Trabajos de Revisión

Instituto de Ciencias Básicas y Preclínicas "Victoria de Girón"

Enzimas que participan como barreras fisiológicas para eliminar los radicales libres: III. Glutatión peroxidasa

Dr. Elio Cisneros Prego, Dra. Judith Pupo Balboa y Dra. Ela Céspedes Miranda

RESUMEN

La glutatión peroxidasa es una de las enzimas que participan en las transformaciones de especies reactivas del oxígeno, catalizando la reducción del peróxido o lipoperóxido, para lo cual utiliza como agente reductor al glutatión reducido. Esta enzima desempeña un importante papel en la defensa antioxidante por su localización en todos los órganos y tejidos, como parte del sistema antioxidante del glutatión, por lo que está involucrada en la fisiopatología de varias enfermedades. En el presente artículo se tratan los aspectos más importantes de sus características estructurales y funcionales y su papel biológico en la fisiopatología de algunas enfermedades.

Descriptores DeCS: RADICALES LIBRES; GLUTATION PEROXIDASA/química; ESPECIES DE OXIGENO REACTIVO.

INTRODUCCIÓN

En el organismo humano se generan especies reactivas del oxígeno (ERO) que participan, de una forma u otra, en la fisiopatología de numerosas entidades nosológicas y eventos patológicos. Sin embargo, el propio organismo desarrolla mecanismos protectores, constituidos por enzimas y compuestos de bajo peso molecular. La glutatión peroxidasa (GPx, EC 1.11.1.9) es una de las enzimas que interviene en la protección.¹

La glutatión peroxidasa es una enzima selenio (Se) dependiente que cataliza la reducción del peróxido de hidrógeno (H₂O₂) o lipoperóxido (L-OOH), utilizando como agente reductor el glutatión reducido (GSH). Se conoce que los L-OOH son tóxicos en los tejidos animales y que dan lugar a especies reactivas del oxígeno como los radicales peróxido (L-OO*), que son compuestos indeseables para los organismos vivos. La GPx, como parte del mecanismo de defensa antioxidante, evita la oxidación de los L-OOH, reduciéndolos en presencia de GSH. Esta reacción produce hidróxidos que son elementos potencialmente dañinos y que al oxidarse se convierten en radicales alcohóxidos, para los que no se conoce enzima que los metabolice.^1,2

La GPx fue encontrada en el eritrocito bovino por Millis en 1957, más tarde fue reportada en otros tejidos como el eritrocito humano, pulmón e hígado de rata e inclusive en músculo, piel y hepatopáncreas de los peces, por lo que aparenta ser una enzima universal.^3,4

Existen al menos 3 formas de GPx seleno dependientes: una forma intracelular o celular (GPx-c), una extracelular o plasmática (GPx-p) y otra con actividad específica para los fosfolipoperóxidos (GPx-PH) que por lo general está asociada a la membrana y aunque su actividad es la misma, poseen diferencias estructurales.^1-3

ESTRUCTURA

La GPx-c y la GPx-p son enzimas tetraméricas; están compuestas por 4 subunidades idénticas entre sí y cada una de éstas contiene un átomo de Se unido covalentemente a una molécula de cisteína. La secuencia de aminoácidos de las subunidades de la GPx-c es diferente a la secuencia de la GPx-p, esta última además es una proteína glicosilada y posee puentes disulfuros intramoleculares.

El peso molecular de la GPx-c es de 22 kD, mientras que el de la GPx-p es de 25 kD, con un total aproximado de 221 aminoácidos por subunidad.^5-8 Las subunidades por separado no presentan actividad catalítica, sin embargo, la GPx-PH es una enzima monomérica que también posee un átomo de Se y presenta actividad catalítica; su peso molecular es de 18 kD.⁹

La GPx-c se puede localizar en la mitocondria y el citosol de la célula hepática, en el citosol de los eritrocitos formando complejos con la hemoglobina y en el lisosoma de neutrófilos, macrófagos y otras células fagocíticas del sistema inmune.^10,11 Se han observado diferencias entre los sexos con respecto a la actividad de la enzima, los niveles de ARNm y las concentraciones de Se en el hígado de ratas y ratones; estas diferencias favorecieron al sexo femenino.¹²

ACTIVIDAD BIOLÓGICA

La GPx-c y la GPx-p catalizan la reacción siguiente:

H2O2            GPx-c   2H2O    o + 2GSH -------->    o + GSSG L-OOH         GPx-p    L-OH+H2 O

La GPx-PH cataliza la reacción siguiente:

                   GPx-PH PHL-OOH + 2GSH ---------® PHL-OH + H2O  + GSSG

La GPx-c tiene mayor afinidad por el H₂O₂ que por los L-OOH, en tanto la GPx-p tiene una afinidad semejante para los 2 sustratos. La GPx-c y la GPx-p utilizan como sustratos los H₂O₂ y los L-OOH; sin embargo, no son capaces de utilizar los fosfolipoperóxidos (PHL-OOH) que son los sustratos principales para la GPx-PH.^2,5

En el centro activo de la enzima se encuentra un átomo de Se unido covalentemente a un residuo de cisteína con actividad durante la catálisis. Además se describe en el centro activo un grupo tiol muy cercano al Se que proviene de un residuo de cisteína. En las diferentes GPx se conserva casi intacta la estructura del centro catalítico, lo que refuerza la hipótesis de que el mecanismo de acción para las 3 formas es el mismo.^1-3,7

La formación del complejo enzima sustrato se produce debido a que en el sitio activo tienen lugar una serie de transformaciones como resultado de las cuales se forma un puente metálico cíclico, donde:

Enzima

1. Enzima + L-OOH -----------® oxidada + L-OH + H₂O

2. Enzima oxidada + 2GSH -----------® E + GSSG

REGULACIÓN

La catalasa (CAT), al igual que la GPx, se encarga de eliminar el H₂O₂ y su localización celular es similar, pero sus mecanismos de regulación son diferentes.

La GPx y la glutatión reductasa (GRd) se encuentran formando parte de un sistema antioxidante (GPx/GRd), y la CAT de otro (SOD/CAT). Se ha observado que ambos sistemas no actúan a la par; la CAT actúa en presencia de altas concentraciones de H₂O₂ y la GPx lo hace a concentraciones bajas, lo que demuestra una correlación inversa en la actividad de ambas enzimas. Además, algunas citoquinas como el factor de necrosis tumoral (TNF), el interferón (IFN) y la interleukina-1 (IL-1) son capaces de inhibir la actividad de la GPx.^1,3

IMPORTANCIA BIOMÉDICA DE LA GLUTATIÓN PEROXIDASA

La alteración de la actividad de la GPx provoca un aumento de los niveles de H₂O₂ y de lipoperóxidos, lo que puede ser fatal para la célula y aún más para el organismo, razón por la cual, esta alteración se encuentra implicada en un sinnúmero de enfermedades y procesos fisiológicos.

Cáncer. En células tumorales resistentes a la terapéutica se ha observado un aumento de la actividad de la GPx-c.

En estudios realizados en células tumorales de mama humanas (MCF7) con resistencia selectiva a la doxouribicina y al menogaril disminuyó 2 veces la formación de radicales libres de oxígeno en las células resistentes, al compararlas con las células sensibles en presencia de menogaril. Las células resistentes contienen una actividad 12 veces más alta de GPx que las células sensibles, por lo que la detoxificación del H₂O₂ puede ser responsable de la disminución de la formación de radicales libres y desempeñar un papel importante en la resistencia al menogaril y a otros citostáticos.¹³

En células HeLa resistentes al paraquat se observó que el aumento del contenido de GPx parece elevar la resistencia a esta droga. El contenido celular de GSH en estas células tratadas con paraquat disminuyó en comparación con otras células no tratadas. Estos datos sugieren que estas células resisten a la toxicidad del paraquat por aumento de la GPx como un medio de detoxificación del H₂O₂ producido por el paraquat.¹⁴ La ciclofosfamida y sus derivados han sido efectivos en la terapéutica de los tumores resistentes a la quimioterapia ya que inhiben la actividad de las enzimas antioxidantes.¹⁵

Embarazo. Se supone que en la mujer embarazada con concentraciones bajas y aun moderadas de Se, el requerimiento de este elemento aumenta significativamente. Las concentraciones medias de Se en sangre y eritrocitos comienzan a declinar después de las 16 semanas del embarazo y las de Se plasmático después de las 26 semanas; los valores menores se observan antes del parto, lo que corrobora la existencia de una correlación negativa entre la edad gestacional y las concen-traciones de Se en sangre y plasma [r=-0,560 ( p < 0,001); r = -0,553 (p < 0,001)] respectivamente.

La actividad de la GPx en sangre y plasma comienza a disminuir después de las 20 y 30 semanas de embarazo, por lo que es significativamente más baja antes del parto (p < 0,001) que durante la décima semana del embarazo.

Las concentraciones de GSH en eritrocitos aumentan significativamente justo antes del embarazo.¹⁶ Debido a esto, se puede sugerir que durante el embarazo se utilicen suplementos de Se con el objetivo de mejorar la actividad de la GPx y evitar un aumento de estrés oxidativo que podría participar en la fisiopatología de algunas enfermedades asociadas al embarazo.

Isquemia/reperfusión. Los cambios dependientes del tiempo de los niveles de enzimas antioxidantes como la GPx después de la isquemia focal cortical en ratas indican que el tejido isquémico es vulnerable al daño oxidorradicálico 72 horas después de la isquemia hasta que los niveles de GPx disminuidos llegan a los niveles basales o los sobrepasan. Después de 72 horas los niveles de esta enzima son suficientes para proteger al tejido contra el daño oxidorradicálico.¹⁷

Trasplante. Se ha observado que la capacidad antioxidante de pacientes con trasplante de médula ósea disminuye significativamente después del injerto, lo que se refleja por la disminución de la GPx en sangre. Esto repercute en la recuperación postrasplante y en el funcionamiento del tejido injertado. También puede influir en el soporte requerido de eritrocitos y plaquetas después del trasplante. Esto evidencia la posible utilización de éstos como agentes terapéuticos y para el monitoreo del estado antioxidante durante el período postrasplante.¹⁸

Diabetes mellitus. En la diabetes mellitus insulinodependiente la peroxidación lipídica acelera el envejecimiento y las lesiones microvasculares, lo que está en relación con la GPx y otras enzimas antioxidantes.¹⁹

Cataratas. El GSH y la GPx en el cristalino son los antioxidantes más importantes contra la oxidación de las proteínas de éste; sus niveles disminuyen con la edad y los niveles en cristalinos con cataratas son una décima parte de los encontrados en cristalinos normales. Esto evidencia que desempeñan un importante papel en la protección de las proteínas del cristalino, y que los cambios en los niveles normales de éste incrementan la vulnerabilidad del cristalino a la cataratogénesis senil.²⁰

Toxicología. El mecanismo del efecto protector del selenito de sodio en la nefrotoxicidad del cisdiaminodicloroplatino (CDDP) estudiado en ratones ocurre a través de la interacción entre CDDP y Se, difiere de la del mercurio y Se o entre cadmio y Se que forman compuestos. La ingestión de Se disminuye la aparición de nefrotoxicidad por el CDDP a través de la GPx que puede estar parcialmente relacionada con este efecto protector al participar en la eliminación de especies reactivas que pueden surgir por la presencia de este compuesto.²¹

El paraquat es un compuesto capaz de provocar toxicidad crónica y teratogenicidad; éste se acumula en el pulmón, donde se forman especies reactivas del oxígeno, hay inducción de la peroxidación lipídica y depleción del NADPH. La GPx disminuye significativamente su actividad así como la de otras enzimas antioxidantes, esta disminución está relacionada estrechamente con la depleción de NADPH.²²

CONCLUSIONES

La glutatión peroxidasa es una enzima de importancia para la célula debido a su participación en la eliminación de especies reactivas del oxígeno y su estudio puede ser utilizado para el aná-lisis de la fisiopatogenia de diversas enfermedades.

SUMMARY

The glutathione peroxidase is one of the enzymes that takes part in the transformations of reactive oxygen species, catalyzing the reduction of peroxide or lipoperoxide. The reduced glutathione is used as a reductor agent. This enzyme plays an important role in the antioxidant defense due to its localization in every organ and tissue as part of the glutathione antioxidant system. Because of this reason, it is involved in the physiopathology of several diseases. The most important aspects of its structural and functional characteristics as well as its biological role in the physiopathology of some diseases are approached in the present paper.

Subject headings: FREE RADICALS; GLUTATHIONE PEROXIDASE/chemistry; REACTIVE OXYGEN SPECIES.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Lam KW, Wang L, Hong BS, Treble D. Purification of phospholipid hydroxiperoxide glutathione peroxidase from bovine retina. Curr Eye Res 1993;12(1):9-15.
2. Maiorino M, Chu F, Ursoni F. GPx-PH is the 18 KDa seleno proteins expressed in human tumor cell lines. J Biol Chem 1991;266(12):7728-32.
3. Zachara BA. Mamalian selenoproteins. J Trace Elem Electrolytes Health Dis 1991;6(3):137-45.
4. Vertechy M, Cooper MB, Ghirardi O, Ramacci MT. The effect of age on the activity of enzymes of peroxide metabolism in rat brain. Exp Gerontol 1993;28(1):77-85.
5. Avissar N, Slemmon JR, Palmer IS. Partial sequence of human plasma GPx and immunologic identification of milk GPx the plasma enzyme. J Nutr 1992;12(6):1243-9.
6. Esworthy RS, Chu FF, Paxton RJ. Characterization and partial sequence of human plasma GPx. Arch Biochem Biophys 1991;286(2):330-6.
7. Nakano T, Sato M, Takeuchi M. Partial purification and properties of GPx from carp hepatopancreas. Comp Biochem Physiol 1992;102(1):31-5.
8. Stepanik TM, Ewing DD. Isolation of glutathione peroxidase, catalase and superoxide dismutase of human erytrocites. J Biochem Biophys Meth 1993;20:157-69.
9. Takahashi K, Akasaka M, Yamamoto C, Kobayashi C, Mizoguchi J, Koyama J. Primary structure of human plasma glutathione peroxidase deduced from cDNA. J Biochem (Tokyo) 1990; 108(2):145-8.
10. Behne D, Scheid S, Kyriakopoulos A. Subcellular distribution of seleno proteins in the liver of rat. Biochem Biophys Acta 1990;26(3):219-25.
11. Pascual P, Martínez Lara E, Barcena JA, López Barea J, Toribio F. Direct assay of glutathione peroxidase activity using high-performance capillary electrophoresis. J Chromatogr 1992;581(1):49-56.
12. Pigeolet E, Remacle J. Alteration of enzymes in ageing human fibroblast in culture V. Mechanism of GPx modification. Mech Ageing Dev 1991;58(1):93-109.
13. Sinha BK, Atwell J, Politi PM. Role of oxigen free radical formation in the mechanism of menogaril resistance in multidrug resistance tumor cell. Chem Biol Interact 1990;76(1):89-99.
14. Krall J, Speranza M, Lynch RE. Paraquat resistant HeLa cell, increased cellular content of glutathione peroxidase. Arch Biochem Biophys 1991;286(2):311-5.
15. Subramaniam S, Devi CSS. Erythrocyte antioxidant enzyme activity in CMF treated breast cancer patients. Cancer Biochem Biophys 1991;14:3.
16. Zachara BA, Warda C, Didkawski W, Maciag A, Marchaluk E. Changes in blood selenium and glutathione concentrations and glutathione peroxidase activity in human pregnancy. Gynecol Obstet Invest 1993;35(1):12-7.
17. Mahadik SP, Makar TK, Murthy JN, Ortiz A, Wakade CG, Karpiak SE. Temporal changes in superoxide dismutase, glutathione peroxidase, and catalase levels in primary and peri-ischemic tissue. Monosialo- ganglioside (GM1) treatment effects. Mol Chem Neuropathol 1991;18(1-2):1-14.
18. Hunnisett AG, Kars A, Howard JMH, Davies S. Changes in the amino acids during conditioning therapy prior to bone marrow transplantation. Their relevance to antioxidant status. Amino acids 1993;4(1-2):177--85.
19. Faure P, Corticelli P, Richard MJ, Arnaud J, Coudray C, Halimi S, et al. Lipid peroxidation and trace element status in diabetic ketotic patients. Influence of insulin therapy. Clin Chem 1993;39(5):789-93.
20. Kamei A. Glutathione levels of the human crystalline lens in aging and its antioxidant effects against the oxidation of lens proteins. Biol Pharm Bull 1993;16(9):870-5.
21. Araya Y, Miyamoto H, Kondo T, Isobe H, Shimizu T, Ishiguro A, et al. Studies on the mechanism at protective effect of selenium on nephrotoxicity. Gan-to-Kagaku-Ryoho 1990;17(10):203-9.
22. Bismuth C, Garnier R, Baud FJ, Keyes C. Paraquat poisoning. An overview of the current status. Drug Saf 1990;5(4):243-51.

 Recibido: 15 de mayo de 1996. Aprobado: 10 de julio de 1996.

Dr. Elio Cisneros Prego. Instituto de Ciencias Básicas y Preclínicas "Victoria de Girón". Calle 146 No. 3102 esquina a 31, reparto Cubanacán, municipio Playa, Ciudad de La Habana, Cuba. CP 11600. <