Tioredoxina reductasa

Las Tiorredoxina reductasas (TR, TrxR) (EC 1.8.1.9) son enzimas que reducen la tiorredoxina (Trx). Se han identificado dos clases de tiorredoxina reductasa: una clase en bacterias y algunos eucariotas y otra en animales. En las bacterias, TrxR también cataliza la reducción de proteínas similares a la glutaredoxina conocidas como NrdH. Ambas clases son flavoproteínas que funcionan como homodímeros. Cada monómero contiene un grupo protésico FAD, un dominio de unión a NADPH y un sitio activo que contiene un enlace disulfuro activo redox.

Función celular

Las tiorredoxina reductasas son enzimas que catalizan la reducción de tiorredoxina y, por lo tanto, son un componente central en el sistema de tiorredoxina. Junto con la tiorredoxina (Trx) y el NADPH, la descripción más general de este sistema es como un sistema para reducir los enlaces disulfuro en las células. Los electrones se toman del NADPH a través de TrxR y se transfieren al sitio activo de Trx, que luego reduce los disulfuros de proteínas u otros sustratos. El sistema Trx existe en todas las células vivas y tiene una historia evolutiva ligada al ADN como material genético, defensa contra el daño oxidativo debido al metabolismo del oxígeno y señalización redox utilizando moléculas como peróxido de hidrógeno y óxido nítrico.

Diversidad

Dos clases de tiorredoxina reductasa han evolucionado de forma independiente:

• Se ha identificado un alto peso molecular (MW = ~55.000) que contiene un residuo de selenocisteína en su sitio activo en eucariotas superiores, incluyendo humanos. Este TxR está relacionado con glutatione reductase, trypanothione reductase, mercuric reductase y lipoamide dehydrogenase.
• Se ha identificado un bajo peso molecular (MW = ~ 35.000) en arqueas, bacterias y otros eukarya.

Estas dos clases de TrxR tienen solo ~20% de identidad de secuencia en la sección de la secuencia primaria donde se pueden alinear de manera confiable. La reacción neta de ambas clases de TrxR es idéntica pero el mecanismo de acción de cada uno es distinto.

Los seres humanos expresan tres isoenzimas de tiorredoxina reductasa: tioredoxina reductasa 1 (TrxR1, citosólica), tioredoxina reductasa 2 (TrxR2, mitocondrial), tioredoxina reductasa 3 (TrxR3, específica de testículo). Cada isoenzima está codificada por un gen separado:

Estructura

E. coli

En E. coli ThxR hay dos dominios de unión, uno para FAD y otro para NADPH. La conexión entre estos dos dominios es una lámina β antiparalela de dos cadenas. Cada dominio individualmente es muy similar a los dominios análogos en la glutatión reductasa y la lipoamida deshidrogenasa, pero la orientación relativa de estos dominios en ThxR está rotada 66 grados. Esto resulta significativo en el mecanismo de acción enzimático que se describe a continuación. ThxR se homodimeriza con la interfaz entre los dos monómeros formada por tres alfa-hélices y dos bucles. Cada monómero puede unirse por separado a una molécula de tiorredoxina.

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  Estructura E. coli ThxR tioredoxina ligada
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  Estructura E. coli ThxR con grupos de prótesis FAD y NADPH etiquetados

Mamífero

La estructura de TrxR en mamíferos es similar a la de E. coli. Contiene un dominio de unión a FAD y NADPH y una interfaz entre dos subunidades de monómero. En los mamíferos ThxR hay una inserción en el dominio de unión de FAD entre dos hélices alfa que forma un pequeño par de cadenas beta. El disulfuro activo en la enzima se encuentra en una de estas hélices y, por lo tanto, el enlace disulfuro activo se encuentra en el dominio FAD y no en el dominio NADPH como en E. coli y otros procariotas.

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  Estructura de los grupos protésicos humanos ThxR FAD y NADPH

Mecanismo

E. coli

En E. coli ThxR la orientación espacial de los dominios FAD y NADPH es tal que los anillos activos redox de FAD y NADPH no están muy próximos entre sí. Cuando el dominio FAD de E. coli se gira 66 grados con el dominio NADPH permaneciendo fijo, los dos grupos protésicos se mueven en estrecho contacto permitiendo que los electrones pasen de NADPH a FAD y luego al enlace disulfuro del sitio activo. Los residuos del sitio activo conservados en E. coli son -Cys-Ala-Thr-Cys-.

Mamífero

Los TrxR de mamíferos tienen una homología de secuencia mucho mayor con la glutatión reductasa que E. coli. Los residuos Cys del sitio activo en el dominio FAD y el dominio NADPH unido están muy cerca, lo que elimina la necesidad de una rotación de 66 grados para la transferencia de electrones que se encuentra en E. coli. Una característica adicional del mecanismo de los mamíferos es la presencia de un residuo de selenocisteína en el extremo C-terminal de la proteína que se requiere para la actividad catalítica. Los residuos conservados en el sitio activo de los mamíferos son -Cys-Val-Asn-Val-Gly-Cys-.

Métodos de detección

La tioredoxina reductasa se puede cuantificar mediante varios métodos, como el ensayo DTNB, utilizando el reactivo de Ellman. La serie TRFS de sondas fluorescentes a base de disulfuro ha mostrado una detección selectiva de TrxR. Mafireyi sintetizó la primera sonda diselenuro que se aplicó en la detección de TrxR. Otros métodos de detección incluyen técnicas inmunológicas y el ensayo de selenocistina-tioredoxina reductasa (ensayo SC-TR).

Importancia clínica

Tratamiento del cáncer

Dado que la actividad de esta enzima es esencial para el crecimiento y la supervivencia celular, es un buen objetivo para la terapia antitumoral. Además, la enzima está regulada positivamente en varios tipos de cáncer, incluido el mesotelioma maligno. Por ejemplo, motexafina gadolinio (MGd) es un nuevo agente quimioterapéutico que se dirige selectivamente a las células tumorales, lo que provoca la muerte celular y la apoptosis mediante la inhibición de la tiorredoxina reductasa y la ribonucleótido reductasa.

Miocardiopatía

La miocardiopatía dilatada (MCD) es un diagnóstico común en casos de insuficiencia cardíaca congestiva. Las tioredoxina reductasas son proteínas esenciales para regular el equilibrio redox celular y mitigar el daño causado por especies reactivas de oxígeno generadas mediante la fosforilación oxidativa en las mitocondrias. La inactivación de TrxR2 mitocondrial en ratones provoca el adelgazamiento de las paredes ventriculares del corazón y la muerte neonatal. Además, se encuentran dos mutaciones en el gen TrxR2 en pacientes diagnosticados de MCD y no en una población de control. Se plantea la hipótesis de que el impacto patológico de estas mutaciones es una capacidad deteriorada para controlar el daño oxidativo en los miocitos cardíacos.

Antibiótico

Recientemente se han realizado algunas investigaciones que demuestran que la tioredoxina reductasa de bajo peso molecular podría ser un objetivo para nuevos antibióticos (como la auranofina o Ebselen). Esto es especialmente cierto para Mycobacterium Haemophilum, y podría ser Se utiliza para bacterias resistentes a los antibióticos.