# COX-1

La COX-1, abbreviazione di ciclossigenasi 1, è una delle forme isoenzimatiche della prostaglandina-endoperossido sintasi, assieme alle altre forme note COX-2 e COX-3. Trattasi di un enzima costitutivo sempre attivo nell'organismo, responsabile della sintesi delle prostaglandine ed in particolare della conversione dell'acido arachidonico a prostaglandina H2. La COX-1 è espressa da molti tessuti, principalmente dalle cellule endoteliali, nelle quali si localizza sul reticolo endoplasmatico e sulla membrana nucleare.

## Storia

L'enzima fu scoperto e purificato già negli anni settanta ma fu clonato solo nel 1988. Pochi anni dopo venne identificato anche l'isoenzima COX-2.

## Funzione

Le forme isoenzimatiche della ciclossigenasi partecipano al metabolismo ossidativo dell'acido arachidonico, che viene utilizzato come substrato iniziale per la formazione di prostaglandine, trombossani e levuloglandine. Le COX sono quindi direttamente interessate in tutti quei processi fisiologici che prevedono l'impiego dei derivati dell'acido arachidonico, tra cui i processi infiammatori e la coagulazione del sangue, nonché nel corretto funzionamento di organi quali stomaco e reni. A differenza delle COX-2 le COX-1 sono enzimi costitutivi, ovvero costantemente presenti nel nostro organismo, mentre le COX-2 esplicano la propria azione solo durante i processi infiammatori.

## Espressione

Il gene che media l'espressione costitutiva della COX-1 si trova localizzato sul braccio lungo del cromosoma 9 umano ed è espresso da diversi tipi di cellule tra cui le cellule endoteliali, alcuni tipi di macrofagi ed i megacariociti del midollo osseo, dal cui citoplasma derivano le piastrine che a loro volta, quindi, contengono COX-1, enzima chiave del processo di coagulazione. In caso di stati patologici o infiammatori dei tessuti interessati nell'espressione, i livelli di COX-1 possono aumentare significativamente, come ad esempio in prossimità di ulcerazioni della mucosa gastrica causate da H. pylori. Elevati livelli dell'enzima vengono solitamente espressi anche dalle cellule tumorali ovariche.

## Reazione

La conversione dell'acido arachidonico a PGH2 si compone di due differenti reazioni che avvengono all'interno dell'enzima, ciascuna delle quali è catalizzata da uno specifico sito attivo. L'enzima presenta quindi due distinti siti catalitici, un sito ciclossigenasico ed un sito perossidasico, che catalizzano la reazione totale:
    acido arachidonico + AH$_2$ + 2O$_2$ ⇄ prostaglandina H2 + A + H$_2$O

### Sito ciclossigenasico

La prima reazione viene catalizzata dal sito ciclossigenasico e vede la conversione dell'AA a prostaglandina G2 sotto l'azione catalitica del residuo di tirosina 385. La PGG2, in vivo, è particolarmente instabile e viene velocemente metabolizzata. La reazione prevede inoltre l'utilizzo di due molecole di ossigeno:
    acido arachidonico + 2O$_2$ ⇄ prostaglandina G2

### Sito perossidasico

La seconda reazione viene catalizzata dal sito perossidasico che si trova localizzato nelle immediate vicinanze del primo. Al sito avviene una reazione di ossidoriduzione dove viene spezzato il legame O-O con liberazione di una molecola di acqua per ottenere la prostaglandina H2. Il sito, che comprende un gruppo eme, utilizza un cofattore AH$_2$ come fonte di elettroni. La reazione è la seguente:
    prostaglandina G2 + AH$_2$ ⇄ prostaglandina H2 + A + H$_2$O
Il cofattore A che passa dallo stato ridotto allo stato ossidato è rappresentato dal glutatione, il cui meccanismo di ossidazione prevede la formazione di un ponte disolfuro S-S e la condensazione di due molecole nella forma ossidata:
    2GSH → GS-SG + 2e$^−$ + 2H$^+$
GSH e GS-SG rappresentano rispettivamente il glutatione in fase ridotta ed in fase ossidata. Assumendo quindi il glutatione come cofattore che interviene nella conversione dell'acido arachidonico, la reazione totale sarà la seguente:
    acido arachidonico + 2GSH + 2O$_2$ ⇄ prostaglandina H2 + GS-SG + H$_2$O

## Struttura

La COX-1 è una proteina integrale monotopica omodimerica, composta da due monomeri di circa 70 KDa ciascuno. Il monomero è caratterizzato da tre diverse unità di folding: un dominio N-terminale EGF-simile , un dominio di legame con la membrana cellulare ed un dominio C-terminale catalitico che presenta due siti attivi, uno ad attività ciclossigenasica e l'altro ad attività perossidasica. La struttura della proteina presenta un canale idrofobico che porta all'interno dell'enzima, sede dei siti attivi. Il canale, che serve ad ospitare la molecola lipofila di acido arachidonico (AA), presenta un residuo di serina in posizione 529 la cui acetilazione da parte dell'acido acetilsalicilico impedisce all'AA di accedere al dominio enzimatico con conseguente inattivazione della COX-1.

### Dominio ciclossigenasico

Il dominio ciclossigenasico si trova al termine del canale idrofobico che porta all'interno dell'enzima. Trattasi del sito che viene inattivato dalla presenza di Farmaci antinfiammatori non steroidei all'interno della COX-1.

### Dominio perossidasico

Il dominio perossidasico si trova in una tasca idrofobica interna all'enzima ed è costituito da un gruppo eme centrale circondato da quattro alfa-eliche. L'eme è legato alla proteina con legami deboli quali ponti idrogeno e forze di Van der Waals, mentre l'atomo di ferro centrale è impegnato in un legame di coordinazione con un azoto della catena laterale del residuo di istidina in posizione 388.

### Dominio EGF-simile

Il dominio EGF-simile è costituito da strutture secondarie a foglietto β collegate tra loro da tre ponti disolfuro. Il dominio è legato a sua volta al corpo principale dell'enzima da un legame S-S tra i residui di cisteina 37 e 159.

### Dominio di membrana

Il dominio di membrana è composto da quattro eliche alfa in grado di legarsi ai lipidi di membrana. Tale legame è stato determinato studiando la proprietà del dominio di legare in vitro otto molecole di beta-ottilglucoside (BOG), un detergente affine ai lipidi di membrana con cui la COX-1 si lega.

### Canale idrofobico

La struttura del canale idrofobico è determinante per quanto riguarda le modalità di legame dell'acido arachidonico e di tutte le sostanze in grado di interagire con l'enzima, primi fra tutti i farmaci antinfiammatori non steroidei (FANS). Il canale presenta un residuo di arginina in posizione 120 che instaura un legame idrogeno col gruppo carbossilico dell'AA. In prossimità del sito ciclossigenasico è presente un residuo di isoleucina in posizione 523, caratteristica peculiare dell'isoenzima COX-1. Infatti, una delle principali differenze tra COX-1 e COX-2, è proprio l'aminoacido in posizione 523, che nella COX-2 risulta essere un residuo di valina. Tale caratteristica, poco significativa circa il metabolismo dell'AA, è invece molto importante per quanto riguarda lo studio della SAR (ovvero la relazione struttura-attività) e della selettività dei farmaci COX-inibitori. Il residuo val 523 della COX-2, avendo un ingombro sterico inferiore rispetto a ile 523 della COX-1, fa sì che il canale idrofobico della COX-2, a differenza della COX-1, presenti una piccola tasca idrofobica secondaria che può essere occupata da particolari sostituenti di molecole ad attività antinfiammatoria, come nel caso specifico delle coxib, molecole della classe dei FANS selettive per la COX-2.

## Rilevanza terapeutica

La COX-2 è uno dei principali enzimi coinvolti nel processo infiammatorio e pertanto l'inibizione o l'inattivazione di questi permettono una considerevole riduzione dell'infiammazione stessa. I farmaci antinfiammatori non steroidei non COX-selettivi agisce appunto inibendo la COX-2. L'inibizione delle ciclossigenasi comporta essenzialmente quattro effetti a livello sistemico: riduzione dell'infiammazione, abbassamento della temperatura corporea in caso di febbre (effetto antipiretico), innalzamento della soglia del dolore (effetto analgesico) e fluidificazione del sangue (effetto antiaggregante piastrinico). Quest'ultimo effetto, a seconda del quadro terapeutico, può essere ricercato (ad esempio nella prevenzione della formazione di trombi o nella cura dell'angina pectoris) o collaterale. Tra gli effetti collaterali nocivi derivati da inibizione non selettiva della COX-2, si ha l'inattivazione della COX-1, coinvolta nei processi omeostatici, il che porta a danno renale e alla mucosa gastrica.