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Rev Cubana Invest Biomed 15(2)

Trabajos de Revisión

Instituto de Ciencias Básicas y Preclínicas "Victoria de Girón"

Enzimas que participan como barreras fisiológicas para eliminar los radicales libres: II. Catalasa

Dra. Ela M. Céspedes Miranda, Dra. Ingrid Hernández Lantigua y Dra. Niurka Llópiz Janer

RESUMEN

Las especies reactivas del oxígeno están implicadas en el daño celular. Sin embargo, en el organismo existe un sistema de protección formado por compuestos y enzimas antioxidantes que participan en las transformaciones de dichas especies. La catalasa es una de las enzimas involucradas en la destrucción del peróxido de hidrógeno generado durante el metabolismo celular. Sus características estructurales, así como su papel en algunas situaciones fisiopatológicas se tratan en el presente artículo.

Palabras clave: RADICALES LIBRES; CATALASA/química; ESPECIES DE OXIGENO REACTIVO.

INTRODUCCION

Durante los procesos biológicos y en el constante intercambio con el medio, se generan especies químicas conocidas como radicales libres, que se caracterizan por presentar un electrón desapareado y por ser muy reactivas. De todos los radicales resultan de gran interés las especies reactivas derivadas del oxígeno (EROS) debido a la estructura birradicálica de esta molécula y al gran número de procesos que las generan y en los que pueden verse involucradas.

Las principales EROS son: el anión superóxido (O2), el radical hidroxilo (OH+), el oxígeno singlete y el peróxido de hidrógeno (H2O2). Estas especies radicálicas están implicadas en el daño celular de forma tal que las agresiones oxidantes pueden dirigirse hacia la carcinogénesis, enfermedades inflamatorias, senectud celular y enfermedades neurodegenerativas, entre otros procesos patológicos.1

En el organismo existe un sistema de protección antioxidante formado por enzimas y compuestos de bajo peso molecular. Una de las enzimas que interviene en la protección y, en consecuencia, en el mantenimiento del balance oxidante/antioxidante es la catalasa (CAT).

CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES

La catalasa (peróxido de hidrógeno: peróxido de hidrógeno oxidorreductasa, EC 1.11.1.6) es una de las enzimas más abundantes en la naturaleza y se encuentra ampliamente distribuida en el organismo humano, aunque su actividad varía en dependencia del tejido; ésta resulta más elevada en el hígado y los riñones, más baja en el tejido conectivo y los epitelios, y prácticamente nula en el tejido nervioso. A nivel celular se localiza en las mitocondrias y los peroxisomas, excepto en los eritrocitos, donde se encuentra en el citosol.2 Esta enzima es una metaloproteína tetramérica, cuyo peso molecular se encuentra en el rango de 210-280 kD. Consta de 4 subunidades idénticas que se mantienen unidas por interacciones no covalentes. Cada subunidad contiene un grupo prostético de protoporfirina IX y el contenido protohémico y el de hierro representan un 1,1 % y 0,09 % respectivamente del peso molecular total de la enzima.3

En algunas especies la CAT contiene moléculas de nicotinamín adenín dinucleótido fosfatado en su forma reducida (NADPH) ligadas estrechamente a la enzima; así se ha demostrado que la CAT humana y la de res están ligadas a 4 moléculas de NADPH, 1 en cada subunidad y que no existe interacción directa entre el grupo hemo y el NADPH.4 En la figura aparece la representación de una subunidad de la enzima.

El NADPH unido a la enzima no está involucrado en su actividad catalítica o peroxidativa. Esta molécula puede intervenir en la prevención y reversión parcial de la inactivación de la CAT por su propio sustrato tóxico y estabiliza a la enzima por tener un efecto alostérico sobre su conformación. Además, la CAT constituye un reservorio de NADPH, lo cual juega un importante papel durante el estrés oxidativo.5

FUNCION ENZIMATICA

La CAT como parte del sistema antioxidante está involucrada en la destrucción del H2O2 generado durante el metabolismo celular. Esta enzima se caracteriza por su alta capacidad de reacción pero relativamente poca afinidad por el sustrato. Presenta 2 funciones: la catalítica y la peroxidativa. Ambas se pueden representar por la ecuación:

H2O2 + H2R ----------® 2H2O + R

sustrato donador CAT

La reacción general entraña la reducción del sustrato tomando los átomos de hidrógeno aportados por el donador, y los productos finales serían el sustrato reducido y el donador oxidado.

En la función catalítica, el donador es otra molécula de H2O2. Esta función sólo puede ser realizada por la enzima en su forma tetramérica.6

H2O2 + H2O2 -----® 2H2O + +O2

En la reacción peroxidativa la enzima puede utilizar como donadores de hidrógeno al metanol, etanol, ácido fórmico, fenol y formaldehído. 7 Esta función se puede realizar con monómeros, dímeros y tetrámeros.6

La actividad de la CAT puede ser inhibida por el cianuro, la azida, el sulfuro, la hidroxilamina, el paracetamol, la bleomicina, la adriamicina, la benzidina y el paraquat.2

IMPORTANCIA BIOMEDICA DE LA CATALASA

La CAT ha sido ampliamente estudiada en relación con su participación en numerosos procesos patológicos de gran importancia en las investigaciones biomédicas, y está involucrada tanto en la génesis como en las consecuencias de dichos procesos.

En modelos animales y humanos de isquemia-reperfusión se ha comprobado la participación de las EROS en la producción de los daños que aparecen durante este proceso, así como la modificación de las enzimas antioxidantes, entre las que se encuentra la CAT, y se ha observado que estas modificaciones no se comportan de igual forma en todos los tejidos.

En estudios realizados en riñón, la reperfusión que siguió al daño isquémico provocó una pérdida de proteínas de la matriz de los peroxisomas, con drástico compromiso de las funciones de éstos y descenso significativo de la actividad de CAT. La disminución de la actividad durante la isquemia se debe a la formación de un complejo inactivo, mientras que durante la reperfusión hay inactivación, proteólisis o disminución de la síntesis de la enzima.8

En pacientes con insuficiencia renal crónica, principalmente en aquéllos que recibieron tratamiento con diálisis peritoneal y hemodiálisis, se encontró una disminución de las enzimas antioxidantes, entre ellas la CAT, a nivel eritrocitario. Esta disminución pudiera ser uno de los factores que propician la hemólisis debido a la peroxidación lipídica en la membrana celular de los eritrocitos.9

El desarrollo de lesiones hemorrágicas en la mucosa intestinal es causado por radicales de oxígeno y la activación de la fosfolipasa A2. Enzimas antioxidantes como la CAT y las superóxido dismutasas (SOD), así como inhibidores de la fosfolipasa A2 pueden prevenir los daños causados por la reperfusión intestinal, siempre que el tratamiento se aplique durante la isquemia, pero antes de la reperfusión.10 Se ha encontrado también una relación causal entre la generación de radicales libres y el daño isquémico de la retina y se comprobó la protección que brindan las SOD y la CAT, las que se recomiendan como posible tratamiento.11

La reperfusión es, sin duda, la forma más efectiva para tratar la isquemia del miocardio, sin embargo, puede causar profundos daños tisulares. La producción miocárdica de EROS que sobrepasa la capacidad neutralizadora de los miocitos es una causa importante de este daño. Hay evidencias de que la isquemia prolongada reduce los mecanismos de defensa contra estas especies reactivas.12 El pretratamiento con derivados no tóxicos de endotoxinas induce la protección contra el daño y aumenta la actividad de la CAT.13

La administración de SOD y CAT reduce la incidencia de depresión de la función contráctil en modelos experimentales, y puede limitar la necrosis si se utilizan en el momento de la reperfusión.14

Estudios recientes muestran que la CAT y las SOD, administradas de forma independiente durante la reperfusión cardíaca, reducen significativamente la producción de EROS, pero fallan ante la producción de arritmias ventriculares inducidas por la reperfusión . Ambos efectos pueden eliminarse cuando las 2 enzimas se aplican juntas.15

La acción de la CAT puede suprimir el incremento de CA++ intracelular que se produce a través del aumento del H2O2 provocado por el daño isquémico a nivel miocárdico.16

Durante los trasplantes cardíacos tiene lugar una isquemia prolongada seguida de reperfusión con sangre oxigenada, produciéndose un aumento en los niveles de las EROS, lo que trae como consecuencia un desacoplamiento de los procesos de contracción- -excitación a nivel del sarcolema. La CAT y las SOD pueden preservar la función del metabolismo miocárdico durante el trasplante.17

Se ha encontrado que después de quemaduras severas existe un incremento del catabolismo proteico con la consiguiente disfunción hepática, lo cual puede reducirse administrando enzimas antioxidantes como la CAT.18

En afecciones respiratorias como el síndrome de distress respiratorio en adultos, inducido por EROS, se ha encontrado aumento en la actividad de la CAT.19 En modelos experimentales de inducción de edema pulmonar con aloxano se observó que este compuesto produce daños a nivel endotelial y aumento en los niveles plasmáticos de tromboxano B2 y 6-cetoprostaglandina F1. La CAT previene el aumento de estos compuestos y la acumulación de agua extravascular, reduciendo el daño endotelial y con ello el edema pulmonar.20

Numerosos estudios han relacionado la infertilidad masculina con una disminución de la motilidad de los espermatozoides, lo que parece estar causado por un aumento de especies reactivas, sobre todo de H2O2. Este puede ser reducido por acción de la CAT, lo cual se propone como posible tratamiento en estos casos.21

Se han realizado estudios que plantean la inducción de proteínas del shock térmico (HSP) como responsables de enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer. La síntesis de HSP es inducida por las EROS y se observa que una exposición a éstas en presencia de enzimas antioxidantes como la CAT y las SOD mejora la supervivencia de las células y disminuye la inducción de HSP.22

En el tratamiento de pacientes afectados por estas enfermedades neurodegenerativas se utiliza la droga (-) deprenil, que aumenta selectivamente la actividad enzimática de la CAT y las SOD a nivel del cuerpo estriado.23

En relación con las afecciones tumorales se ha encontrado en pacientes con tumores del tracto gastrointestinal un aumento de la actividad de CAT en los estadios iniciales del proceso. Esta actividad disminuía y llegaba a ser mínima en estadios de metástasis diseminada y caquexia.24

Otros estudios con modelos experimentales han mostrado el importante papel que juegan las EROS en la invasión tumoral y las metástasis y se ha observado que la administración de CAT podía inhibir la formación de metástasis.25

La actividad de las enzimas con propiedades antioxidantes también ha sido estudiada en modelos experimentales animales de enfermedades meta-bólicas como la diabetes mellitus donde se han encontrado disminuidas las SOD y la CAT, disminución que podía ser prevenida por la administración de insulina.26

Estos hallazgos permiten considerar que la participación de los sistemas antioxidantes en el mantenimiento del balance oxidante/antioxidante constituye un elemento esencial para el control de numerosos procesos biológicos cuyas alteraciones pueden originar o ser consecuencia de trastornos somáticos en un individuo.

SUMMARY

Oxygen's reactive species are involved in cellular damage; however, in the organism there is a protection system composed of compounds and antioxidant enzymes that participate in the transformations of such species. The catalase is one of the enzymes involved in the destruction of hydrogen peroxide, generated during cellular metabolism. Its structural characteristics as well as its role in some physiopathologic situations are dealt with in the present article.

Key words: FREE RADICALS; CATALASE/chemistry; REACTIVE OXYGEN SPECIES.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

  1. García JC, García B, Morin MA, Céspedes EM, Clapes S, Etienne O. Radicales libres: impacto médico. BEB (México) 1993;13(3): 75-83.
  2. Chance B, Maehly AC. Assay of catalases and peroxidases. En: Colowick SP, Kaplan NO, eds. Methods in enzymology. New York: Academic, 1955;764-5.
  3. Hadju J, Wyss SR, Aebi H. Properties of human erythrocyte catalases after crosslinking with bifunctional reagents: symmetry of the quaternary structure. Eur J Biochem 1977; 80:199-207.
  4. Fita I, Rossman MG. The NADPH binding site on liver catalase. Proc Nat Acad Sci USA 1985;82:1604-8.
  5. Kirkman HN, Gaetani GF. Catalase: a tetrameric enzyme with four tightly bound molecules of NADPH. Proc Nat Acad Sci USA 1984;81:4343-7.
  6. Srivastava SK, Ansari NH. The peroxidatic and catalitic activity of catalase in normal and acatalasemic mouse liver. Biochem Biophys Acta 1980;633:317-22.
  7. Havir EA, McHale NA. Enhanced peroxidatic activity in specific catalase isozymes of tobacco, barley and maize. Plant Physiol 1989;91:812-5.
  8. Gulati G. Ischemia-reperfusion injury biochemical alterations in peroxisomes of rat kidney. Arch Biochem Biophys 1992;15:90-100.
  9. Durak I, Akyol D, Basesme E. Reduced erythrocytes defense mechanism against free radical toxicity in patients with chronical renal failure. Nephron 1994;66:76-80.
  10. Schoenberg MH. Reperfusion injury after intestinal ischemia. Crit Care Med 1993;21:1376-86.
  11. Nayak MS, Kita M, Mamor MF. Protection of rabbit retina from ischemic injury by superoxide dismutase and catalase. Inves Ophtalmol Vis Sci 1993;34:2018-22.
  12. Ferrari, R. Occurrence of oxidative stress during miocardial reperfusion. Mol Cell Biochem 1992;111:61-9.
  13. Nelson DW. Pretreatment with a nontoxic derivative of endotoxin induces functional protection against cardiac ischemia-reperfusion injury. Surgery 1991;110:365-9.
  14. Downey JM. Superoxide dismutase therapy for miocardial ischemia. Free Rad Res Commun 1991;2:703-20.
  15. Tosaki A, Droy-Lefaix MT, Pali L, Das DK. Effects of SOD, catalase and a novel antiarrhythmic drug, EGB 761, on reperfusion induced arrhythmias in isolated rat hearts. Free Radic Biol Med 1993;14:361-70.
  16. Kimura M, Maeda K, Hayashi S. Cytosolic calcium increase in coronary endothelial cell after H2O2 exposure and the inhibitory effect of V78517F. Br J Pharmacol 1992;107:488-93.
  17. Keith F. Oxygen free radicals in cardiac transplantation. J Cardiovasc Surg 1993;8:245-8.
  18. Shao H. Effect of lipoperoxide on catabolism of protein in burns in rats. Chun Hua Wai Chin 1991;29:581-3.
  19. Left JA, Parson PE, Day CE. Increased serum catalase activity in septic patients with the adult respiratory distress syndrome. Am Rev Respir Dis 1992;146:985-9.
  20. Kawada T, Kambara K, Arakawa M. Pretreatment with catalase of dimethyl sulfoxide protects alloxan-induced acute lung edema in dogs. J Appl Physiol 1992;73:1326-33.
  21. Zini A, De Lamirande E, Gagnon C. Reactive oxygen species in semen of infertile patients: levels of superoxi dismutase and catalase like activities in seminal plasma and spermatozoa. Int J Androl 1993;16:183-8.
  22. Omar R, Papolla M. Oxygen free radicals as inducers of heat shock protein synthesis in cultured human neuroblastoma cells: relevance to neurodegenerative disease. Eur Arch Psychiatr Clin Neurosci 1993;242:262-7.
  23. Knoll J. The pharmacological basis of the beneficial effects of (-) deprenil (selegiline) in Parkinson and Alzheimer diseases. J Neural Supp 1993;40:69-91.
  24. Chevari S, Andial T, Benke K, Shtrenger I. Free radical reactions and cancer. Vopr Med Khim 1993;38:4-5.
  25. Nanaka Y, Iwagaki H, Kimura T. Effect of reactive oxygen intermediates on the in vitro invasive capacity of tumor cells and liver metastasis in mice. Int J Cancer 1993;30:983-6.
  26. Tagami S, Kando T, Yoshida K. Effects of insulin on impaired antioxidant activities in aortic endothelial. Metabolism 1992;41:1053-8.
Recibido: 26 deciembre de 1995. Aprobado: 5 de febrero de 1996.

Dra. Ela M. Céspedes Miranda. 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.

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