Classe I
La classe I des systèmes P450 comprend la plupart des cytochromes bactériens, ainsi que ceux se trouvant dans les mitochondries eucaryotes. Malgré leur éloignement au niveau phylogénétique, les deux sont composés des trois protéines isolées : une ferrédoxine réductase, comprenant un cofacteur FAD et transférant les électrons provenant d’un nucléotide pyridine (NADPH ou NADH) à une ferrédoxine qui joue alors le rôle de transporteur. Mais tandis que les systèmes bactériens sont totalement solubles, tous les composants des systèmes eucaryotes sont ancrés à la membrane interne de la mitochondrie à l’exception de la ferrédoxine.
Le prototype du système P450 bactérien est le P450cam de Pseudomonas putida dont le cytochrome (CYP101, EC 1.14.15.1) catalyse la première étape de la dégradation du D-camphre afin d’utiliser cette molécule comme source de carbone (Omura, 2010). La flavoprotéine du système, la putidarédoxine réductase, est strictement NADH dépendante de part l’absence des quelques résidus spécifiques de la séquence de fixation du NADPH. La protéine à centre fer-soufre, la putidarédoxine, fait partie des ferrédoxines à cluster [2Fe-2S].
Chez les mammifères, les P450 mitochondriaux prennent en charge la biosynthèse d’hormones stéroïdes dérivées du cholestérol, de la vitamine D, ou encore d’acides biliaires. D’autres P450 mitochondriaux ont également été identifiés chez des insectes et des nématodes, mais ils semblent absents du règne végétal.
Classe II
Les systèmes P450 de classe II sont majoritaires chez les eucaryotes. Ils catalysent des réactions extrêmement diverses. Chez les mammifères, ils sont responsables autant du métabolisme oxydatif de composés endogènes (acides gras, stéroïdes…)
qu’exogènes (médicaments, polluants ou
carcinogènes). Chez les champignons et les plantes, ils prennent part au métabolisme secondaire de composants liposolubles impliqués dans la protection cellulaire.
Ces systèmes monooxygénases de classe II sont ancrés à la membrane du réticulum endoplasmique (RE) et présentent un premier cas de fusion entre deux de leurs composants. Ainsi la totalité du système de transport d’électrons est prise en charge par une unique protéine, la NADPH-cytochrome P450 réductase (CPR) qui réunit deux domaines catalytiques, correspondant à l’oxydoréductase et au transporteur et contenant les
FdR Fdx P450 NADH + H+ NAD+ RH + O2 ROH + H2O A FdR Fdx P450 NADPH + H+ NADP+ RH + O2 ROH + H2O
Membrane mitochondriale interne Matrice
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FdR Fldx P450 NAD(P)H + H+ NAD(P)+ RH + O2 ROH + H2OD
Fdx P450 Pyruvate CO2 RH + O2 ROH + H2O CoA Acetyl-CoA OFOR Ecofacteurs FMN et FAD respectivement. La CPR, et dans certains cas le cyt b5, sont capables de transférer les électrons nécessaires à de nombreux izoenzymes. Une description plus détaillées de ce partenaire rédox est présentée dans le chapitre 4.
A côté de l’abondance de systèmes eucaryotes, un seul système procaryote de classe II a été identifié. Il se compose du P450sca et d’une réductase NADH-dépendante contenant également un FAD et un FMN. Cette monooxygénase soluble catalyse l’hydroxylation d’un inhibiteur sélectif de la biosynthèse du cholestérol.
Classe III
La classe III des systèmes P450, découverte en 2002, est une combinaison des deux classes précédemment présentées. En effet, ces
systèmes ressemblent grandement aux
systèmes bactériens classiques de part leur structure en trois composants distincts dont une oxydoréductase NAD(P)H dépendante à cofacteur FAD de type ferrédoxine réductase. Le transporteur est pourtant différents de celui des systèmes de classe I (centre fer-soufre), car il s’agit ici d’une flavodoxine ; par exemple, de la cindoxine dans le cas du P450cin de Citrobacter braakii. Les électrons provenant du NADPH transitent donc par deux flavines, respectivement FAD et FMN, comme c’est le cas dans les systèmes de classe II avec la CPR.
Classe IV
Cette classe renferme des systèmes P450 issus d’organismes extrèmophiles tels que les
archæs acidothermophile Sulfolobus
solfataricus ou Thermus thermophilus. Les
cytochromes P450 y sont plus petits (~370 résidus pour 400 en moyenne dans les autres
systèmes) et présentent des stabilités
extraordinaires vis-à-vis de la température (TM > 90°C) et de la pression (jusqu’à 200 MPa). Ces propriétés seraient principalement dues à une grande quantité de ponts salins, à un packing plus dense des chaînes latérales, et à la présence de clusters aromatiques absents des structures de P450 mésophiles. Quant aux partenaires rédox de ces systèmes encore assez méconnus, le cytochrome CYP119 de S. Solfataricus obtiendrait ses électrons via une ferrédoxine et une ferrédoxine oxydoréductase. Il s’agit donc du premier système identifié ne recevant pas ses électrons d’une flavoprotéine NAD(P)H-dépendante.
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P450 RH + O2 ROH + H2O OFOR NAD(P)H + H+ NAD(P)+ H FdR NADPH + H+NADP+ Fdx P450 RH + O2 ROH + H2OF
FdR NAD(P)H + H+ NAD(P)+ Fldx P450 RH + O2 ROH + H2OG
Classe VCes systèmes, tout comme ceux de classe II,
présentent une fusion entre certains
composants. Dans ce cas, il ne s’agit pas de la fusion des composants oxydoréductase et transporteur, mais du rapprochement du transporteur avec le cytochrome lui-même. Ainsi les deux protéines des systèmes de classe V sont d’une part une réductase NAD(P)H dépendante encore très mal caractérisée, et d’autre part une protéine multidomaine correspondant à la fusion d’un P450 et d’une ferrédoxine.
Classe VI
Comme précédemment, les systèmes de classe VI présentent une fusion du transporteur et du P450. Mais dans ce cas ci, le cytochrome est relié à une flavodoxine. L’oxydoréductase étant également une flavoprotéine NAD(P)H dépendante, les électrons transitent via un FAD puis un FMN, avant de réduire le P450, tout comme chez les systèmes de classe II et III. Le premier exemple de cette nouvelle classe de système est le XlpA de Rhodococcus rhodochrous qui permet la dégradation de l’explosif militaire très communément employé, le hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine ou RDX.
Classe VII
Ce système bactérien constitue une classe complètement nouvelle de P450. Par une organisation structurale unique, le cytochrome P450 y est fusionné par son extrémité
C-terminale au domaine oxydoréductase,
normalement séparé de l’accepteur final par le composant transporteur. Ce dernier présente plus de 40 % d’homologie de séquence avec la sous-unité réductase de la famille des phthalate dioxygénases (PFOR) (Munro et al., 2007). Elle est relié au P450 par un connecteur de 16 résidus, et comprend trois domaines distincts : un domaine fixant le FMN, un autre fixant le NADH, et un domaine ferrédoxine à centre [2Fe-2S]. Les électrons provenant du pyridine nucléotide sont transmis non pas par une molécule de FAD, comme c’est le cas dans d’autres classes de P450, mais par le FMN du domaine réductase. Les électrons sont ensuite transférés au cluster fer-soufre avant de réduire le cytochrome. Ni le substrat naturel du P450RhF, premier membre de la classe VII des systèmes P450, ni son rôle physiologique n’ont encore pu être déterminés.
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P450 NADPH + H+ NADP+ RH + O2 ROH + H2O CPRI
P450nor RH + O2 ROH + H2O NADH + H+ NAD+J
Classe VIIILe membre de la classe VIII (initialement décrite comme la 3ème classe, (Narhi and Fulco, 1986) le plus intensément étudié est le flavocytochrome cytosolique CYP102A1, mieux connu sous le nom de P450-BM3, qui catalyse d’hydroxylation d’acides gras, et qui est issu de la bactérie Bacillus megaterium. Le système entier correspond alors à une unique protéine multidomaine correspondant à la fusion d’une CPR et d’un cytochrome P450 (Munro et al., 2007). De par sa structure unitaire, et parce que sa structure cristallographique du domaine hémique a été publiée dès 1993 (Ravichandran et al., 1993), le P450-BM3 a longtemps été un modèle pour l’étude des cytochromes P450 hépatiques de mammifères qui utilisent un système de transport d’électrons similaire (CPR) mais de nature membranaire et séparé du cytochrome. Des études montreront ensuite que le mécanisme de ce P450 particulier est bien différent de celui des P450 microsomaux (Black and Martin, 1994; Kitazume et al., 2007; Neeli et al., 2005) (voir § 4.5.2). Le P450-BM3 est une macroprotéine de 119 kDa dont le domaine P450 oxygénase hémique est connecté via un court linker au domaine réductase diflavinique qui contient un équivalent de chaque cofacteur FMN et FAD. Ce système bactérien se rapproche fortement des systèmes mammifères par la nature de ses composants, leurs séquences, leurs structures et leurs fonctions. D’autres systèmes de la classe VIII ont été identifiés lors des projets de séquençages des génomes de certains procaryotes et eucaryotes primaires.
Classe IX
La classe IX est composée, pour le moment, uniquement de l’oxyde nitrique réductase (P450nor, EC 1.7.99.7). Cette protéine est un cas à part dans la super famille des cytochromes
P450. Localisée dans des fractions
mitochondriales et cytosoliques de cellules de
Fusarium oxysporum, elle constitue le seul
système P450 eucaryote soluble connu. Elle catalyse des réactions de dénitrification afin de protéger de l’inhibition des mitochondries du champignon par le NO, particulièrement lorsque que les ressources en oxygène sont limitées. Le P450nor utilise directement le NADH comme source d’électrons en court-circuitant tout autre système de transport d’électrons (Narhi and Fulco, 1986). La conversion de deux molécules d’oxyde nitrique en oxyde nitreux est un processus réductif unique chez les P450. Des analyses de génomes démontrent la présence apparemment courante d’izoenzymes du P450nor chez d’autres les champignons.
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PGH2 TxA2 P450TxAK
Classe XLes P450 de classe X catalysent la conversion de substrats via un système de
transfert intramoléculaire totalement
indépendant, l’absence de monooxygénation permettant de s’affranchir de l’apport classique de deux électrons et donc des partenaires rédox. L’allène oxyde synthase, l’acide gras hydropéroxyde lyase, la divinyl éther synthase, ou encore la thromboxane synthase constituent quelques exemples de P450 de classe X (TXAS). Ce denier catalyse l’isomérisation de la prostaglandine H2 en prostaglandine A2 qui est un vasoconstricteur potentiel impliqué dans une variété de maladies cardiovasculaires et pulmonaires.