Rol de la peroxiredoxina durante el ejercicio

La producción aguda de sustancias reactiva de oxigeno y nitrógeno (RONS) en respuesta al ejercicio es un área de investigación muy activa en los últimos 20  años. En el músculo esquelético, las propiedades oxidantes  de las RONS han sido implicadas en el acoplamiento excitación-contracción (a través de la regulación de la señal de calcio), la liberación de enzimas, la modulación de la biogénesis mitocondrial post-ejercicio y la expresión de genes citoprotectores (Ej: proteínas de shock térmico y antioxidantes). Las RONS pueden ser producidas durante el ejercicio por una variedad de tipos de células, incluyendo músculo esquelético, células inmunes y células endoteliales. Las enzimas nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) oxidasa y óxido nítrico sintetasa (NOS)  producen superóxido (O₂*^-) y óxido nítrico (NO*), respectivamente, con oxidantes secundarios como peroxinitrito (ONOO^-) formado por la reacción entre  O₂*^- y NO*, y peróxido  de hidrógeno (H₂O₂), por la conversión  de O₂*^- a H₂O₂ por la enzima antioxidante superóxido dismutasa (SOD) o por dismutación espontánea. El rol de las RONS en la adaptación (redox mediada) al ejercicio aún no es completamente entendido pero la evidencia acumulada implica a la oxidación reversible de los residuos cisteína  de varias proteínas. La producción aumentada de H₂O₂  en los tejidos activos durante el ejercicio oxida cisteína tioles, lo cual puede facilitar  las adaptaciones fisiológicas.  La peroxiredoxina (PRDX) es una proteína oxidoreductasa con un grupo “tiol” ionizado (-SH) que permite la catálisis  de H₂O₂ un millón de veces más rápida que cualquier otra proteína que contiene tiol.   De acuerdo con el rol del H₂O₂ en la mediación de rutas de señalización redox durante el ejercicio, la PRDX puede ser un importante transductor de los niveles de H₂O₂ inducidos por el ejercicio.

La cisteína, uno de los aminoácidos menos abundante en la estructura primaria de las proteínas, contiene un grupo sulfidrilo (-SH) o tiol terminal altamente electronegativo. El grupo tiol de muchas cisteínas es un blanco  para las RONS, la oxidación reversible del grupo tiol de la cisteína o el anión tiolato (-S^-, tiol desprotonado) puede formar disulfuros inter -o intra- moleculares, los cuales pueden dirigir a una variedad de eventos celulares como metabolismo y señales  de transducción. En este contexto, los oxidantes 2-electrón (H₂O₂  y ONOO^-) oxidan proteínas redox críticas o tioles celulares de bajo peso molecular  como glutatión.  En muchos casos, la oxidación de cisteína puede cambiar la estructura y/o función  de una proteína redox activa.

El H₂O₂ es una RONS pequeña no cargada que puede  oxidar proteínas tioladas para formar el intermediario ácido sulfénico (-SOH) que rápidamente reacciona con otros residuos cisteína reducidos  (-SH o –S^-) para formar enlaces disulfuro  inter o intra- moleculares. El H₂O₂ es altamente oxidable debido a la presencia  de un enlace peróxido (O-O), sin embargo su reducción química puede ser limitada por su alta energía de activación. Esto da al H₂O₂ una gran selectividad en sus reacciones con proteínas tiol/tiolatos. Las proteínas sensibles a redox como las fosfatasas (PIP1B y PTEN), quinasas (ATM) y factores de transcripción (STAT3, Nrf-2 y NF-κB) tienen  cisteína tiol que puede ser oxidada específicamente por el H₂O₂, lo cual implica perturbaciones en los niveles de H₂O₂ durante el ejercicio.

Los estudios en animales  han demostrado que el H₂O₂ puede oxidar cisteínas tioles  que facilitan la contracción muscular. El H₂O₂ también puede   tener un rol en el control del flujo sanguíneo  durante el ejercicio alterando la producción de NO a través de la NOS endotelial (eNOS). Hay evidencia de incremento en la actividad  y expresión de la eNOS en animales  después de ejercicio aeróbico agudo y de larga duración, respectivamente. El efecto del H₂O₂  en la perfusión vascular  durante el ejercicio  es a través de la proteína quinasa C, la cual es sensible a redox.  Adicionalmente, el H₂O₂ puede tener un rol importante en la adaptación metabólica  post-ejercicio incrementando la expresión de  factores de transcripción ricos en tioles y sensibles a redox como PGC-1α y FOXO3a.

Una variedad de hipótesis tratan de explicar cómo el H₂O₂ puede actuar como una señal intracelular. El foco principal está en los mecanismos  que pueden explicar  la acumulación  transitoria y localizada  de H₂O₂  a través de la inactivación  de la glutatión peroxidasa (GPx), la catalasa y la PRDX, o en sitios donde estas proteínas no están presentes. En este contexto, las enzimas que generan H₂O₂ como la NADPH oxidasa pueden estar colocalizadas con proteínas  tioles de menor reactividad (quinasa y fosfatasas) para generar “hot spots” de H₂O₂ que permitan la oxidación de proteínas  y por consiguiente la señalización celular. La familia de proteínas PRDX ha recibido mucha atención  debido  a su alta abundancia  y al recambio catalítico de H₂O₂. En particular, las modificaciones post-translacionales (fosforilación de serina y treonina, glutationilación, nitración de tirosina, acetilación o s-nitrosilación  o sitios de aminoácidos no catalíticos de la PRDX o sobre-oxidación  del sitio activo tiol) pueden manejar la acumulación  de H₂O₂ en dominios celulares específicos, dependiendo de la isoforma PRDX activa.  Estas modificaciones  pueden inhibir la actividad tiol PRDX y redirigir  la señal H₂O₂ inicial hacia un cambio en la función celular  a través de la oxidación  de proteínas tioles de señalización  como PTP1B, PTEN o ATM. Esto coloca  a la PRDX como un regulador negativo  de la señal H₂O₂ en un mecanismo conocido como modelo “floodgate”. Sin embargo, un trabajo reciente demuestra que la PRDX tiene un rol directo  en la translación de equivalentes oxidantes de H₂O₂ en el factor de transcripción STAT3 rico en cisteína. Después de la exposición a H₂O₂, el intermediario –SOH de la PRDX-2  forma directamente un disulfuro mixto con STAT3, iniciando su translocación al núcleo. Esto implica que la PRDX puede actuar como un “relevo redox” con respecto a los niveles celulares aumentados de H₂O₂.

Varios factores pueden influir en la capacidad de una cisteína redox activa para reducir H₂O₂ por ataque nucleofílico. La accesibilidad del H₂O₂ al dominio catalítico tiol/tiolato y factores estructurales (aminoácidos adyacentes en la cadena polipeptídica) que afectan la densidad electrónica pueden alterar el potencial (Em) del grupo tiol. Los residuos cisteína que tienen bajo Em  son oxidados más fácilmente y las isoformas alternativas de una misma proteína redox activa pueden contener residuos cisteína con diferentes Em y por consiguiente propensión alternativa para la oxidación.  La sensibilidad a la oxidación de una cisteína redox activa está también determinada, al menos en parte, por el pH, lo cual relaciona a la solución y al microambiente en que se encuentra la cisteína. Los residuos ácidos adyacentes a una cisteína alteran la sensibilidad de esa cisteína a la oxidación presumiblemente  a través de la protonación  (-S^- a –SH). La protonación de una cisteína redox en pH fisiológico está determinada por la pKa  del grupo tiol. Todos estos factores explican el amplio rango de sensibilidad  de las proteínas tioles  a las fluctuaciones en las concentraciones de H₂O₂. En particular, la PRDX  tiene  un recambio  de H₂O₂ casi un millón de veces mayor  que proteínas fosfatasas como la PTP1B.

La PRDX es una proteína oxidoreductasa (160-220 aminoácidos) localizada en el citosol (isoformas I, II y VI), el retículo endoplásmico (isoforma IV) y las mitocondrias (isoformas III y V). La forma nativa de las  PRDX I-IV es decamérica, con PRDX V y VI incapaces de formar oligómeros. La cisteína catalítica (-S^-) de todas las PRDX puede convertir H₂O₂, ONOO^- y otros sustratos peróxido en H₂O  a través de la oxidación  del tiolato  en un intermediario –SOH, antes de reaccionar con una cisteína tiol (-SH). En este sentido, la forma –S^- actúa como el “sensor redox” vía ataque nucleofílico y es el blanco para la oxidación, mientras la  –SH es la forma de resolución por naturaleza.  El mecanismo de resolución –SOH  determina las subclases  de la familia PRDX que incluyen la cisteína típica-2 (PRDX I-IV), la cisteína atípica-2 (PRDX V) o la cisteína-1 (PRDX VI), donde los disulfuros mixtos son formados a través  uniones intermoleculares  con un tiol vecino (molécula PRDX o proteína tiol), unión intramolecular con un tiol nativo o unión intermolecular con GSH, respectivamente. Estos enlaces disulfuros son reducidos por los antioxidantes TRX (PRDX I-IV), GSH-S-transferasa (PRDX V) y GSH (PRDX VI) en reacciones bioenergéticamente favorables. Otras enzimas antioxidantes como catalasa, GSH y GPx tienen roles prominentes y definidos en la catálisis de H₂O₂. Estas enzimas trabajan en sinergia con la PRDX para modular la señal peróxido. La estructura de la PRDx y su alta afinidad por el H₂O₂ para formar  intermediarios –SOH y resolver dímeros dan a esta proteína antioxidante  un rol único en la transducción activa de la señal peróxido  en una respuesta biológica dinámica. El análisis estructural de la PRDX ha revelado una red de adhesión de hidrogeno alrededor del sitio activo  que favorece la unión  de sustratos peróxido y la catálisis. Un tiolato catalítico desprotonado (debido a un bajo valor pKa) acoplado con la polarización del enlace peróxido (O-O) ha permitido estimar que la PRDX reacciona aproximadamente con el 99% del H₂O₂ citoplasmático. Dado que no se conoce receptor para H₂O₂, la PRDX con su cisteína altamente reactiva y específica  puede ofrecer un punto de control  para manejar los gradientes de H₂O₂ con precisión en respuesta al ejercicio.

La evidencia disponible sugiere que el H₂O₂ juega un rol crucial en la mediación de la función tisular durante el ejercicio y en la modulación de la adaptación metabólica post-ejercicio a través de rutas  sensibles a redox. La PRDX podría favorecer la formación de intermediarios –SOH en respuesta a la alta producción de H₂O₂ durante el ejercicio. Por otra parte, la evidencia acumulada  sugiere que la fuente citoplasmática de RONS, más que la mitocondrial, predomina durante el ejercicio. Por lo tanto, la oxidación de PRDX puede actuar como un mecanismo fisiológicamente conservado para la translación de señales contráctiles de los oxidantes inducidos por el ejercicio a factores de transcripción asociados con la supervivencia celular, facilitando la respuesta adaptativa al ejercicio. Estudios in vitro demuestran que los factores de transcripción asociados con la adaptación al ejercicio, propiamente STAT3 y p38, son responsables de esta ruta de señalización. En la exposición a H₂O₂, la PRDX-2 puede formar disulfuros mixtos con STAT3, mientras la PRDX-1 incrementa la fosforilación de p38. Está bien documentado que la activación de STAT3 y p38 está relacionada con un incremento en el anabolismo muscular y la biogénesis mitocondrial después del ejercicio, respectivamente.

Los niveles aumentados  de dimeros oxidados de PRDX (I-IV) y monómeros sobre-oxidados han sido reportados  en células inmunes y eritrocitos después del ejercicio. En condiciones de estrés oxidativo, el decámero PRDX puede exponer una cisteína oxidada que resuelve con una TRDX tiol vecina para formar un dímero oxidado estable. La oxidación de la PRDX favorece este estado  y los niveles incrementan después de ejercicio de resistencia. Un estudio reciente indica que la glutationilación  de residuos cisteína no catalíticos puede facilitar la secreción extracelular de PRDX dimerizada  por células inmunes, lo que sugiere que puede actuar como una señal extracelular del estrés. Más aún, hay evidencia que las células del músculo esquelético también pueden incrementar su secreción  de PRDX en respuesta al daño. En este sentido, la PRDX extracelular puede actuar como de manera paracrina o endocrina  entre células bajo estrés redox durante el ejercicio. Adicionalmente, la PRDX puede unirse a receptor TOR4 en células inmunes  e incrementar la transcripción  de citoquinas inflamatorias (ej: IL-1β) vía NF-κB. Esto indica un aspecto adicional  de comunicación extracelular en el estrés redox celular, con las células inmunes infiltrando y reparando al músculo esquelético después del ejercicio.

Una característica única de la cisteína catalítica de la PRDX  es la capacidad  del tiolato para reaccionar con una segundo y una tercera molécula de H₂O₂, provocando los estados de oxidación ácido sulfínico (-SO₂H) y ácido sulfónico (SO₃H). Esta sobre oxidación ocurre en una tasa  que rápidamente provoca la formación de monómeros sobre oxidados. Los monómeros PRDX sobre oxidados han sido reportados durante y después del ejercicio en células mononucleares y eritrocitos de sangre periférica, respectivamente. La formación de PRDX sobre-oxidada depende de la intensidad del ejercicio con mayores concentraciones  de peróxido durante el ejercicio de alta intensidad.

En conclusión, el ambiente redox en las células es una red compleja de RONS transitorias que trabajan en estricta cooperación con los antioxidantes celulares y de la dieta. El H₂O₂  es una molécula no cargada, difusible que puede actuar de manera autocrina, paracrina y endocrina durante el ejercicio. La PRDX es una proteína  con una diversidad de funciones  en las células de los mamíferos, pero con una función fundamental como tiol peroxidasa que permite la catálisis del H₂O₂.

Fuente: Wadley AJ et al (2016). An unexplored role for peroxiredoxin in exercise-induced redox signalling? Redox Biology 8: 51-58.