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La principal reacción involucrada en el metabolismo fase 1 es la hidroxilación, catalizada por una familia de enzimas conocidas como monooxigenasas o citocromos P450. Hay al menos 57 genes que codifican para citocromo P450 en el genoma del humano.
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El citocromo P450 es una enzima hem. Se denomina así porque originalmente se descubrió cuando se notó que preparaciones de microsomas (fragmentos del retículo endoplasmático) que habían sido químicamente reducidas y después expuestas a monóxido de carbono, mostraron un máximo de absorción a 450 nm. Un 50% de los fármacos comunes que los humanos ingieren son metabolizados mediante isoformas de citocromo P450. También actúan sobre hormonas esteroides, carcinógenos y contaminantes. Los principales citocromos P450 en el metabolismo de fármacos son miembros de las familias CYP1, CYP2 y CYP3 (véase más adelante). Además de su papel en el metabolismo de xenobióticos, los citocromos P450 son importantes en el metabolismo de varios compuestos fisiológicos (por ejemplo, la síntesis de hormonas esteroides [capítulo 26]) y la conversión de vitamina D en su metabolito activo, calcitriol [capítulo 44]).
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La reacción general catalizada por un citocromo P450 es:
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La función del NADPH es reducir el citocromo P450; el citocromo reducido a continuación reduce el oxígeno a agua y el grupo hidroxilo que es introducido en el sustrato. El mecanismo de la reacciones complejo (figura 12-6). Al usar 18O2, se ha mostrado que un átomo de oxígeno forma el grupo hidroxilo de R–OH y el otro forma agua; este destino doble del oxígeno explica la denominación anterior de las monooxigenasas como “oxidasas de función mixta”.
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Las isoformas del citocromo P450 constituyen una superfamilia de enzimas que contienen hem
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Debido al gran número de isoformas de citocromo P450 que se han descubierto (alrededor de 150) en una amplia gama de organismos, incluso bacterias), es importante tener una nomenclatura sistemática para las enzimas y sus genes. Se basa en la homología de secuencia de aminoácidos de las enzimas. El símbolo raíz abreviado CYP denota un citocromo P450. Esto va seguido por un número arábigo que designa la familia; los citocromos P450 se incluyen en la misma familia si muestran 40% o más de identidad de secuencia de aminoácidos. El número arábigo va seguido por una letra mayúscula que indica la subfamilia; los P450 están en la misma subfamilia si muestran más de 55% de identidad de secuencia. A continuación se asignan números arábigos a los P450 individuales en su subfamilia. De este modo, CYP1A1 denota un citocromo P450 que es un miembro de la familia 1 y la subfamilia A, y es el primer miembro individual de esa subfamilia. La nomenclatura para los genes que codifican para citocromos P450 es la misma, salvo porque se usan letras cursivas; de este modo, el gen que codifica para CYP1A1 es CYP1A1. En el cuadro 47-1 se muestran las familias de citocromo P450 en tejidos humanos y sus principales funciones.
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En mamíferos, los citocromos P450 están presentes en mayor cantidad en células hepáticas y enterocitos, pero es probable que estén presentes en todos los tejidos. En el hígado y en casi todos los otros tejidos, están presentes principalmente en las membranas del retículo endoplasmático liso, que constituye parte de la fracción microsomal cuando el tejido queda sujeto a fraccionamiento subcelular. En microsomas hepáticos, los citocromos P450 pueden comprender hasta 20% de la proteína total. Los P450 se encuentran en casi todos los tejidos, aunque a menudo en cantidades bajas en comparación con el hígado. En la glándula suprarrenal, se encuentran en mitocondrias, así como en el retículo endoplasmático; las diversas hidroxilasas presentes en la glándula están involucradas en la biosíntesis de colesterol y de hormona esteroide. El sistema de citocromo P450 mitocondrial difiere del sistema microsomal en que usa una flavoproteína enlazada a NADPH, la adrenodoxina reductasa, y una proteína hierro-azufre no hem, la adrenodoxina. Además, las isoformas de P450 involucradas en la biosíntesis de esteroides en general están mucho más restringidas en su especificidad de sustrato.
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No sólo hay una amplia variedad de citocromos P450, sino que también tienen especificidades de sustrato que se superponen, de modo que un rango muy amplio de xenobióticos puede metabolizarse por uno u otro de los citocromos P450.
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El NADPH, no el NADH, está involucrado en el mecanismo de reacción del citocromo P450, en una reacción catalizada por NADPH-citocromo P450 reductasa. Los electrones son transferidos del NADPH a la NADPH-citocromo P450 reductasa y después al citocromo P450. Esto lleva a la activación reductiva de oxígeno molecular y un átomo de oxígeno después es insertado en el sustrato. El citocromo b5, otra hemoproteína que se encuentra en las membranas del retículo endoplasmático liso (capítulo 12), puede estar involucrado como un donante de electrón en algunos casos.
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Casi todas las isoformas de citocromo P450 son inducibles, por ejemplo, la administración de fenobarbital u otros fármacos causa hipertrofia del retículo endoplasmático liso, y un incremento de 3 a 4 veces de la cantidad de citocromo P450 en el transcurso de 4 a 5 días. Esto casi siempre comprende transcripción aumentada de mRNA. No obstante, en algunos casos, la inducción comprende estabilización de mRNA o la proteína enzima misma, o un incremento de la traducción de mRNA.
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La inducción de citocromo P450 subyace interacciones farmacológicas, cuando los efectos de un fármaco son alterados por la administración previa, concurrente o posterior de otro. Por ejemplo, el anticoagulante warfarina es metabolizado por el CYP2C9, que es inducido por el fenobarbital. La inducción de CYP2C0 por el fenobarbital aumentará el metabolismo de warfarina, de modo que reducirá su eficacia y se debe aumentar la dosis. Otro ejemplo involucra al CYP2E1, que es inducido por el consumo de etanol; este P450 metaboliza algunos solventes ampliamente usados y compuestos que se encuentran en el humo de tabaco, muchos de los cuales son procarcinógenos establecidos. Si la actividad de CYP2E1 es inducida por etanol, esto puede aumentar el riesgo de carcinogenicidad.
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Compuestos naturales en alimentos también pueden afectar el citocromo P450. La toronja contiene diversas furanocumarinas, que inhiben el citocromo P450 y, así, afectan el metabolismo de muchos fármacos. Algunos fármacos son activados por el citocromo P450, de modo que la toronja reducirá su actividad; otros son desactivados por el citocromo P450, así que la toronja aumenta su actividad. Los fármacos que son afectados comprenden estatinas, omeprazol, antihistamínicos y antidepresivos benzodiazepina.
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El polimorfismo de citocromos P450 puede explicar gran parte de las variaciones de las respuestas a fármacos que se notan entre muchos pacientes (las variantes con actividad catalítica baja llevarán a metabolismo más lento del sustrato y, por ende, a acción prolongada del fármaco, y acumulación de este último en el organismo). Un polimorfismo interesante es el del CYP2A6, que está involucrado en el metabolismo de la nicotina a conitina. Se han identificado tres alelos de CYP2A6: un tipo natural, y dos alelos nulos o inactivos. Se ha reportado que los individuos con los alelos nulos, que tienen metabolismo alterado de la nicotina, al parecer están protegidos contra hacerse fumadores dependientes del tabaco. Estos individuos fuman menos, probablemente porque sus concentraciones de nicotina en la sangre y en el cerebro permanecen altas más tiempo que las de individuos que tienen el alelo natural. Se ha especulado que inhibir el CYP2A6 tal vez proporcione una nueva manera de ayudar al cese del tabaquismo.
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En el cuadro 47-2 se resumen algunas características principales de los citocromos P450.
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