Peroksydaza glutationowa – znaczenie dla zdrowia

Peroksydaza glutationowa to ważny enzym chroniący komórki przed uszkodzeniami przez reaktywne formy tlenu. Poznaj obecne badania nad tym enzymem.

Peroksydaza glutationowa – znaczenie dla zdrowia

Peroksydaza glutationowa (GPx) to enzym, którego główną rolą jest ochrona komórek przed uszkodzeniem oksydacyjnym. Przeprowadza redukcję nadtlenku wodoru do wody oraz utrzymuje prawidłowe stężenie glutationu w komórkach dzięki zdolności do przekształcania utlenionego glutationu GSSG (disulfidu glutationu) w jego formę zredukowaną GSH.

Czym jest peroksydaza glutationowa?

Peroksydaza glutationowa (cGPx) jest enzymem zbudowanym z czterech podjednostek, a każda z nich zawiera atom selenu, warunkujący jej prawidłowe działanie. Atomy selenu połączone są z aminokwasem cysteiną [1].

Peroksydaza glutationowa występuje głównie w cytozolu oraz w  mitochondriach, gdzie pełni 20%  całkowitej  aktywności oraz w jądrze komórkowym.

Najwyższą  aktywność  peroksydazy  glutationowej  wykazano w wątrobie, gdzie uczestniczy w procesach detoksykacyjnych oraz we krwi i w płucach. Najniższą  aktywność  natomiast wykazano w mózgu i w soczewce oka.

Peroksydaza glutationowa do prawidłowego działania potrzebuje wolnych grup tiolowych, a ilość ich zmienia się w zależności od stanu funkcjonalnego enzymu i wynosi od trzech do siedmiu na jeden mol białka. Peroksydaza  glutationowa  wchodzi  w  skład  enzymatycznego  układu  związanego z glutationem, w którym uczestniczy obok niej również  glutation i reduktaza  glutationowa  (GR)  [2, 3, 4, 5]. 

Rodzina enzymów peroksydaz

Peroksydaza glutationowa należy do rodziny enzymów o aktywności peroksydazy.

Pierwszym zidentyfikowanym enzymem tej rodziny była selenoperoksydaza glutationowa –  enzym pełniący funkcję ochronną komórek przed stresem oksydacyjnym [6, 7]. Katalizuje redukcję nadtlenku wodoru w obecności glutationu GSH.

Obecnie  znanych jest kilka form GPx,  które różnią się między sobą wieloma  właściwościami, włączając w to ich lokalizację i budowę:  [8, 9].

  • cGPx – peroksydaza glutationowa występuje w cytozolu wielu tkanek i komórek krwi. Przeprowadza reakcję redukcji nadtlenku wodoru i wodoronadtlenków, nie może  natomiast redukować wodoronadtlenków lipidowych. 
  • PH-GPx – peroksydaza glutationowa wodoronadtlenków lipidowych zlokalizowana jest w cytozolu i częściowo związana z błonami komórek. Przeprowadza redukcję  wodoronadtlenków fosfolipidowych.  
  • eGPx – peroksydaza  glutationowa zwana pozakomórkową peroksydazą, występuje w surowicy i ma zdolność katalizowania zarówno wodoronadtlenków  lipidowych  jak i  nadtlenku  wodoru. 
  • GI-GPx – peroksydaza żołądkowo-jelitow.

Mechanizm działania

Peroksydazy glutationowe to selenoperoksydazy – zawierają selen pod postacią selenocysteiny w centrum aktywnym tych enzymów.

Główną reakcją katalizowaną przez peroksydazę glutationową jest redukcja nadtlenku wodoru H2O2 do wody z udziałem glutationu zredukowanego GSH z wytworzeniem disiarczku glutationu GS – SG.

2 GSH + H2O2 → GS – SG + 2 H2O

W tej reakcji glutation ulega utlenieniu i jest następnie odzyskiwany przez reduktazę glutationową:

GS – SG + NADPH + H+ → 2 GSH + NADP+.

Konsekwencje niskiej aktywności GPx

Enzym peroksydaza glutationowa wymaga obecności selenu i glutationu do prawidłowego działania. Bez nich enzym ten ma zmniejszoną aktywność i nie może wydajnie chronić nas przed wolnymi rodnikami.

Zatem niska aktywność peroksydazy glutationowej i jej konsekwencje mogą wynikać z niedoboru glutationu i / lub selenu, ewentualnie z mutacji w obrębie genu kodującego ten enzym.

Konsekwencje niedoboru glutationu:

Obniżony poziom glutationu obserwuje się w wielu chorobach:  

  • układu sercowo – naczyniowego (arterioskleroza, udar, choroby serca) [10, 11, 12]
  • płuc (glutation blokuje powstawanie wolnych rodników, chroni przed mukowiscydozą, pomaga w rozedmie płuc oraz ich zwłóknieniu) [13, 14].
  • Procesach starzenia się organizmu (glutation ma korzystne działanie w chorobach związanych z wiekiem tj.: zaćma, Alzheimer czy Parkinson [15].
  • cukrzycy [16]
  • układu trawiennego (stany zapalne jelit, wrzodziejące zapalenie jelita grubego, choroba Leśniewskiego-Crohna, wrzody żołądka i dwunastnicy oraz zapaleniu trzustki),
  • układu immunologicznego (zakażenie wirusem HIV, oraz zespół chronicznego zmęczenia) [17, 18]

Potencjalne korzyści dla zdrowia

Uwaga: Obecne badania dotyczą jednak zwierząt i linii komórkowych, dlatego nie mogą stanowić podstawy do stosowania tego enzymu u człowieka, jednak wskazują kierunek do dalszego badania jego wpływu u ludzi.

Zaburzenia równowagi oksydacyjnej w komórkach są czynnikiem zwiększonej podatności na rozwój stanów zapalnych i chorób.

Dlatego enzymy ochronne i przeciwutleniające takiej jak peroksydaza glutationowa mogą stanowić potencjalnie ochronę dla komórek. O ile naturalnie występujące enzymy wykazują takie działanie, brakuje wystarczającej liczby dowodów na skuteczność suplementacji tego enzymu.

Enzym GPx-1 został zbadany pod kątem jego działania w procesach wzrostu komórek i odpowiedzi proliferacyjnej; adaptacyjnych reakcjach patologicznych na nadmiar reaktywnych form tlenu, takich jak apoptoza lub zapalenie; oraz procesach chorobowych / uszkodzeniach tkanek, związanych z miażdżycą, toksycznością leków i uszkodzeniem niedokrwienno-reperfuzyjnym [19].

  1. Stres oksydacyjny i apoptoza

Apoptoza jest procesem zaprogramowanej śmierci komórki, która może przyczyniać się do patologicznego uszkodzenia komórek i tkanek w chorobach sercowo-naczyniowych i neurodegeneracyjnych oraz podczas reakcji na toksyny (w tym środki chemioterapeutyczne), posocznicę lub inne bodźce środowiskowe i fizjologiczne [19].

W badaniu na komórkach izolowanych od myszy pozbawionych genu GPx-1 (a zatem i aktywności tego enzymu) występowała zwiększona podatność na apoptozę indukowaną nadtlenkiem wodoru spowodowaną zwiększoną akumulacją wewnątrzkomórkowych ROS [20, 21].

Podobne wyniki otrzymano w badaniu na komórkach aorty od myszy pozbawionych genu GPx-1. Komórki zwierząt wykazywały znacznie wyższe wskaźniki apoptozy w porównaniu z podobnie traktowanymi komórkami myszy z aktywnym enzymem peroksydazy [22].

GPx-1 wykazuje także ochronne działanie przed stresem oksydacyjnym, co udowodniono w komórkach raka piersi T47D. Komórki z nadekspresją peroksydazy glutationowej (a więc ze zwiększonym jej działaniem) miały mniejsze uszkodzenia oksydacyjne mitochondrialnego DNA i zwiększoną odporność na śmierć komórkową wywołaną reaktywnymi formami tlenu [23, 24].

  1. Anemia

Peroksydaza glutationowa  jest szczególnie ważna w czerwonych krwinkach i chroni je przed hemolizą. W stanach niedożywienia, niedobór ryboflawiny (witaminy B2) może być przyczyną obniżonej aktywności peroksydazy glutationowej (GR), co prowadzi do nasilenia stresu oksydacyjnego i anemii hemolitycznej. Ryboflawina jest prekursorem FAD, którego forma zredukowana przekazuje dwa elektrony do wiązania disiarczkowego, obecnego w utlenionej postaci GR, w celu rozpoczęcia cyklu katalitycznego enzymu [23]

Jednak nadekspresja GPx-1 chroni przed apoptozą tylko w warunkach stresu oksydacyjnego. Nadekspresja GPx-1 nie chroni przed apoptozą w przypadku niektórych komórek nowotworowych [24].

  1. Podatności na cukrzycę

Ukierunkowana nadekspresja GPx-1 wyłącznie w komórkach β trzustki chroni zwierzęta przed cukrzycą [25].

Inne badania dowodzą, że nadmiar wolnych rodników i obniżona funkcja mitochondriów są związane z opornością na insulinę w modelach zwierzęcych, jak również u ludzi [26, 27, 28, 29].

Jednak istnieją także badania w których nieoczekiwaną konsekwencją nadekspresji GPx-1 u myszy jest rozwój insulinooporności, hiperinsulinemii i otyłości [30].

Niedobór GPx-1 u myszy chroni je przed insulinoopornością wywołaną dietą wysoko tłuszczową [31]. Odkrycia te sugerują, że w niektórych okolicznościach obniżenie ekspresji GPx-1 i zwiększone wytwarzanie ROS (w szczególności nadtlenku wodoru) może być korzystne [31].

Niezbędne są dalsze badania, aby ustalić jednoznaczne wyniki.

  1.  Choroby sercowo-naczyniowe

GPx-1 chroni przed czynnikami, które pośredniczą w kardiotoksyczności takimi jak: doksorubicyna, antracyklinowy antybiotyk i lek przeciwnowotworowy. Czynniki te mają kardiotoksyczne skutki uboczne, które, wiążą się z wytwarzaniem ponadtlenku i zakłócone oddychania mitochondrialne [32].

W badaniu na komórkach zwiększona aktywność GPx-1 zmniejszała indukowaną doksorubicyną aktywację NFκB i śmierć komórek [33].

Podobnie w badaniu na modelu zwierzęcym nadekspresja GPx-1 chroniła przed zaburzeniami czynności serca wywołanymi doksorubicyną, w szczególności łagodząc zaburzenia czynności mitochondriów [34].  

Z kolei brak GPx-1 (u myszy z nokautem genu GPx-1-/-) nasilał uszkodzenie serca wywołane doksorubicyną, prowadząc do zwiększonego upośledzenia kurczliwości i funkcji rozkurczowej, zaburzeń w przepływie krwi i zahamowania akcji serca.

W niektórych przypadkach zwiększona ekspresja GPx-1 może promować stres redukcyjny poprzez nadmierne usuwanie reaktywnych form tlenu uczestniczących w przekazywaniu sygnału. Dlatego bardzo ważne jest zachowanie odpowiedniej homeostazy.

Chociaż ogólny wpływ GPx-1 można uznać za chroniący przed stresem oksydacyjnym, ważne jest, aby wziąć pod uwagę, że zmiany w równowadze redoks w obu kierunkach, oksydacyjnych lub redukcyjnych, mogą wpływać zarówno ochronnie, jak i szkodliwie.

Badania kliniczne

Istnieją też pewne wstępne badania wśród ludzi nad znaczeniem poziomu GPx w pewnych stanach chorobowych:

  1. Bielactwo

Wykazano, że niski poziom peroksydazy glutationowej mierzony w surowicy może być czynnikiem przyczyniającym się do bielactwa nabytego [35].

  1. Choroba niedokrwienna

W jednym badaniu aktywność peroksydazy glutationowej wraz z innymi enzymami przeciwutleniającymi, takimi jak dysmutaza ponadtlenkowa i katalaza nie była związana z ryzykiem choroby niedokrwiennej serca u kobiet [36].

  1. Stwardnienie rozsiane

Stwierdzono, że aktywność peroksydazy glutationowej jest znacznie niższa u pacjentów ze stwardnieniem rozsianym [37].

  1. Celiakia

Jedno z badań sugeruje, że polimorfizmy peroksydazy glutationowej i dysmutazy ponadtlenkowej odgrywają rolę w rozwoju celiakii [38].

  1. Niepłodność

Badanie niepłodności związanej z endometriozą wykazało niższą średnią aktywność peroksydazy glutationowej
i zwiększoną peroksydację lipidów u niepłodnych kobiet z endometriozą w porównaniu do kobiet bez tej choroby. Sugeruje to, że niski poziom enzymów przeciwutleniających w płynie otrzewnowym odgrywa integralną rolę w rozwoju patologii endometrium [39].

Ponadto u kobiet z endometriozą zgłaszano nieprawidłową ekspresję peroksydazy glutationowej w endometrium [39].

Podsumowując niezbędne są dalsze szersze badana, aby ustalić wpływ enzymu GPx w danych schorzeniach i jednostkach chorobowych.  

Autor: Paulina Żurek

  1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3074794/
  2. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3074794/
  3. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8456126/
  4. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/2142875/
  5. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/2405442/
  6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1221349/
  7. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9915822/
  8. https://academic.oup.com/toxsci/article/65/2/166/1634698
  9. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9915822/
  10. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15256685/
  11. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12835106/
  12. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1308476/
  13. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11028671/
  14. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/14710442/
  15. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1510368/
  16. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9711998/
  17. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12818476/
  18. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10608272/
  19. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3159114/
  20. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9712879/
  21. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15663476/
  22. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11451741/
  23. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10833429/
  24. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1939125/
  25. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19819955/
  26. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17623815/
  27. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12531894/
  28. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12351431/
  29. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18804383/
  30. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15184668/
  31. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19808019/
  32. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/707541/
  33. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12139490/
  34. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16781452/
  35. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25775636/
  36. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4207716/
  37. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4080729/
  38. https://www.researchgate.net/publication/260842689_Evaluation_of_glutathione_peroxidase_and_superoxide_dismutase_enzyme_polymorphisms_in_celiac_disease_patients
  39. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128008720000251