Citokromi so družina hemoproteinov sestavljenih iz približno 400 do 500 aminokislin in ene hem prostetične skupine. Prisotni so v vseh tipih celic sesalcev, razen v eritrocitih in celicah skeletnih mišic. Sodelujejo v dihalni verigi na zunanji membrani mitohondrija in katalizirajo oksidacijo strukturno različnih sestavin, najdemo jih tudi v enoceličarjih.
Substrati za ta encimski sistem so endogeno sintetizirane sestavine (steroide, maščobne kisline; tudi prostaglandine in levkotriene) in eksogene sestavine (zdravila, hranilne aditive, ki pridejo v telo preko hrane, injekcij, vdihavanja zraka in absorpcije kože, industrijske stranske produkte).
Sistem citokromov P450 ima v medicini velik vpliv na:
 Aktivacijo/inaktivacjo terapevtskih agensov
 Pretvorbo kemikalij v močno reaktivne molekule (te lahko povzročijo celično smrt ali mutacije)
 Sintezo steroidnih hormonov
 Presnovo maščobnih kislin in derivatov.
NOMENKLATURA IN REAKCIJE:
Citokrome P450 prepoznamo s pomočjo njihovega absorpcijskega maksimuma. Z dodajanjem reducirajočega agenta in vpihavanjem ogljikovega monoksida, se ta veže na reduciran hemoprotein, ki najmočneje absorbira pri valovni dolžini 450 nm.
Različne oblike citokromov P450 so razvrščene glede na njihovo medsebojno podobnost v različne genetske družine in poddružine. Vsak citokrom v nomenklaturi tako dobi arabsko število, ki določa njegovo družino, sledi velika črka, ki označuje poddružino ter spet število, ki določa posamezno obliko P450. Tako ima citokrom oznako npr.CYP1A2, pri čemer CY označuje, da je citokrom P pa pride od P450.Pripadniki iste družine so si podobni v 40 aminokislinskega zaporedja, člani iste poddružine pa vsaj v 55.
Osnovna reakcija, katalizirana s pomočjo encimov citokromov P450:

NADPH + H+ + O2 +SH → NADP+ +H2O +SOH

Substrat (S) je lahko steroid, zdravilo, maščobna kislina ali katerakoli druga kemična spojina, ki ima alkan, alken, aromatičen ali heterocikličen obroč, na katerem lahko pride do oksigenacije. Reakcija se imenuje monooksigenacija, encim pa monooksigenaza, saj se samo en kisik združi s substratom.
V celicah sesalcev citokromi P450 služijo kot končni akceptorji elektronov v »transportnih sistemih elektronov«, ki so prisotni ali v ER ali v notranji membrani mitohondrijev. Na prostetično skupino citokromov P450 (Fe –porfirin) se veže kisik, nastali hemoprotein pa vsebuje vezavna mesta za substrat. Hemo protein je vezan na štiri pirolove dušike. Železo v hemu je lahko v visokem ali nizkem spinskem stanju. Da hidroksilacija (monooksigenacija) poteče, se mora Fe-ion reducirati iz Fe3+ na Fe2+. Ko se citokrom poveže s substratom se spremeni konfiguracija in redoks potencial se zniža za približno 100mV, kar pospeši oddajanje elektronov citokromu od NADPH. Redukcija citokromov P450 z elektroni NADPH poteka preko flavoproteinskega encima.
Za celotno reakcijo sta potrebna 2e-, ki se dovajata posamezno: prvi omogoča vezavo kisika na kompleks železo+substrat, drugi pa razcep molekule kisika (ta proizvede aktivno obliko kisika, ki se veže na substrat).



Citokromi P450: RAZLIČNE OBLIKE:
NADPH-citokrom reduktaze
Veliko različnih oblik citokromov P450 je nastalo zaradi genske podvojitve zadnjih 5-50 milijonov let in selektivnih vplivov okolja ter izpostavljenosti le-tem. S pomočjo raziskovanja rodovnikov so ugotovili, da so prvotni citokromi P450 presnavljali holesterol in aminokisline. Tako so lahko imeli vlogo pri vzdrževanju integritete membrane v prvotnih evkariontih.
Specifičnost membran
Do leta 1990 so odkrili že preko 300 genov za citokrome P450, vendar ostajajo še nekatere genske družine, ki še niso bile raziskane. Eden od načinov karakterizacije encimov citokromov P450 je določanje specifičnosti substrata. Ta metoda je v večini primerov uspešna, vendar pa je zaradi podobne molske mase in drugih molekulskih značilnosti težko razločevati med posameznimi citokromi P450 znotraj istega organa ali organela.
Specifičnost substrata citokroma P450 lahko določamo z izločanjem cDNA določenega proteina v ustreznem celičnem izraznem sistemu, v katerem ta določen citokrom P450 ni vedno izražen. S poznavanjem zaporedja nukleotidov izraženih genov naj bi poznali tudi vir encimske aktivnosti, izražene v teh celicah.

INDUKCIJA CITOKROMOV P450
Genski produkti, ki zvišajo svojo koncentracijo pod določenimi pogoji v celici so induktibilni in proces zvišanega izražanja gena je indukcija.
Indukcija citokroma je lahko na transkripcijski ali postranskripcijski (vsebuje tudi stabilizacijo mRNA) ravni, načina indukcije pa ni možno napovedati s pomočjo indukcijske komponente.
Primer kompleksne indukcije je indukcija citokroma CYP2E1 pri podgani kot rezultat zdravljenja z majhnimi organskimi molekulami (etanol, aceton, pirazol), med postenjem ali diabetičnim stanjem. Po dodatku teh sestavin nastanejo večje količine CYP2E1 proteina, raven mRNA pa se ne spremeni. Pri diabetičnih podganah šestkratna indukcija CYP2E1proteina povzroči desetkratno porast mRNA (kadar ne gre za porast genetske transkripcije), kar pomeni stabilizacijo mRNA.
Pri analizi prokariontske encimske aktivnosti je možno določiti, katero specifično zaporedje nukleotidov DNA ima vlogo pri regulaciji teh genov. Ta nukleotidna zaporedja imenujemo ksenobiotični regulatorni elementi, XRE-ji.
Poznan induktor gena za citokrom P450 je fenobarbital, ki povečuje hitrost transkripcije določenih oblik citokroma P450. Prepoznali so specifičen odgovorni element DNA, ki je pomemben za fenobarbital-vezano indukcijo. Mehanizmi, s katerimi fenobarbital povečuje hitrost transkripsije, še niso znani, intracelularni prenašalec (messenger adenozin 2,3-ciklični monofosfat ali cAMP) pa je negativen modifikator, ki potlači fenobarbital vezano izražanje gena za citokrom P450. Višja raven cAMP v podganjih hepatocitih naj bi z aktivacijo proteina kinaza A preprečila indukcijo citokromov CYP2B in CYP3A1 s fenobarbitalom.
KLINIČNA ZANIMIVOST:
Indukcija citokroma P450 lahko spremeni učinke zdravil, saj pospešena hidroksilacija inaktivira ali pospeši izločanje zdravila, povzroči pa lahko tudi stranske učinke, zaradi povečane tvorbe toksičnih metabolitov, ki lahko povzročajo poškodbe na celici. Tako je povečano izločanje oralnih kontraceptivov posledica rifampicina, protituberkoloznega zdravila in hkrati inducenta CYP3A4, kar zviša rizik za nosečnost ženskam, ki jemljejo oboje. Zgodili so se tudi smrtni primeri pacientov, ki so hkrati jemali fenobarbital, sedativ in inducent citokroma P450, in varfarin, antikoagulant za paciente s problemi strjevanja. Za ohranitev učinkovitosti varfarina je potrebna večja koncentracija, saj je varfarin hkrati tudi substrat za citokrom P450. Po odstranitvi fenobarbitala iz terapije je treba prilagoditi tudi koncentracijo varfarina, da ne bi prišlo do nepotrebnih krvavitev.
Tudi indukcija citokroma CYP2E1 zaradi alkohola (alkoholizma) lahko povzroči poškodbo jeter v kombinaciji z običajnim analgetikom.

POLIMORFIZEM: Poleg izpostavljenosti različnim induktivnim agensom, se citokromi P450 med seboj razlikujejo še v hitrosti presnove določenega zdravila zaradi njihove različne genetske zasnove. V dani populaciji lahko obstajajo različne oblike gena za citokrom P450, kar spremeni funkcionalno aktivnost komplementa citokroma P450. Pojav imenujemo genetski polimorfizem. Lahko je prisoten pri majhnemu deležu populacije, posameznik pa zaradi tega npr. ne more dovolj zadostno presnavljati določenega zdravila; v telesu zato ostane znatno višja raven tega zdravila. Zaradi prevelike doze zdravila in pod pogojem, da je preostala oblika zdravila farmakološko aktivna, lahko pride do zastrupitve.
KLINIČNA ZANIMIVOST: Rezultat genetskega polimorfizma je nefunkcionalnost citokroma P450 ali nižja vsebnost encimov, kar lahko povzroči neželene stranske učinke ali odsotnost terapevtskega učinka. Pri različnih populacijah so odkrili prevelik učinek v primeru zdravil proti visokemu pritisku in tudi neučinkovitost kodeina kot pomirjevalo, saj se ne spreminja v morfij kot običajno.
INHIBITORJI CITOKROMOV P450
Inhibicija se uporablja za prepoznavanje metabolične vloge encimov citokromov P450 v organih, v katerih delujejo. Nekaj inhibitorjev je bilo uporabljenih za prikaz, da so citokromi P450 vključeni v različne metabolne poti. Citokrome P450 lahko v večini tkiv zaznamo z reduciranim ogljikomonoksidnim diferencialnim spektrom. CO se veže na železo (hem) namesto kisika, saj ima močnejšo vezavno afiniteto, in tako močno inhibira funkcijo citokroma. Identifikacijo citokroma so potem dokazali pri katalizi določenega substrata v metabolični poti s pomočjo absorpcijskega maksimuma pri valovni dolžini 450 nm. To je bilo prvič dokazano za steroide kot substrate za mitohondrijske citokrome P450 nadledvične žleze.
Ta vrsta inhibicije je nespecifična in je karakteristična za večino citokromov P450, ne razlikuje pa med posameznimi oblikami.
Za določanje vloge specifičnih citokromov P450 pri presnovi potrebujemo bolj specifične inhibitorje. Za večino citokromov P450 so sicer že razvili poliklonalna in monoklonalna protitelesa, ne moremo pa trditi, da je zaradi inhibicije določene reakcije izražena ena sama oblika citokroma P450. Zaradi močne strukturne homolognosti različnih oblik, se lahko pojavi mešana reaktivnost citokromov P450. To se dogaja še posebej pri citokromih iz iste družine, ki sodelujejo pri imunskih reakcijah.
Razvili so tudi mehanske inhibitorje ali samomorilne substrate, ki so zelo podobni substratom posameznih citokromov P450 (in so zato postali specifični za določen citokrom P450), med katalizo pa z encimsko prostetično skupino ali proteinom tvorijo ireverzibilni inhibicijski produkt. To lahko postane način za izdelavo zdravil.