Instituto de Ciencias Básicas y Preclínicas "Victoria de Girón"

La glutation reductasa y su importancia biomédica

Dr. Elio Cisneros Prego

RESUMEN

Las especies reactivas del oxígeno son moléculas capaces de provocar daños importantes en órganos y tejidos. Para combatirlas el organismo presenta medios de defensa entre los que se encuentra el sistema de glutatión peroxidasa/glutatión reductasa. La glutatión reductasa es una enzima que cataliza la reducción del glutatión oxidado a glutatión reducido el cual será utilizado por la glutatión peroxidasa para la reducción del peróxido y de lipoperóxidos, los cuales son especies reactivas del oxígeno. Esta enzima juega un importante papel en la defensa antioxidante y debido a su presencia en los diferentes tejidos y órganos está involucrada en la fisiopatología de varias enfermedades. En esta revisión se discuten algunas características de esta proteína y su relación con las enfermedades, haciendo énfasis en cómo puede verse afectada en algunos procesos patológicos.

Palabras clave: GLUTATION PEROXIDASA/inmunología. GLUTATION REDUCTASA/inmunología. DIABETES MELLITUS/fisiopatología; ENFERMEDAD DE PARKINSON/fisiopatología. ISQUEMIA/fisiopatología. ULCERA PEPTICA/fisiopatología. OBESIDAD/fisiopatología.

INTRODUCCION

Las especies reactivas del oxígeno constituyen átomos, iones y moléculas con uno o más electrones impareados en el orbital más externo; así como moléculas derivadas del oxígeno que tengan alta capacidad reactiva. Estas especies pueden provocar daño en diferentes tejidos al interactuar con moléculas de importancia biológica. Por su potencial efecto destructivo el organismo utiliza potentes mecanismos para evitar la acumulación de estas formas radicálicas; entre éstos se encuentran medios antioxidantes endógenos constituidos por algunos sistemas enzimáticos y otros exógenos constituidos por algunas vitaminas.1

Uno de estos sistemas antioxidantes es el sistema glutatión peroxidasa/glutatión reductasa. La glutatión reductasa (GRd, EC 1.6.4.2.) es una flavoenzima dependiente del nicotinamín adenín dinucleótido fosfato reducido (NADPH) que cataliza la reducción del glutatión oxidado (GSSG) a glutatión reducido (GSH) el cual será utilizado por la glutatión peroxidasa (GPx) para la reducción del peróxido de hidrógeno (H2O2) y de lipoperóxidos (L-OOH), los cuales son elementos tóxicos. Es decir, específicamente tiene una función de pivoteo en el estrés oxidativo. Esta se encuentra en todos los organismos aeróbicos así como en algunas plantas superiores por lo que aparenta ser una enzima cuasi universal.1,2

CARACTERISTICAS QUIMICOFISICAS

La GRd es una enzima homodimérica compuesta por 2 subunidades idénticas entre sí unidas por un puente disulfuro (cis 90-cis 90'); cada subunidad contiene 478 aminoácidos con un peso molecular de 51 569 Daltons, y en su estructura presenta una extensión N-terminal flexible (residuos del 1-18) y 4 dominios estructurales bien definidos:3

1. Dominio unido al flavín adenín dinucleótido (FAD) (residuos del 19-157).
2. Dominio de unión al NADPH (residuos del 158-293).
3. Dominio central (residuos del 294-364).
4. Dominio de interfase (residuos del 365-478).

Ambas subunidades presentan residuos esenciales que contribuyen a los sitios activos y de unión al glutatión oxidado (GSSG), por lo que no presenta actividad enzimática en su forma monomérica ya que su sitio de unión para el sustrato y su sitio catalítico están compuestos por residuos de ambas subunidades.4-6

La GRd contiene FAD y un disulfuro en su sitio activo. La reacción catalítica requiere de la reducción del sitio activo por el NADPH, produciendo una semiquinona del FAD, un radical sulfuro y un tiol. Después de la reducción del centro activo por el NADPH, el NADP puede ser liberado antes o después del paso catalítico que involucra al glutatión.7

El sistema antioxidante GPx/GRd está relacionado con otros sistemas antioxidantes como el superóxido dismutasas/catalasa (SOD/CAT). Se ha observado que ambos sistemas no actúan a la par, la CAT actúa en presencia de altas concentraciones de H2O2 y a bajas concentraciones actúa la GPx. La actividad de la CAT y de la GPx está inversamente correlacionada, mientras que la CAT y la GRd presentan correlación positiva.2

LA GLUTATION REDUCTASA EN LA SALUD Y LA ENFERMEDAD

La GRd permite mantener concentraciones de GSH en la célula no sólo para ser utilizado por la GPx en la eliminación del H2O2; este GSH es de utilidad en la recuperación de las vitaminas C (ácido ascórbico) y E (alfa-tocoferol) luego de participar en la eliminación de radicales libres generados in situ o a distancia. El GSH interviene además en la detoxificación de compuestos xenobióticos, el almacenamiento y transporte de cisteína, la regulación del balance redox de la célula, el metabolismo de los leucotrienos y las prostaglandinas, la síntesis de los desoxirribonucleótidos, la función inmunológica y la proliferación celular.1-8

Por tanto, la alteración de la actividad de la GRd provocará disminución en las concentraciones de GSH dando lugar a un aumento en los niveles de especies reactivas del oxígeno.9

La alteración de la actividad de la GRd y de los niveles de GSH por esta consecuencia se ha reportado en varios procesos patológicos y está asociada con un aumento del riesgo al estrés oxidativo.8

Cáncer. Varios son los estudios donde se explora el comportamiento de esta enzima en las células tumorales. El tratamiento de células tumorales con hidroxiurea y otros agentes que dañan el DNA ha incrementado, experimentalmente, el potencial de metástasis de estas células. Parece ser que esta droga induce la resistencia al daño oxidativo ya que la eliminación de esta resistencia revierte la capacidad de metástasis. Las células tratadas con hidroxiurea son más metastásicas y más resistentes al H2O2, además en estas células la actividad de GRd y GPx y los niveles de GSH fueron mayores. Por tanto, en células tumorales la metástasis experimental inducida por la hidroxiurea parece depender de un proceso que requiere de GSH. Esta droga induce la resistencia al H2O2 debido a la inducción del GSH y de la actividad de su sistema antioxidante. El papel de los antioxidantes en las células tumorales (melanima B16) incrementa su proceso metastásico y la respuesta celular a la quimioterapia.10 En estudio del metabolismo del GSH en fibroblastos normales NIH/3T3 y transformados por los oncogenes sis, erbB, src, ras, db1 y raf se observó que los transformados por erbB, src, ras y raf mostraron niveles aumentados de GSH y total (GSH + + GSSG) en comparación con las células normales NIH/3T3; mientras que el GSSG se elevó sólo en las células transformadas por src y ras. El aumento del contenido de (GSH + GSSG) y del nivel de GSH está asociado con un aumento de la actividad de la GRd. Las alteraciones del metabolismo del GSH parecen ser específicas de la transformación de oncogenes definidos, y no un epifenómeno trivial de la transformación neoplásica. Los transformados por oncogenes que presentan un elevado nivel de GSH se reportaron además como resistentes a las drogas antineoplásicas y a la radia ción ionizante; esto confirma una posible relación entre el metabolismo del GSH y la resistencia al tratamiento antineoplásico.11 Estos mecanismos de resistencia se deben a la GRd, por lo que se han obtenido resultados alentadores con la quimioterapia con derivados de la nitrosourea (inhibidores de la GRd) en el tratamiento del melanoma, así como la combinación con citoquinas, entre ellos, el IFNa, el TNFa y la IL-2 que parecen potenciar la acción de la droga.12

Los niveles de actividad de GPx y GRd en líneas de células de melanoma metastásicas B16-F10 son mayores que en células murinas de melanoma no metastásicas B-16, observándose una caída de la actividad de las enzimas que metabolizan el GSH en el tejido invadido.13

En pacientes con cáncer del pulmón se observó una relación inversa entre la sensibilidad a la quimioterapia y la frecuencia de expresión de GPx y GRd y ambos fueron significativamente diferentes en varios tipos histológicos. La expresión de la GPx y la GRd fue menor en los grupos sensibles que en los grupos resistentes.14

Diabetes Mellitus. La unión no enzimática de azúcares a proteínas (glicación) es un fenómeno biológico común que está incrementado en la diabetes. La GRd es susceptible a ser glicosilada y desarrollar una actividad alterada ya que la glucosa, la glucosa 6-fosfato y la fructosa provocan una inhibición dependiente del tiempo de la actividad de la enzima; lo que favorece la formación de cataratas en pacientes diabéticos. La enzima puede ser protegida de la glicosilación por algunos medicamentos como la aspirina, que pueden ser usados para prevenir las cataratas en el diabético.15

En cuanto a la etiología de esta enfermedad, en ratones NOD con diabetes mellitus insulinodependiente se ha planteado la destrucción de las células ß por el efecto tóxico de las especies reactivas del oxígeno como resultado del flujo de células inflamatorias en el páncreas, por lo que la deficiencia de enzimas antioxidantes podría ser la base de la susceptibilidad a la diabetes. Para estudiar esta idea se determinó la actividad de la SOD, CAT, GPx y GRd en islotes de Langerhans aislados, páncreas y otros tejidos. Los islotes exhibieron menor actividad enzimática que en otros tejidos y los de ratones NOD fueron más deficientes que los de ratones BALB/c, por lo tanto, el efecto tóxico de estas especies en las células ß es el resultado de una deficiencia de enzimas antioxidantes;16 también se ha observado que la actividad de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PDH) está disminuida en el hígado diabético, la que es esencial para proveer el NADPH a la GRd para la reducción del GSSG.15

Obesidad. Se plantea que la ingestión de dietas ricas en grasa favorece la disminución de la actividad de la GRd así como de la GPx en el corazón y otros órganos. En estudios realizados en conejos sometidos a una dieta hiperlipídica se observó una depresión de la actividad de la GRd y de la GPx selenio-dependiente asociada con un aumento de compuestos tioles no proteicos. En conclusión, dietas altas en grasas y en colesterol inducen un desbalance de la defensa antioxidante lo cual provocará un aumento de la peroxidación lipídica.17

Ulcera péptica. La participación de la enzima en esta enfermedad es relevante ya que en ensayos realizados en ratas con úlceras experimentales se estudió el contenido de GSH y la actividad de la GPx y la GRd en el tejido hepático y la mucosa gástrica, donde se encontró una depresión del sistema GPx/GRd. Además se realizaron estas determinaciones en ratas tratadas con tabletas de proteínas y se observó una alta eficiencia terapéutica de éstas y un efecto importante en la normalización del sistema del glutatión.12

Enfermedad de Parkinson. Esta en-fermedad se caracteriza por una disminución de las concentraciones de GSH en la sustancia nigra del cerebro y esto ha sido atribuido a un aumento del recambio de la dopamina y a la desaminación oxidativa que provoca la formación de H2O2.18

Isquemia/reperfusión. La determinación del estatus redox del glutatión en un órgano isquémico/reperfundido es frecuentemente empleada como un indicador del estrés oxidativo creado por la producción de radicales libres de oxígeno durante el período de reperfusión.19 En estudios en los que se ha sometido al corazón a isquemia temporal seguida de reperfusión, los resultados indicaron la estimulación de las enzimas antioxidantes incluyendo GPx y GRd después de repetidos episodios de isquemia-reperfusión; lo que sugiere que el precondicionamiento de un corazón por isquemia repetida puede provocar la activación de su sistema de defensa oxidativo, la que puede desempeñar un papel importante en la preservación del miocardio durante el daño por isquemia y reperfusión.20,21

Ejercicio físico y envejecimiento. Se ha demostrado (mediante varios estudios) que durante el ejercicio físico y el envejecimiento este sistema antioxidante sufre una importante alteración. Las enzimas antioxidantes SOD y CAT del hígado y el miocardio muestran una disminución general a edades mayores, mientras que las enzimas relacionadas con el GSH (GRd y GPx) en el hígado y en las mitocondriales del corazón aumentan significativamente. Las enzimas antioxidantes del músculo esquelético están uniformemente elevadas durante el envejecimiento. Una práctica aguda de ejercicio puede aumentar la actividad de ciertas enzimas antioxidantes en varios tejidos.

La práctica de ejercicio tiene poco efecto sobre los sistemas enzimáticos hepáticos o miocárdicos pero puede provocar respuestas adaptativas en las enzimas antioxidantes del músculo esquelético, particularmente la GPx. Estos hallazgos sugieren que tanto el envejecimiento como el ejercicio pueden provocar estrés oxidativo al organismo.22-25 El GSH sanguíneo aumenta durante el ejercicio prolongado y la suplementación con carbohidratos previene este aumento posiblemente debido a sus efectos inhibitorios en la liberación hormonal hepática, que estimula la salida del GSH.26

CONCLUSIONES

1. La GRd es una enzima de gran importancia para la célula

• debido a su participación en la regeneración del GSH, el cual como hemos visto, resulta de extrema utilidad para la defensa autoxidante;
• por su participación trascendente en los mecanismos para eliminar las especies reactivas del oxígeno, así como en otras posiciones biológicas.

2. La importancia de la GRd se constata en el papel que ésta desempeña en la etiología y fisiopatología de muchas enfermedades de importancia médico-social, en las que su estudio puede ser utilizado para una mejor comprensión de estas entidades con fines diagnósticos, pronósticos y hasta terapéuticos.