影响肾上腺及性腺中类固醇的产生。肾上腺类固醇（皮质醇及醛固酮）对于维持电解质及糖的平衡很重要，而性腺类固醇（脱氢雄甾酮及雄稀二酮）则负责生殖功能和性征差异。CYP19在性腺、脑、胎盘及脂肪组织合成雌激素起着重要作用。
细胞色素P450系统在花生四稀酸代谢中起着重要作用，在此领域已进一步加强研究。来源于细胞色素P450酶（1A1、1A2、2B1、2B2、2C11）调节路径的代谢物，对于决定膜的离子通透性、酶的活性以及膜的更新可能起重要作用。在肾，肾细胞色素P450酶产生的花生四稀酸代谢产物可增强Na+ K+ATP酶及Na+K+2Cl-的共同转运，从而产生利尿及利钠作用。这些代谢物均显示有血管收缩及舒张活性。从这些作用推论，细胞色素P450系统在整合体液容量及成分以及血压的调节中起重要作用。盐负荷可诱导肾CYP2C异构体，增加花生四稀酸代谢物，从而抑制近端和远端曲小管Na+的重吸收，提示对盐的摄取增加有适应作用。
在肝脏，CYP7、17、19、21和27参与胆汁酸及内源性类固醇的生物合成，从胆固醇合成胆汁酸可有二条路径。一条由肝内CYP7（胆固醇7-α羟化酶）启动，另一条则是由广泛分布的微粒体酶CYP27（固醇27－羟化酶）启动，主要是在血管内皮细胞。人的CYP2C8酶似负责视黄醇及视黄酸（Retinoic acid）的代谢。
药理作用
肝脏的细胞色素P450系统在药物的代谢中起着重要作用，它将药物由疏水型转化为更易排泄的亲水型。生物转化反应一般可分为细胞色素P450依赖的I相和II相结合反应。最近几年内已清楚药物的肝外代谢对体内药物总的降解起一定的作用。胃肠道内的生物转化是非常重要的，因为它可降低口服药物的生物利用度。遗传多态性、酶抑制、酶诱导及生理因素均可引起细胞色素P450活性的改变。这有一定的临床含意，因为这会引起药物药代动力学的改变，导致药物效能改变，因代谢减少或毒性代谢物生成增多而增加药物毒性，以及导致药物的相互作用。
CYP1A家族
CYP1A家族以两个基因为特性，主要参与多环芳香族化合物及芳香胺的代谢。肝及肝外组织，如肺，发现有低浓度的CYP1A1（芳基族碳氢化合物羟化酶），可被多环碳氢化合物诱导。肝内诱导机制已被广泛研究。诱导剂弥散入肝细胞，然后与载体蛋白受体结合。载体蛋白复合物进入核内与DNA结合后，促进mRNA的转录，后者离开核并促进粗面内质网生成细胞色素酶。一氧化氮（NO）可与细胞色素P450酶的催化型血红素部分结合。体外研究用V79中国仓鼠细胞（可稳定表达人CYPIA1和CYP1A2酶）表明CYP1A1对NO的抑制作用较为敏感。
CYP１A2（芳香胺氧化作用）对于咖啡因、茶碱中甲基黄嘌呤的去甲基，萘普生（naproxen）的O-去甲基，他克林（tacrine）, 罗比卡因（Ropiv acaine） (形成3-OH ropivacaine)。R－华法林(warfarin)和咖啡因的羟化，非那西汀(phenacetin)的去烷基化和三环类抗抑郁药的去甲基化较重要。吸烟、charlroiled肉、苯妥英、苯巴比酮和奥美拉唑(omeprazole)可诱导该酶。喹诺酮类抗生素，如环丙沙星的4－氧－羧酸部分与酶的结合可抑制CYP1A2。一种选择性的5－羟色胺再吸收抑制剂Fluvoxamine也可抑制CYP１A2。
CYP2家族
这是一个大家族，包括2A、2B、2C、2D、2E亚家族。对人2A亚家族的研究尚不多。2A6是一种重要的肝酶，可羟化香豆素类化合物。2B亚家族对人肝脏药物代谢的作用较为有限。
CYP2C亚家族酶可使安定、三环类抗抑郁药（阿米替林、丙米嗪）去甲基，还可氧化奥美拉唑。2C9的底物是苯妥英、甲苯磺丁脲（tolbutamine）和双氯芬酸(diclofenec)。2C10酶参与甲苯磺丁脲和环已巴比妥的羟化。苯磺唑酮(sulfinpyrazone)和硫苯拉唑(sulfaphenaxole)可抑制这两种酶。2C19参与环已巴比妥、安定和S-美芬妥英(S-mephenytoin)的代谢。
对2D6酶（异喹胍(debrisoquine)羟化酶）的研究很多，它参与大量药物的代谢，如异喹胍、三环类抗抑郁药、选择性5－羟色胺再摄取抑制剂（除外fluvoxamine）、镇痛药(可待因、右美沙芬(dextromethorphan）)、抗心律失常药（金雀花碱（sparteine）、恩卡尼encainiide、氟卡龙flecanide）、β－阻滞剂（美托洛尔metoprolol）和ondansetron。CYP2D6酶的活性呈双峰分布，提示人群中显性和隐性等位基因的存在。药物对同工酶无诱导作用。奎尼丁和选择性5－羟色胺再摄取抑制剂可与该酶紧密结合并产生抑制作用。口服由CYP2D6代谢的药物的病人，可被奎尼丁有效的变为弱代谢者。选择性5－羟色胺，如paroxetine 和fluoxetine是强效竞争性、可逆性抑制剂，而sertraline和fluvoxamine的作用程度则较低。
CYP2E亚家族仅包括一个基因，是毒理学中一个重要的酶。CYP2E1（二甲基亚硝胺、N－去甲基酶），负责许多挥发性麻醉药（如七氟醚、安氟醚、甲氧氟烷、异氟醚、乙醚、三氯乙烯和氯仿、乙醇及芳香类化合物，如苯、扑热息痛及亚硝基二甲胺）的代谢。异烟肼和乙醇可诱导CYP2E1，并为戒酒硫（Disulfiram）所抑制，慢性乙醇消耗（因CY2E1诱导的结果）可增加苯巴比妥、甲苯磺丁脲、propanolol 和利福平的代谢率。相反，急性酗酒可竞争性的抑制2E1，从而降低苯二氮卓类、吩噻嗪类、巴比妥类、吗啡和华法林的代谢。
CYP3家族
CYP3家族参与大量内源性和外源性化合物的代谢，可被类固醇、大环内酯类（macrolide）抗生素、抗真菌药和苯巴比妥所诱导。可为3A亚家族所代谢的内源性化合物包括孕酮、oestradil 、皮质醇、睾丸酮和雄稀二酮。这些酶代谢的外源性化合物包括红霉素、利多卡因、咪哒唑仑、阿芬太尼、环孢霉素（cyclosporine）和二氢嘧啶（尼非地平）。这些底物的主要代谢途径包括氧化、去烷基化、硝基还原和羟化。这些酶约占肝内P450含量的30％，肠壁P450含量的70％。人的这个亚家族受CYP3A3、3A4、3A5、3A7四个基因控制。CYP3A4是肝内最常见最丰富的细胞色素亚家族。CYP3A4是人体中芬太尼氧化为非芬太尼的主要催化剂，在鼠则为3A1／2。尽管CYP1A2催化罗比卡因（ropivacaine）代谢至3－OH ropivacaine 。但在体内主要代谢物（4－OH ropivacaine , 2-OH ropivacaine和2－6－pipecoloxylidide ），由CYP3A4催化。CYP3A4也负责肝内将利多卡因代谢为inono ethylglycinexylide。咪哒唑仑显著的首过氧化作用是由小肠粘膜的CYP3A4代谢产生的。CYP3A7仅发现于胎儿肝内。利福平是CYP3A酶最有力的诱导剂，其它CYP3A的诱导剂还有苯巴比妥和苯妥英。酮康唑、醋竹桃霉素、红霉素、西咪替丁、葡萄汁可抑制CYP3A酶。关于CYP3A遗传多态性的可能性尚未确认。
特异性麻醉药物
CYP3A4酶参与多种麻醉药物的代谢：如阿片类（芬太尼、苏芬太尼、阿芬太尼、右美沙芬）、苯二氮卓类（咪哒唑仑、安定）、和局麻药（利多卡因、罗比卡因）。因而这些麻醉药清除率个体间变异可能是由于CYP3A4表达的差异和CYP3A4相关药物的相互作用。最近研究报道诱导时联合给予芬太尼可使咪哒唑仑的清除半衰期延长50％，清除减少30％，可能是引起CYP3A活性的竞争性抑制所致。异丙酚可通过抑制CYP2B1和CYPIA1而干扰阿芬太尼和苏芬太尼的代谢。异丙酚与酶的血红素部分结合对CYP2B1和CYPIA1的抑制呈浓度依赖性。由于异丙酚分子太大不能与酶的活性部位有效结合，因此其抑制CYP2E1的作用是有限的。因此异丙酚可改变联合用药，如阿芬太尼、苏芬太尼的代谢，但它不能有效抑制由CYP2E1参与的挥发性药物（安氟醚、七氟醚、和甲氧氟烷）的代谢。
细胞色素P450酶可代谢挥发性氟类麻醉药（安氟醚、七氟醚、异氟醚、和甲氧氟烷）。CYP2E1是肝内三氯乙烯、氟烷、安氟醚、七氟醚代谢的重要酶。约5％的七氟醚可很快代谢为氟化物和hexafluoro isopropanol (HFIP)，再被糖醛酸化后经尿排泄。不过除了肝CYP2E1，其它P450酶如CYP1A2、2C及2D6也参与甲氧氟烷的代谢，七氟醚和甲氧氟烷经人肾微粒体脱氟生成的氟离子数量取决于时间、麻醉药浓度和NADPH浓度。肾CYP2E1、2A6及3A对于肾代谢甲氧氟烷和七氟醚有一定关系。肾内甲氧氟烷脱氟的速率比七氟醚快3－10倍，然后生成氟离子，并增加肾内氟化物的浓度和产生潜在肾毒性，肾细胞色素同工酶代谢的七氟醚较少。使得肾内氟化物的浓度较低，血浆氟离子的浓度并不能用于预测所有卤代类吸入麻醉药的肾毒性。
最近的实验表明CYP2E1主要催化氟烷生成三氟乙酰基蛋白。后者与引起氟烷肝炎的靶抗原有关。
妊娠、哺乳及酒精可使脑内细胞色素P450的浓度升高。妊娠可诱导CYP2D6并导致酶的活性增加，酒精可使CYP2C、2E1、4A的浓度增加3－5倍，这提示酒精、甾类麻醉药及其它外源性精神药物可能在脑内代谢。同时也提出脑细胞色素P450在对外源性药物耐受性及神经毒性研究中的作用问题。
CYP1A2和3A4同工酶对酰胺类局麻药于肝内的代谢非常重要。Ropicaaine 代谢时，CYP1A2负责3－OH－ropivacaine 的生成，而CYP3A负责pipecoloxglidide 的生成。CYP3A4可将利多卡因代谢成mono ethylglycinexylide。
有些口服镇痛药可代谢成为活性代谢物。CYP2D6可将曲马多代谢为[(+)-M1]，此代谢产物与u－阿片受体结合产生镇痛作用。CYP2D6也对可待因和氢可酮的镇痛作用很重要通过O-去甲基，两者分别形成了吗啡和氢吗啡酮。但是，这种作用可被美沙酮抑制。更主要的是使用美沙酮治疗滥用吗啡时可引起未能料及的酶底物的药物中毒。
疾病状态中的作用
某些同工酶活性的改变对于癌的形成，肾上腺增生和帕金森氏病有一定意义。吸烟者可增加CYP1A1（芳香族碳氢化合物羟化酶）的活性，更易致发生肺癌。曾被证实个体CYP1A1的遗传差异以致肺癌的危险性增加，含有特异性稀有等位基因纯合子的个体发生疾病的危险性较高。
乳腺癌病人其CYP1B1同工酶增加。因为它参与乳房内雌激素的代谢，提示在雌激素依赖性乳房肿瘤的病因中CYP1B1起一定的作用。
在吸烟者，CYP2D6酶参与激活前致癌物，从而介导致癌作用引起肺癌的发生。CYP2E1可催化苯胺（aniline）氯化碳氢化合物和苯的代谢，引起前致癌物的形成。现提出CYP2E1的遗传多态性对肝癌的发展可能起着重要作用。
神经元细胞内催化反应生成反应性的代谢物可能引起神经毒性导致帕金森氏病。流行病学研究指出异喹呱弱代谢者易较早发生帕金森氏病。CYP21A2遗传编码缺陷，可致21－羟化酶缺乏，约占先天性肾上腺皮质增生患者的90－95％。
尽管最近对于人细胞色素P450酶的认识有很大进步，但仍需一种可靠方法来监测人类细胞色素P450的表达。使预测药物的相互作用和药物的代谢清除成为可能。病人所用药物的治疗指数窄时，可根据表型或基因型来指导用药剂量和减少毒性。个别人的细胞色素P450同工酶呈特殊形式的高表达时，可以筛选确定是否易于发生癌症或毒性。因此，研究人类细胞色素P450对于药物的治疗作用和预防多种疾病（如癌）有一定的效用。