I Citocromi

I citocromi sono enzimi respiratori contenuti nelle cellule di tutti gli organismi aerobi (vertebrati, invertebrati, batteri aerobi, lieviti, piante superiori).

I citocromi appartengono chimicamente al gruppo delle cromoproteine, essendo formati da una parte proteica e da un raggruppamento di natura porfirinica (gruppo prostetico) contenente ferro; la loro struttura è quindi molto simile a quella dell’emoglobina e della mioglobina. Grazie al gruppo prostetico eme, essi legano l’ossigeno permettendone l’utilizzo nel processo della respirazione cellulare. Veicolando gli elettroni in reazioni di ossidoriduzione nella catena di trasporto, liberano energia che viene immagazzinata con la sintesi di ATP nella fosforilazione ossidativa. Svolgono inoltre altre funzioni metaboliche fondamentali.

L’isolamento e la purificazione dei fermenti citocromici presentano notevoli difficoltà in quanto essi sono saldamente legati alle membrane dei mitocondri e di altre strutture subcellulari. La valutazione della loro attività viene effettuata in base alle caratteristiche dello spettro di assorbimento alla luce visibile e all’ultravioletto. Con lo stesso criterio i citocromi vengono inoltre classificati in diversi gruppi: cit a, cit b, cit c, etc.. in relazione alla loro capacità di trasmettere alcune radiazioni dello spettro visibile che li fanno apparire colorati: i citocromi di tipo a assorbono lunghezze d’onda di circa 600 nm, i citocromi di tipo b di 560 nm circa e quelli di tipo c di circa 550 nm. Per ogni categoria si conoscono alcune sottocategorie come ad esempio a3, b5 e c1; ogni categoria possiede un diverso potenziale redox. Le classi a, b e c sono contenute nei mitocondri, le altre sono proteine integrali di membrana.

A seconda del citocromo considerato il metallo legato ai quattro atomi di azoto degli anelli pirrolici è diverso. Il metallo legato ai quattro atomi di azoto degli anelli pirrolici è

• il ferro nei citocromi b, c₁, c, a₁
• il rame nel citocromo a₃

I citocromi hanno un elevato assorbimento della luce dovuto al gruppo prostetico eme (quattro gruppi pirrolici legati da legami =CH-, ovvero il sistema porfirinico che chelano uno ione Fe²⁺ utilizzando gli atomi di azoto). Nella forma ridotta (Fe²⁺) hanno tre bande di assorbimento della luce visibile che permettono di distinguere tipi molto simili della stessa classe indicando a pedice la loro lunghezza d’assorbimento massima (es. b562).

Esistono altre classificazioni dei citocromi.

La principale funzione dei citocromi è quella di catalizzare, nell’ambito della catena respiratoria, il trasporto di elettroni all’ossigeno molecolare. Tale processo è rappresentato dalla reazione e+++e-⇄Fe++ consistendo quindi nel passaggio reversibile dell’atomo di ferro citocromico dalla forma ossidata alla forma ridotta. Nella frazione mitocondriale delle cellule animali e delle piante superiori, dove la catena respiratoria è stata meglio studiata, esistono almeno cinque differenti citocromi (citocromo b, citocromo c, citocromo c₁, citocromo a, citocromo a₃). Altri citocromi, quali il citocromo b5 e il citocromo P450, sono invece presenti nel reticolo endoplasmatico e hanno funzioni biologiche diverse da quelle dei corrispondenti enzimi mitocondriali. Il citocromo P450 ha per esempio un ruolo di fondamentale importanza nei processi di ossidazione attraverso i quali avviene il metabolismo degli ormoni steroidi (estrogeni, androgeni, progesterone), del colesterolo e di un gran numero di composti chimici estranei all’organismo: farmaci, insetticidi, sostanze cancerogene, ecc. Si ritiene che l’efficienza dei meccanismi di detossicazione ossidativa nell’uomo e negli altri mammiferi sia proporzionale alla concentrazione e all’attività di questo enzima nei tessuti.

La famiglia del citocromo P-450

I citocromi rivestono un importante ruolo nei processi di detossificazione cellulare. Il fegato riceve parte del sangue dall’intestino tramite la vena porta, per cui le cellule epatiche sono esposte alle variazioni di livello delle sostanze nutritive e alla presenza di sostanze tossiche. Queste variazioni inducono un aumento nella sintesi di determinati enzimi. Il reticolo endoplasmatico liscio delle cellule epatiche contiene enzimi che catalizzano una serie di reazioni mediante le quali sostanze o metaboliti, che potrebbero raggiungere livelli tossici, sono resi solubili in acqua per essere escreti dalle cellule stesse.

Le reazioni di detossificazione più studiate sono quelle catalizzate dai citocromi P-450 e P-448, che appartengono a un gruppo di proteine integrali del reticolo endoplasmatico liscio, la cui denominazione deriva dalla capacità di assorbire la luce rispettivamente a 450 e a 448 nm. Il citocromo P-450 si trova, oltre che nei Procarioti, in molti tipi di cellule eucariotiche, e nelle cellule epatiche rappresenta circa il 20% delle proteine totali del reticolo endoplasmatico liscio. Esso svolge l’importante funzione di idrossilare sia sostanze tossiche sia steroidi e acidi grassi, coinvolti nelle normali vie metaboliche di ossidazione. Gli enzimi coinvolti nel processo di detossificazione vengono definiti, per il loro meccanismo di azione, ossidasi a funzione mista. Dopo l’interazione del substrato da ossidare con il citocromo P-450, il NADPH riduce il ferro presente nel gruppo prostetico del citocromo; l’ossigeno interagisce poi con il citocromo e uno dei suoi atomi serve per l’ossidazione del substrato, mentre l’altro viene utilizzato per produrre acqua. In tal modo la sostanza tossica idrossilata diventa più solubile e questo ne facilita l’escrezione.

Il citocromo P-450[1] è una superfamiglia di isoenzimi epatici che, trasferendo elettroni, catalizzano l’ossidazione di molti composti di origine endogena oltre ai farmaci eventualmente assunti (metabolismo di fase I). Gli elettroni vengono forniti dalla NADPH-citocromo P-450 reduttasi che trasferisce elettroni dal nicotinamide adenin dinucleotide fosfato ridotto (NADPH) al citocromo P-450. Questo enzima raggruppa 14 famiglie e 17 sottofamiglie. La sigla di ogni singolo citocromo è formulata a partire dal termine comune CYP seguito da un numero arabo che indica la famiglia, una lettera che indica la sottofamiglia e da un altro numero arabo che indica il gene specifico.

Gli enzimi delle sottofamiglie 1A, 2B, 2C, 2D e 3A sono fondamentali per il metabolismo dei mammiferi; il CYP1A2, il CYP2C9, il CYP2C19, il CYP2D6 e il CYP3A4 sono importanti per il metabolismo umano.

La loro specificità genetica spiega la differente reazione clinica di pazienti diversi che assumono uno stesso farmaco: il soggetto può abbisognare di una dose sensibilmente diversa o addirittura necessitare di un cambiamento di terapia.

Ogni singolo legame enzima-substrato può essere sensibile all’effetto di inibitori o induttori che, rispettivamente, ne diminuiranno o aumenteranno il metabolismo; così si spiegano buona parte degli effetti collaterali dovuti all’assunzione contemporanea di più farmaci. Ad es. i composti aromatici derivati dalla combustione della carne alla brace e dal fumo di sigaretta sono induttori del complesso CYP1A2-paracetamolo o CYP1A2-estradiolo, il CYP2C9-fenitoina e CYP2C9-THC subisce effetto induttore dalla rifampicina, il CYP2C19-omeprazolo e CYP2C19-diazepam subiscono lo stesso effetto con la rifampicina, chinidina e fluoxetina sono inibitori di CYP2D6-nortriptilina, CYP3A4-lovastatina subisce effetto inibitore dal ketoconazolo e induttore dal fenobarbital.

[1] Nell’uomo sono state sinora identificati più di 63 geni codificanti per isoforme del citocromo P450, di cui 57 geni completi e 5 pseudogeni, divisi in 18 famiglie e 43 sottofamiglie, espressi nel fegato e in altri tessuti come il tratto gastrointestinale, i reni, i polmoni, la cute e il sistema nervoso centrale.