Les tioredoxines (Trx) són una família de proteïnes petites (12 kDa) trobades en un gran nombre d'espècies, tant en procariotes com d'eucariotes. Laurest T.C. el 1963, va obtenir la primera Trx en extreure-la de E. Coli, però va ser Moore E.C., el 1967, qui va descriure primer la Trx de mamífer al purificar-la d'un hepatoma de Novijoff. Més tard, altres investigadors les han reportat amb diferents noms com: interleucina-1 (IL-1), citosina produïda pel virus d'Epstein-Barr, factor derivat de la leucèmia de cèl·lules T adultes; això no obstant, totes aquestes proteïnes presenten la mateixa seqüència d'aminoàcids, per la qual cosa totes són tioredoxines.
La Trx està implicada en un gran nombre de funcions cel·lulars en els mamífers. Dins de la cèl·lula, la seva activitat es pot analitzar depenent de la seva localització; així, en el citoplasma actua com a antioxidant i cofactor; en el nucli modula la regulació de l'activitat dels factors de transcripció, i en el mitocondri té una funció important en la supervivència cel·lular durant el desenvolupament embriogènic. La Trx també pot exercir la seva activitat fora de la cèl·lula en estimular el creixement cel·lular i la quimiotaxis.
Les proteïnes de la família de les Trx presenten un lloc catalític conservat, en el qual dos cisteïnes, la 32 i la 35 es troben en forma de ditiol (-SH)2 en l'enzim reduït (Trx-[SH]2). Aquestes cisteïnes són les encarregades d'experimentar el procés d'oxidació reversible a disulfat de cisteïna mitjançant la transferència d'equivalents reductors, i generar l'espècie oxidada de l'enzim (Trx-S2).
La reacció per regenerar la Trx reduïda (Trx-[SH]2) és catalitzada per l'enzim Trx reductasa (Trx-R), que és una flavoproteïna dependent de NADPH+H.
El mecanisme d'acció de l'enzim Trx és el següent: la proteïna substrat (X-S2) que s'ha de reduir, s'uneix a la superfície hidròfoba de la Trx-[SH]2; en aquest lloc, on hi ha un ambient hidròfob, el grup tiol de la Cis32 actua com un nucleòfil, ja que es combina amb el X-S2 de forma covalent (Trx-Cis32-S-S-X). Posteriorment, la Cis35 dona el seu protó i reacciona amb la Cis32-S-S-X, alliberant la proteïna substrat reduïda (X-[SH]2), i formant a la Trx oxidada (Trx-[S]2), la qual és llavors reduïda per la Trx-R, dependent de NADPH. El NADPH+H s'oxida a NADP+ al cedir els protons a la Trx-[S]2 per poder-se regenerar a la forma Trx-[SH]2.
Estructura de la Trx Hi ha diversos membres de la família de les Trx en els mamífers i en altres espècies, se sap que la Trx és una proteïna globular compacte amb cinc cadenes β plegades que tenen un centre hidrofòbic envoltat per quatre hèlix α sobre la superfície externa. Els residus aminoacídics del centre actiu són molt conservats: -Trp-Cis32-Gli-Pro-Cis35-Lis-. S'ha vist que serveix per unir la segona cadena β plegada a la segona hèlix α i formar la primera volta de la segona hèlix. Aquesta estructura terciària és molt estable i es coneix com la "Trx plegada".
Trx-1 S'ha colonat la Trx-1 humana, així com la del pollastre, ratolí, rata i boví, i es va trobar que és una proteïna de 104 aminoàcids amb un pes molecular de 12 kDa. Una característica és que algunes d'elles presenten la metionina en l'extrem N-terminal. La Trx-1 humana i d'altres mamífers contenen, a més dels dos residus de Cis en el centre catalític, altres tres residus de cisteïna, la Cis62, Cis69 i Cis73, les quals poden conferir propietats biològiques úniques a la Trx-1 de mamífers.
El gen per la Trx-1 humana es localitza sobre les bandes 9q32 en el cromosoma 9, mentre que el gen de la Trx-1 de ratolí es troba en el segon quart proximal del Cr 4, que és homòleg a la localització 9q32 del cromosoma humà.
L'estructura cristal·lina de la Trx-1 humana ha revelat una conformació dimèrica en la qual els monòmers estan units a través d'un pont disulfur entre les Cis73 de cada subunitat, mentre que els residus del centre actiu estan reduïts. El dímer conté una interfase hidrofòbica gran (100Ǻ), amb cinc ponts d'hidrogen a més de l'enllaç disulfur. En la interfase dimèrica es localitzen 12 aminoàcids de cada monòmer, 10 dels quals no varien en animals superiors, incloent Cis73. L'aparent constant de dissociació per la formació de dímers no covalents sota condicions de reducció varia entre 6 i 166μM a pH de 3.8 i 8, respectivament.
Es desconeix si la formació del dímer passa sota condicions fisiològiques pel fet que l'associació és relativament feble, i no és clar el paper del dímer de Trx-1, ja que el centre actiu, en romandre tancat, no és un substrat de la reducció per la Trx-R i no estimula el creixement cel·lular. D'altra banda, encara no s'ha aconseguit determinar la concentració local de Trx-1 humana en teixits, però es creu que els valors són aproximadament de 2 a 12μM.
Trx-2 Es va identificar una segona Trx una mica més llarga en els mitocondris del cor de porc, i se li va denominar Trx-2. Aquest enzim té 166 aminoàcids, i pesa 18 kDa. Presenta un centre catalític conservat, però sense els tres residus extres de Cis trobats a la Trx-1 de mamífers. L'extensió N-terminal de 60 aminoàcids de la Trx-2 exhibeix característiques consistents amb el senyal de translocació mitocondrial. Pel que sembla, té un lloc de probable ruptura, el que donaria dos fragments: una proteïna d'uns 12.2 kDa, i un altre fragment que contindria el centre catalític. S'ha demostrat que aquest fragment petit té activitat catalítica i redueix la insulina, i és reduït al seu torn per la Trx-R i NADPH+H.
p32TrxL Un tercer tipus de tioredoxina és la p32TrxL, formada per una Trx a la qual uneix una proteïna citosòlica de 32 kDa, aquesta Trx va ser clonada d'una biblioteca de cDNA de testicle humà. La proteïna té una seqüència de 289 aminoàcids, amb un domini Trx N-Terminal de 105 aminoàcids, un centre actiu Trx conservat (-Cis-Gli-Pro-Cis-) i un alt grau d'homologia amb la Trx-1 humana. La seqüència del romanent és de 184 aiminoàcids en l'extrem C-terminal, i aquest no presenta homologia a altres proteïnes consultades en una base de dades. La proteïna p32TrxL s'expressa en tots els teixits humans, amb concentracions més altes en l'estómac, testicle i medul·la òssia. Això no obstant, ni la longitud completa de p32TrxL ni el fragment N-terminal de 105 o 107 aminoàcids són reduïts per la Trx-R i NADPH+H, el que suggereix que no està involucrada en processos antioxidants.
Localització subcel·lular de les Trx La Trx-1 és predominantment una proteïna citosòlica, i encara que no tingui una seqüència de localització nuclear, s'ha detectat en el nucli de les cèl·lules de l'estroma de l'endometri normal, en les cèl·lules tumorals i en tumors sòlids primaris. El tractament de les cèl·lules amb H2O2, PMA (parametoxianfetamina), radiacions UV, hipòxia i l'anticancerigen cisplatí, causen la translocació de la Trx-1 des del citoplasma cap al nucli. El mecanisme d'aquesta translocació no és ben conegut, però pot ser una conseqüència que la Trx-1 sigui portada i enllaçada a altres proteïnes amb una seqüència nuclear. La Trx-1 també s'associa a membranes cel·lulars o plasmàtiques presumiblement al costat de la superfície externa. La Trx-2 es troba preferentment en els mitocondris, mentre que la p32TrxL és una proteïna citosòlica.
Estabilitat de la Trx Els estudis estructurals de la forma oxidada i reduïda d'E.coli i humanes mostres que les Trx presenten una estructura global molt similar, amb algunes diferències conformacionals en regions properes al centre actiu i del centre actiu en si.
Quan la E.coli redueix la Trx, la temperatura tèrmica de desnaturalització es troba prop dels 12 °C. Estudis de desnaturalització amb guanidina i urea han demostrat que la reducció de ponts disulfurs en el centre actiu redueix l'estabilitat de la Trx natives al voltant de 10-12.5 kJ/mol a pH neutre. Aquests canvis de la Trx de la E.coli són massa bruscos en relació amb el petits canvis estructurals que pateix la proteïna. El comportament d'una altra Trx quan s'oxida o es redueix, sembla molt similar. Una possible explicació es troba en els canvis significatius de les propietats dinàmiques després de la reducció i les diferències de comportament en l'intercanvi d'hidrogen i del volum específic parcial. A partir de dades experimentals, en disminuir la temperatura de desnaturalització tèrmica de la proteïna indica una disminució de l'estabilitat en la reducció, possiblement causada per la disminució en el nombre de donadors d'hidrògens que normalment augmenten les barreres energètiques en l'intercanvi de protons. Com que les estructures de l'oxidació i reducció de la Trx de la E.coli s'ha comprovat que són molt similars, és possible que alteracions en la capa de solvatació de la superfície de la proteïna tinguin un paper molt important en la producció dels canvis de volum específic (aparent i compressiu) de la Trx. Aquest fet suggereix la importància que té aquesta capa situada al voltant de la proteïna en conferir-li estabilitat. El paper de l'energia de solvatació en el plegament i unió de les proteïnes són temes interessants en la recerca d'avui dia, raó per la qual les Trx són bons models per les investigacions.
Senyal d'oxidació (en estudi) L'alta concentració d'espècies reactives de l'oxigen (ROS) en cèl·lules impliquen l'activació dels diferents sistemes antioxidants per restablir l'estat redox que contribueix a unes millors condicions fisiològiques. D'altra banda, s'ha comprovat que en certs nivells, les ROS actuen com a segons missatgers en la cascada de transducció de senyal en alguns processos de les cèl·lules de les plantes. A la llum d'aquest esdeveniment, s'ha proposat la reavaluació del concepte d'estrès oxidatiu cap ha "senyal d'oxidació". Aquest concepte implica tots els mecanismes cel·lulars que permeten que les cèl·lules actuïn a la vegada amb les condicions ambientals. Diversos sistemes cel·lulars estan implicats en aquest paper, i s'ha demostrat que les Trx estan implicades en nombroses vies metabòliques relacionades en la regulació de l'equilibri redox. Per aquest motiu s'ha realitzat estudis on s'han descrit dos Trx de pèsols del grup H-clusters, PsTrxH1 i PsTrxH2, que són antagònics i participen en el control de la reacció redox a través de la seva interacció amb les proteïnes diana. Considerant les dades obtingudes en l'estudi, les conclusions que es van treure sobre el comportament de les dos Trx es deu a la seva interacció amb diferents proteïnes diana com les peroxiredoxines (Prx): quan els nivells de ROS augmenten de manera dràstica, les cèl·lules experimenten grans desequilibris redox o fins i tot poden arribar a patir un estrès oxidatiu. En aquesta situació, tots els mecanismes antioxidants han de ser activats, incloent-hi l'augment d'expressió de PsTrxH1 i quantitats de proteïna, donant lloc a una desintoxicació cel·lular eficient. En condicions d'equilibri redox, PsTrxH2 podria actuar interaccionant amb alguns punts de les proteïnes. No obstant això, l'objectiu fisiològic de les PsTrxH2 no està descrit ni estudiat.
Els resultats de l'estudi suggereixen que el seu paper en el control redox és mitjançant la producció de la sensibilitat cap a agents oxidants, permeten uns certs nivells fisiològics de les ROS en les cèl·lules.
Tioredoxina reductases miniatura|alt= Tioredoxina reduïda.
Les tioredoxines reductases (Trx-R) són els únics enzims coneguts capaços de reduir el centre actiu de les Trx. Les Trx-R de mamífers són proteïnes homodímeres de 316 residus que contenen dinucleòtid de flavina i adenina amb un residu de seleni-cisteïna en el penúltim C-terminal, un centre actiu –Cis-Val-Asn-Val-Gli-Cis-, i experimenten reaccions d'oxidoreducció. La selenicisteïna és essencial per l'activitat de la Trx-R en mamífers, encara que la Trx humana pot ser relativament reduïda per la Trx-R bacteriana que no conté selenicisteïna.