CICLOOXIGENASA

  • Macarena De la Riva Bueno
  • Beatriz Fernández-Roldán Galán
  • Andrea Delgado Ruiz

1º Biología Sanitaria – Universidad de Alcalá

INTRODUCCIÓN A LA PROTEÍNA

La ciclooxigenasa (COX) es una de las enzimas más importantes para la síntesis de prostaglandinas, que son lípidos mediadores autocrinos y paracrinos (en la misma célula o entre células cercanas), que actúan sobre las plaquetas, el endotelio, las células uterinas y los mastocitos, entre otros. Además se encuentran en casi todos los órganos y tejidos y realizan funciones relacionadas con la homeostasis de diversos órganos como con el dolor, la inflamación y el desarrollo de neoplasias (1).

Gracias a la investigación realizada por sir John Vane en 1971, donde sugería que la inhibición de las prostaglandinas era el método más importante de medicamentos como la aspirina, se descubrió la existencia de dos isoformas de la COX, la COX-1 y la COX-2 (1).

La Ciclooxigenasa-1 o COX-1 es una enzima que al igual que la ciclooxigenasa tiene un papel importante en la búsqueda de medicamentos antiinflamatorios no esteroideos (AINES) ya que regula la protección gastrointestinal, la homeostasis vascular, la hemodinámica renal y la función plaquetaria. Además también participa en la síntesis de prostanoides como la prostaglandina o los tromboxanos para propósitos fisiológicos (1).

A nivel celular la COX-1 se puede encontrar tanto en el citoplasma como en el retículo endoplasmático (1).

La Ciclooxigenasa-2 o COX-2 a diferencia de la 1 no se presenta en las células de forma constitutiva, pero si puede ser inducida por citocinas, endotoxinas y factores de crecimiento (1).

Estas enzimas actúan sobre el ácido araquidónico y pueden realizar dos reacciones diferentes una ciclooxigenación que produce PGG2 o una peroxidación donde se transforma el PGG2 en PGH2 (1).

Por último también existe una tercera isoenzima de la ciclooxigenasa la COX-3 que procede del mismo gen que la COX-1 teniendo como única diferencia que retienen el intrón 1 de su mARN (1).

ESTRUCTURA

Homodímero de la COX-1. Se observa, en azul, los grupos hemo y las cadenas de oligosacáridos, esenciales en el plegamiento proteico. Imagen generada a partir de PDB 3N8Y

La estructura de la COX se había deducido a partir de sus diversos papeles biológicos y bioquímicos, pero fue gracias a la obtención de estructuras cristalinas de rayos X de las dos isoenzimas cuando se pudieron confirmar todas las hipótesis anteriores, como la naturaleza hidrófoba del sitio activo de la COX, la diferencia entre ambas isoformas y la existencia de distintos puntos para las catálisis que produce. A continuación, vamos a profundizar más en estos puntos y en la estructura en general (2).

La estructura cuaternaria de la ciclooxigenasa consiste en un homodímero (dos cadenas iguales) conjugado con oligosacáridos. Por tanto, es una glicoproteína, con un 42% alfa, con 26 hélices, y un 8% beta, con 25 hebras. Está formada por dos cadenas, cada una de ellas tiene dos dominios estructurales (zona todo-beta y zona todo-alfa) y tres dominios funcionales: el dominio EGF (epidermal growth factor) (residuos 34-72), el domino de unión a membrana (residuos 73-116) y el dominio catalítico, que contiene los centros activos que le dan actividad ciclooxigenasa y peroxidasa (2).

Monómero de COX-1 inhibido por acetilación de serina con aspirina y unido a diclofenaco en el centro activo. Imagen generada con Chimera a partir de PDB 3N8Y

En cada monómero distinguimos 3 dominios:

  • Dominio 1: comprende desde el residuo 33 al 72 (dominio EGF) (2).
  • Dominio 2: comprende del residuo 73 al 116. Está formado por 4 segmentos alfa-helicoidales. Tres de esos segmentos se encuentran a la entrada de un canal hidrofóbico, que está formado por cuatro hélices alfa. Los segmentos helicoidales son anfipáticos. Este dominio es el que se une a la membrana (2).  
  • Dominio 3: comprende del residuo 117 al 583. Se trata de una estructura globular que presenta dos lugares activos, uno que cataliza la ciclooxigenación y otro la perooxidación 3,4 . Este centro activo se encuentra al fondo del túnel hidrofóbico anteriormente nombrado, sobresaliendo en su dominio globular del dominio de unión a la membrana en el que se encuentra. Incluye el grupo hemo, cuyo hierro está coordinado por la histona 388 y la 207 (2).

Tres de las hélices alfa del dominio de unión a la membrana están en la entrada de este túnel.

Pasando a comparar las dos isoformas desde el punto de vista estructural, la ciclooxigenasa 1 y 2 tienen una homología superior al 90%. Las pequeñas diferencias entre ambas radican principalmente en la secuencia de aminoácidos, aunque estas son muy similares. También, aunque poseen idénticos mecanismos catalíticos, difieren en el sitio de unión para el ácido araquidónico. La COX-2 presenta un canal más amplio que permite en paso de AINE, mientras que dicho proceso es imposible en la COX-1 debido al menor tamaño de su canal.  Como consecuencia de esta diferencia en el tamaño de su canal, y por otras razones de distintas preferencias por inhibidores y sustratos, se da otra pequeña diferencia en la estabilidad estructural de las isoenzimas, siendo la de la COX-2 menor que la de la COX-1. Esto afecta a la selectividad del ligando en los sitios activos de la enzima respectiva (2).

Diferencia estructural entre COX1 y COX2 debida al cambio de isoleucina (derecha) a valina (izquierda). Tomado de 10

PAPEL FISIOLÓGICO

Estas enzimas, además, tienen otros papeles biológicos en diversos órganos y sistemas de nuestro cuerpo. Por ejemplo, en el tracto gastrointestinal, uno de sus productos reduce la producción de ácido gástrico y favorece la secreción de moco. En varias regiones del riñón podemos encontrar prostanglandina, producto de la catalización de estas enzimas como ya hemos dicho. Estas dilatan los vasos medulares, provocando la disminución de la resistencia vascular y el aumento de la perfusión de este órgano (1).

Encontramos también COX-1 en las neuronas cerebrales, y la COX-2 en la médula espinal en ciertos animales y humanos. También se encuentran en el epitelio uterino durante la primera etapa del embarazo, lo que sugiere que pueden tener importancia en la implantación del óvulo y desarrollo de la placenta (1).

PAPEL BIOQUÍMICO

Las isoenzimas COX-1 y COX-2 catalizan la formación de prostanglandinas, que interaccionan irreversiblemente con receptores de membrana participando así en todos los procesos fisiológicos y patológicos de los que se tiene constancia. También catalizan la formación de levuloglandinas, que actúan a través de la unión irreversible a numerosas proteínas, y tromboxano (3).

Vista general de la síntesis de prostanoides, en la que los productos iniciales son dos ácidos grasos esenciales (deben ser ingeridos con la dieta). Las dos vías, la de omega-6 y omega-3, tienen efectos contrapuestos, requiriéndose una ingesta equilibrada de ambos precursores.
Imagen modificada a partir de 8

Las moléculas sintetizadas por las ciclooxigenasas se integran en una ruta bioquímica esencial: la síntesis de eicosanoides o prostanoides, que son mediadores en inflamación, regulación de la presión arterial, vasodilatación, dolor y coagulación. Otros derivados, como las resolvinas y neuroprotectinas, tienen un papel fundamental en el desarrollo y mantenimiento del tejido nervioso. Por ejemplo, un ácido omega-3, el DHA (que es abundante en los huevos camperos), podría contribuir a la prevención de la enfermedad de Alzheimer. Además, estos ácidos se incorporan en las membranas celulares, regulando su fluidez, daño oxidativo, permeabilidad y la actividad de proteínas de membrana, contribuyendo a la homeostasis (3).

El hecho de que, para los humanos, los ácidos linoleico y linolénico sean esenciales, pero no los demás, que pueden ser sintetizados, posibilita que podamos sobrevivir con una dieta herbívora. Esto es debido a que los productos vegetales (aceites, frutos, hojas y semillas) contienen estos dos ácidos. Algunos animales necesitan ingerir otros ácidos grasos. Por ejemplo, los gatos apenas tienen actividad en los enzimas que transforman el ácido linoleico en araquidónico, sin el que los mamíferos moriríamos y que está presente en animales. Asi que los gatos son carnívoros estrictos y no podrían sobrevivir con alimentos de origen vegetal. Por otro lado, los gatos pueden sintetizar la vitamina C y nosotros no, por lo que necesitamos incorporarla de las frutas y otros productos vegetales y los gatos solo necesitan comer carne y nosotros necesitamos una dieta omnívora. El ácido araquidónico, sintetizado  o incorporado con la dieta, se almacena en forma de fosfolípidos en la membrana de las células, de donde se moviliza para sintetizar prostaglandinas y otros mediadores (8).

Lo interesante del asunto es que parte de las moléculas sintetizadas a partir de los ácidos linoleico y linolénico tienen efectos contrapuestos. Unas son vasodilatadoras, otras vasoconstrictoras, por ejemplo. Para que todas se formen adecuadamente y todo funcione, los ácidos omega-6 y omega-3 deben ingerirse en la proporción adecuada, ya que las rutas comparten enzimas fundamentales. Es decir, el equilibrio en la ingesta de ácidos grasos es fundamental para asegurar el funcionamiento óptimo de nuestras funciones fisiológicas (8).

En la síntesis de prostanglandinas inflamatorias, el ácido araquidónico es el origen. Se dioxigena el araquidonato, dando lugar a PGG2, un producto intermedio, que se reduce a PGH2. Estas dos reacciones son catalizadas por la cox y a ambos productos los llamamos endoperóxidos de prostanglandina. Esto se produce gracias a la actividad peroxidasa intrínseca de la enzima, que es hemo-dependiente (hemos hablado de ella en la estructura). Esta está implicada en la formación del radical Tyr-385, el cual es necesario para que se lleve a cabo la actividad de la ciclooxigenasa (3).

Biosíntesis de la prostaglandina H2 por la ciclooxigenasa-1. El precursor ácido araquidónico se convierte en el peróxido prostaglandina G2, gracias a la actividad ciclooxigenasa del enzima. La actividad peroxidasa del enzima genera la prostaglandina H2, que es, a su vez, precursor de las familias de prostaglandinas y tromboxanos.

La ciclooxigenasa también cataliza la inserción de O2 en el EPA o ácido cis-eicosapentaenoico, el isómero omega-3 del ácido araquidónico (ver figura anterior) (3).

Esto, junto con algunos experimentos, implicaba que la extracción del hidrógeno de 13 proS del ácido araquidónico, seguido por la oxigenación de C-11 es uno de los limitantes de velocidad (3). 

Respecto a la inactivación de esta enzima, debemos añadir que ambos tipos de ciclooxigenasas han desarrollado diversos procesos químicos con los que son capaces de regular su propia activación e inactivación de forma ordenada (3).

Las enzimas COX utilizan peroxidasas con las que se estimulan al inicio de la catálisis y, una vez alcanzada la velocidad máxima, limitan su velocidad mediante la inactivación conocida como inactivación de «suicidio» (3).

A pesar de ser un proceso complejo, la COX es capaz de utilizar radicales intermedios generando hidroperóxidos reactivos o productos de endoperóxido como PGG2 y PGH2, llevando los intermedios a dos destinos diferentes: el primer destino un ciclo catalítico que produce producto y enzima regeneradora, y el segundo un ciclo catalítico que conduce a la inactivación irreversible de la enzima (3).

Los primeros estudios más detallados de esta auto-inactivación mostraban que la síntesis de PGH2 generaba productos oxidantes que aumentaron la velocidad inicial y la catálisis antes de la inactivación de la enzima. Por lo tanto, parecía que la COX estaba irreversiblemente auto-desactivada debido a su oxidación por radicales oxigenados que se formaron como resultado de la reducción por la peroxidasa del hidroperóxido en PGG2, aunque no parece que sea el único proceso químico que participa en la inactivación de la enzima, ya que pueden también pueden reaccionar con proteínas, entre otros (3).


EVOLUCIÓN

La ruta metabólica de los eicosanoides (moléculas de carácter lipídico) se llama “cascada de ácido araquidónico”, comenzando con la oxigenación del ácido araquidónico por acción de diversas enzimas (4).

Cascada de ácido arquidónico con la intervención de ciclooxigenasa y lipooxigenasa. Tomada de: 9

Hasta ahora clasificamos cuatro oxigenasas: ciclooxigenasa, 5-lipoxigenasa, 12-lipoxigenasa y 15-lipoxigenasa. Las cuatro enzimas se estudiaron mediante la comparación de sus secuencias, descubriendo ciertos aspectos relacionados con su evolución y estructuras. Esto permitió ver que el origen evolutivo de ciclooxigenasa y lipooxigenasa era distinto, ya que la ciclooxigenasa parte de la familia de las hemo peroxidasas (4).

Todas las secuencias genéticas de hemo peroxidasas se pueden dividir filogenéticamente en dos superfamilias y tres familias: las superfamilias peroxidasa-ciclooxigenasa y peroxidasa-catalasa, y las familias di-hemo peroxidas, hemo-haloperoxidasa y peroxidasa tipo dyp. Dentro de la superfamilia de peroxidasa-ciclooxigenasa, el camino evolutivo desarrolló proteínas involucradas en el sistema de defensa inmune innato y en la biosíntesis de hormonas (5).

Miembros familia peroxidasas
Tomado de: 4

La prostaglandina-endoperóxido sintetasa (ciclooxigenasa) es una enzima bifuncional: por una parte, la actividad de ciclooxigenasa de ácido graso, y por otra parte la actividad de hidroperoxidasa PG (4).

A partir de la clonación de ADNc (ADN complementario) de la ciclooxigenasa, se observaron fuertes similitudes entre la ciclooxigenasa de ratón y pollo, pues sus secuencias codificaban proteínas parecidas. La introducción del material genético de las células COS-1 con el ADNc de ratón provocó una enzima ciclooxigenasa funcional distinta de la ciclooxigenasa previamente conocida de humanos, ovejas y ratones. Así, la enzima conocida con anterioridad se denominó ciclooxigenasa-1, y la nueva enzima descubierta, ciclooxigenasa-2. La secuencia de aminoácidos de la COX se sometió a la búsqueda de homología entre estructuras primarias de proteínas, lo que permitió observar el débil pero similar parecido entre regiones de esta con la eosinófilo peroxidasa, lactatoperoxidasa, mieloperoxidasa y tiroperoxidasa. La relación entre ciclooxigenasa y peroxidasa fue débil, aunque posteriores estudios revelaron que la región de la ciclooxigenasa ha evolucionado a partir de una enzima ancestral común con las peroxidasas. La “familia de peroxidasa” se encuentra constituida por las peroxidasas anteriormente nombradas (eosinófilo peroxidasa, lactatoperoxidasa, mieloperoxidas…) junto con la ciclooxigenasa 1 y 2. Los miembros de esta familia se identifican por la pertenencia de heina, además de residuos de Histidina con el hierro hemo (4).

Se realizó un árbol filogenético teniendo en cuenta la alineación de regiones homólogas, y a través de esto se observó una separación temprana de las ciclooxigenasas 1 y 2 con respecto a los otros miembros de la familia de peroxidasa. Las COX-2 formaron un grupo aparte, distinto del grupo formado a partir de la COX-1 de mamíferos, aunque, teniendo en cuenta que las COX-2 derivaron de aves y mamíferos, al menos estos grupos animales tienen ambos genes para las ciclooxigenasas 1 y 2 (4).

El árbol también mostró que la tiroperoxidasa estaba separada funcionalmente, aunque fue después de la divergencia de las ciclooxigenasas. La lactatoperoxidasa también se separó, y la divergencia entre mieloperoxidasa y eosinófilo peroxidasa fue la que ocurrió en último lugar (4).

Divergencia de los distintos miembros de la familia peroxidasa
Tomado de: 4

IMPLICACIONES BIOMÉDICAS Y BIOTECNOLÓGICAS

Una de las principales aplicaciones biomédicas de la ciclooxigenasa es su implicación en el tratamiento, prevención y desarrollo de los distintos tipos de cáncer. En la actualidad algunos de los avances relacionados con los tratamientos oncológicos se debe al descubrimiento de dianas terapéuticas de tumores (6).

La COX-2 es una de las principales enzimas relacionadas con el desarrollo y la prevención del cáncer (6).

Una investigación sobre las neoplasias llevó al descubrimiento de que la inhibición de la ciclooxigenasa mediante el uso de antiinflamatorios no esteroideos reducía considerablemente las neoplasias (6).

La COX-2 se encuentra en distintos tipos de células sobre todo en las que se encuentran en zonas relacionadas con los mecanismos inflamatorios como por ejemplo en procesos como la inducción al parto y la ovulación (6).

Diversas investigaciones han concluido que el uso de antiinflamatorios no esteroideos y de inhibidores selectivos de la COX-2 (coxibs) puede ser beneficioso en el tratamiento y prevención de las neoplasias (6).

  • Las ciclooxigenasas y el tracto gastrointestinal

En los cánceres de colon humano, la COX-2 se expresa en grandes cantidades. Muchos estudios han demostrado que el tratamiento con antiinflamatorios no esteroideos han ayudado mucho en el tratamiento y prevención de tumores malignos (7).

Por otro lado también se ha observado que la ciclooxigenasa participa en la activación de carcinógenos químicos, la apoptosis y la proliferación celular (7).

Los AINES son capaces de inhibir todas estas funciones en las que participa la ciclooxigenasa pudiendo incluso llegar a producir la apoptosis de células tumorales reduciendo así la proliferación y replicación de las células cancerígenas y sirviendo como tratamiento de muchos tipos de cáncer (7).

La principal aplicación biomédica y biotecnológica de la ciclooxigenasa y con ello de los antiinflamatorios no esteroideos se puede apreciar en el tracto gastrointestinal más específicamente en el cáncer colorrectal (7).

La aspirina es el principal AINE utilizado en el tratamiento de este tipo de cáncer debido a su capacidad de disminuir el riesgo de padecer la enfermedad. El fundamento de su uso es la inihibición de la ciclooxigenasa-2, bloqueando la síntesis de señales inflamatorias. La inhibición enzimática por aspirina y otros AINEs relacionados es un ejemplo de inhibición suicida: el inhibidor enzimático actúa modificando covalentemente el enzima y bloqueando su acción.

Algunos estudios apoyan esta teoría:

“Un grupo control que fue tratado con paracetamol constató que el consumo regular de aspirina a dosis bajas reducía el riesgo de mortalidad por esta neoplasia [cancer colorrectal]. Otro estudio reciente ha confirmado el efecto protector del uso de aspirina a las dosis empleadas en la prevención de la enfermedad cardiovascular sobre el desarrollo de cáncer colorrectal, pero este beneficio únicamente se hace evidente cuando su consumo se mantiene durante un período prolongado, superior a una década. Por último, el uso prolongado de AINE también ha de mostrado un efecto protector sobre el riesgo de desarrollar adenomas, lesiones precursoras del cáncer colorrectal.” (7)

La aspirina actúa como inhibidor suicida: se une al centro activo de la ciclooxigenasa, provocando la acetilación de un residuo de serina esencial para la actividad enzimática.

Otros estudios experimentales realizados con animales también han demostrado la posible veracidad de este tratamiento ya que concluyeron con la reducción del crecimiento tumoral y la disminución de las lesiones después de haber sido expuestos a un tratamiento prolongado con antiinflamatorios no esteroideos (7).

La cantidad de COX-2 presente en los tejidos puede ayudar a concluir la presencia de un tumor en esa zona ya que los niveles de COX-2 se ven elevados en los tejidos de células neoplásicas (7).

Por ejemplo “El grado de expresión de COX-2 en tumores hepáticos es significativamente superior en relación con muestras de pacientes con cirrosis o hepatitis crónica. Asimismo, se ha correlacionado la expresión de COX-2 con el grado de diferenciación tumoral, siendo superior en los tumores hepáticos bien diferenciados y de pequeño tamaño, lo que sugiere que esta isoforma se halla implicada en las etapas precoces de la carcinogénesis hepática.” (7)

BIBLIOGRAFÍA

  1. Meijide, G., Gómez-Reino, J. A., & Carnota, J. J. (2000). Fisiopatología de la ciclooxigenasa-1 y ciclooxigenasa-2 Texto completo. Publicado En Rev Esp Reumatol, 2727, 33–5.
  2. Rouzer, C. A., & Marnett, L. J. (2009). Cyclooxygenases: structural and functional insights. Journal of lipid research50(Supplement), S29-S34.
  3. Fitzpatrick, F. A. (2004). Cyclooxygenase enzymes: regulation and function. Current pharmaceutical design10(6), 577-588.
  4. Toh, H., Yokoyama, C., Tanabe, T., Yoshimoto, T., & Yamamoto, S. (1992). Molecular evolution of cyclooxygenase and lipoxygenase. Prostaglandins44(4), 291-315.
  5. Zámocký, M., & Obinger, C. (2010). Molecular phylogeny of heme peroxidases. In Biocatalysis based on heme peroxidases (pp. 7-35). Springer, Berlin, Heidelberg.
  6. Castells, A., Balaguer, F., Gonzalo, V., & Castellví-Bel, S. (2007). Ciclooxigenasa 2 y cáncer colorrectal: implicaciones terapéuticas. Gastroenterología y Hepatología, 30(5), 280–284.
  7. Garangou, A. C., Caserras, X. B., Piñol, V., & Elizalde, J. I. (2000). Ciclooxigenasa-2 (COX-2) en el cáncer digestivo. Implicaciones terapéuticas. Gastroenterología y hepatología, 23(10), 483-490.
  8. http://espiadellabo.com/2014/11/huevos/
  9. http://araquidonico.blogspot.com/2014/10/acido-araquidonico-y-sus-funciones.html
  10. https://falete04.wordpress.com/tag/ciclooxigenasa/

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