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Glutatión reductasa

La glutatión reductasa ( GR ), también conocida como glutatión-disulfuro reductasa ( GSR ), es una enzima que en los seres humanos está codificada por el gen GSR . La glutatión reductasa (EC 1.8.1.7) cataliza la reducción del glutatión disulfuro ( GSSG ) a la forma sulfhidrilo glutatión ( GSH ), que es una molécula fundamental para resistir el estrés oxidativo y mantener el entorno reductor de la célula. [5] [6] [7] La ​​glutatión reductasa funciona como una oxidorreductasa disulfuro dimérica y utiliza un grupo prostético FAD y NADPH para reducir un equivalente molar de GSSG a dos equivalentes molares de GSH:

Reacción general catalizada por la glutatión reductasa

La glutatión reductasa se conserva en todos los reinos . En bacterias , levaduras y animales , se encuentra un gen de glutatión reductasa; sin embargo, en los genomas de plantas , se codifican dos genes GR. La Drosophila y los tripanosomas no tienen ningún gen GR. [8] En estos organismos, la reducción del glutatión se realiza mediante el sistema de tiorredoxina o tripanotiona , respectivamente. [8] [9]

Función

El glutatión desempeña un papel fundamental en el mantenimiento del funcionamiento adecuado y la prevención del estrés oxidativo en las células humanas. Puede actuar como eliminador de radicales hidroxilo , oxígeno singlete y diversos electrófilos . El glutatión reducido reduce la forma oxidada de la enzima glutatión peroxidasa , que a su vez reduce el peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ), una especie peligrosamente reactiva dentro de la célula. [En la siguiente ilustración de reacciones redox, la flecha más a la derecha está invertida; debería apuntar hacia arriba, no hacia abajo.] Además, desempeña un papel clave en el metabolismo y la eliminación de xenobióticos , actúa como cofactor en ciertas enzimas desintoxicantes, participa en el transporte y regenera antioxidantes como las vitaminas E y C a sus formas reactivas. La proporción de GSSG/GSH presente en la célula es un factor clave para mantener adecuadamente el equilibrio oxidativo de la célula, es decir, es fundamental que la célula mantenga niveles elevados de glutatión reducido y un nivel bajo de glutatión disulfuro oxidado. Este estrecho equilibrio se mantiene mediante la glutatión reductasa, que cataliza la reducción de GSSG a GSH. [5]

La glutatión reductasa reducida, la glutatión peroxidasa y el glutatión interactúan para reducir el peróxido de hidrógeno a agua, con el fin de proteger la célula del daño oxidativo.

Estructura

La glutatión reductasa de los eritrocitos humanos es un homodímero que consta de monómeros de 52 Kd, cada uno de los cuales contiene 3 dominios. La GR presenta una topología de doble capa de una sola hoja, donde una hoja beta antiparalela está expuesta en gran parte al solvente en una cara mientras que está cubierta por espirales aleatorias en la otra cara. [10] Esto incluye un dominio de unión a NADPH , un dominio o dominios de unión a FAD y un dominio de dimerización. Cada monómero contiene 478 residuos y una molécula de FAD. La GR es una proteína termoestable, que conserva su función hasta 65 °C. [11] [12]

Mecanismo de reacción

Representación gráfica de la reacción global catalizada por GR
Ciclo catalítico GR

Pasos:

Mitad reductiva

La acción de GR se lleva a cabo a través de dos semirreacciones distintas: un mecanismo reductor seguido de una mitad oxidativa. En la primera mitad, el NADPH reduce el FAD presente en GSR para producir un anión transitorio FADH − . Este anión luego rompe rápidamente un enlace disulfuro de Cys 58 - Cys 63 , formando un enlace covalente de corta duración, un complejo de transferencia de carga estable entre la flavina y Cys 63 . El NADP+ ahora oxidado se libera y posteriormente es reemplazado por una nueva molécula de NADPH. Este es el final de la denominada mitad reductora del mecanismo.

Mitad oxidativa

En la mitad oxidativa del mecanismo, Cys 63 ataca nucleofílicamente la unidad de sulfuro más cercana en la molécula de GSSG (promovida por His 467 ), lo que crea un enlace disulfuro mixto (GS-Cys 58 ) y un anión GS − . Luego, His 467 de GSR protona el anión GS- para liberar la primera molécula de GSH. A continuación, Cys 63 ataca nucleofílicamente el sulfuro de Cys 58 , liberando un anión GS − , que, a su vez, recoge un protón del disolvente y se libera de la enzima, creando así el segundo GSH. Entonces, por cada GSSG y NADPH, se obtienen dos moléculas de GSH reducidas , que pueden actuar nuevamente como antioxidantes que eliminan las especies reactivas de oxígeno en la célula . [13]

Inhibición

In vitro, la glutatión reductasa es inhibida por bajas concentraciones de arsenito de sodio y metabolitos de arsenato metilado, pero in vivo, la inhibición significativa de la glutatión reductasa por arsenato de sodio solo ha sido a 10 mg/kg/día. [14] La glutatión reductasa también es inhibida por algunos flavonoides , una clase de pigmentos producidos por las plantas. [15]

Importancia clínica

El GSH es un antioxidante celular clave y desempeña un papel importante en la fase 2 de depuración metabólica de xenobióticos electrofílicos. La importancia de la vía del GSH y de las enzimas que afectan a este delicado equilibrio está ganando un mayor nivel de atención en los últimos años. Aunque la glutatión reductasa ha sido un objetivo atractivo para muchos productos farmacéuticos, hasta la fecha no se han creado compuestos terapéuticos relacionados con la glutatión reductasa que hayan tenido éxito. En particular, la glutatión reductasa parece ser un buen objetivo para los antipalúdicos, ya que la glutatión reductasa del parásito de la malaria Plasmodium falciparum tiene un plegamiento proteico significativamente diferente al de la glutatión reductasa de los mamíferos. [16] Al diseñar fármacos específicos para P. falciparum, puede ser posible inducir selectivamente estrés oxidativo en el parásito, sin afectar al huésped.

Hay dos clases principales de compuestos dirigidos a GR: [17] [18] [19] [20]

  1. Inhibidores de la unión o dimerización de GSSG: electrófilos reactivos como compuestos de oro y fluoronaftoquinonas.
  2. Medicamentos que utilizan la glutatión reductasa para regenerarse, como los cicladores redox. Dos ejemplos de este tipo de compuestos son el azul de metileno y la naftoquinona .

Los ensayos clínicos realizados en Burkina Faso han revelado resultados mixtos en el tratamiento de la malaria con naftoquinonas

En las células expuestas a altos niveles de estrés oxidativo , como los glóbulos rojos , hasta el 10% del consumo de glucosa puede dirigirse a la vía de las pentosas fosfato (PPP) para la producción del NADPH necesario para esta reacción. En el caso de los eritrocitos, si la PPP no es funcional, entonces el estrés oxidativo en la célula conducirá a la lisis celular y anemia . [21]

El lupus es un trastorno autoinmune en el que los pacientes producen una cantidad elevada de anticuerpos que atacan el ADN y otros componentes celulares. En un estudio reciente, se descubrió que un polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) en el gen de la glutatión reductasa estaba altamente asociado con el lupus en los afroamericanos del estudio. [22] También se ha demostrado que los afroamericanos con lupus expresan menos glutatión reducido en sus células T. [23] Los autores del estudio creen que la actividad reducida de la glutatión reductasa puede contribuir al aumento de la producción de oxígeno reactivo en los afroamericanos con lupus . [22]

En ratones, la glutatión reductasa se ha visto implicada en el estallido oxidativo, un componente de la respuesta inmunitaria. [24] El estallido oxidativo es un mecanismo de defensa en el que los neutrófilos producen y liberan especies oxidativas reactivas en la proximidad de bacterias u hongos para destruir las células extrañas. Se ha demostrado que los neutrófilos deficientes en glutatión reductasa producen un estallido oxidativo más transitorio en respuesta a las bacterias que los neutrófilos que expresan GR en niveles normales. [24] El mecanismo de la glutatión reductasa para mantener el estallido oxidativo aún se desconoce. [24]

Deficiencia

La deficiencia de glutatión reductasa es un trastorno poco frecuente en el que la actividad de la glutatión reductasa está ausente en los eritrocitos , leucocitos o ambos. En un estudio, este trastorno se observó en solo dos casos en 15.000 pruebas de deficiencia de glutatión reductasa realizadas en el transcurso de 30 años. [25] En el mismo estudio, la deficiencia de glutatión reductasa se asoció con cataratas y favismo en un paciente y su familia, y con hiperbilirrubinemia no conjugada grave en otro paciente. [25] Se ha propuesto que el sistema redox del glutatión (del que forma parte la glutatión reductasa) es casi exclusivamente responsable de la protección de las células del cristalino del ojo contra el peróxido de hidrógeno porque estas células son deficientes en catalasa , una enzima que cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno , y la alta tasa de incidencia de cataratas en individuos deficientes en glutatión reductasa. [26]

Algunos pacientes presentan niveles deficientes de actividad del glutatión como resultado de no consumir suficiente riboflavina en sus dietas. La riboflavina es un precursor de la FAD, cuya forma reducida dona dos electrones al enlace disulfuro que está presente en la forma oxidada de la glutatión reductasa para iniciar el ciclo catalítico de la enzima. En 1999, un estudio encontró que el 17,8% de los hombres y el 22,4% de las mujeres examinados en Arabia Saudita sufrían de baja actividad de la glutatión reductasa debido a la deficiencia de riboflavina. [27]

Conexión con el favismo

En el favismo , los pacientes carecen de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa , una enzima en su vía de pentosa fosfato que reduce NADP + a NADPH mientras cataliza la conversión de glucosa-6-fosfato a 6-fosfoglucono-δ-lactona . Los individuos deficientes en glucosa-6-fosfato deshidrogenasa tienen menos NADPH disponible para la reducción de glutatión oxidado a través de la glutatión reductasa. Por lo tanto, su proporción basal de glutatión oxidado a glutatión reducido es significativamente mayor que la de los pacientes que expresan glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, normalmente, lo que los hace incapaces de responder eficazmente a altos niveles de especies reactivas de oxígeno, lo que causa lisis celular. [28]

Monitoreo de la actividad de la glutatión reductasa

La actividad de la glutatión reductasa se utiliza como indicador del estrés oxidativo . La actividad se puede controlar mediante el consumo de NADPH , con absorbancia a 340 nm, o se puede visualizar el GSH formado mediante el reactivo de Ellman . [29] Alternativamente, la actividad se puede medir utilizando roGFP (proteína fluorescente verde sensible a la oxidación). [30]

En las plantas

Al igual que en las células humanas, la glutatión reductasa ayuda a proteger las células vegetales de las especies reactivas del oxígeno. En las plantas, el glutatión reducido participa en el ciclo glutatión-ascorbato , en el que el glutatión reducido reduce el deshidroascorbato , un subproducto reactivo de la reducción del peróxido de hidrógeno. En particular, la glutatión reductasa contribuye a la respuesta de las plantas al estrés abiótico. [31] Se ha demostrado que la actividad de la enzima se modula en respuesta a metales, metaloides, salinidad, sequía, radiación UV y estrés inducido por calor. [31]

Historia

La glutatión reductasa fue purificada por primera vez en 1955 en la Universidad de Yale por P. Janmeda. [32] Janmeda también identificó al NADPH como el donante de electrones primario para la enzima. Grupos posteriores confirmaron la presencia de FAD y del grupo tiol, y se sugirió un mecanismo inicial para el mecanismo en 1965. [33] [34] La estructura inicial (de baja resolución) de la glutatión reductasa se resolvió en 1977. Esto fue seguido rápidamente por una estructura 3Å por Shulze et al. en 1978. [35] La glutatión reductasa ha sido estudiada exhaustivamente desde estos primeros experimentos, y posteriormente es una de las enzimas mejor caracterizadas hasta la fecha.

Mapa interactivo de rutas

La ruta interactiva se puede encontrar aquí: mapa de la ruta

Referencias

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Lectura adicional