Biochemie ke Doc Jana Novotn stav lk chemie

Biochemie kůže Doc. Jana Novotná Ústav lék. chemie a biochemie 2. LF UK

Kůže • Bariéra proti různým druhům poškození (UV radiace, mechanické, chemické a biologické poškození); • periferní systém „vnímání“; • systém udržující homeostázi těla. • 2 m 2 plochy • ~ 2. 5 mm průměrná tloušťka • 6% váhy těla (5 – 6 kg) • bariéra proti vysychání, vodotěsný obal, udržování tělesné teploty • ochrana proti UV radiaci – absorbující pigmentační systém • komplexní immunoregulační ochrana • p. H mírně kyselé - 4. 2 - 5. 6

Kožní vrstvy • Primárně dvě vrstvy: – pokožka (epidermis) , izolace proti vysychání, bariéra proti infekci; – Škára (dermis) je odpovědná za pevnost. Hlavní funkce – regulace teploty a zásobování epidermis živinami. Velký obsah vody.

Epidermis • Vnější rohovějící vrstevnatý dlaždicový epitel (bez vaskularizace (75 – 150 mm), – Stratum corneum – rohová vrstva (tloušťka 0, 01 až 0, 04 mm), 15 – 30 vrstev bezjaderných a plně keratinizovaných buněk (buňky rohové vrstvy), vlastní kožní bariéra; – Stratum lucidum – tenká průsvitná vrstva extrémě oploštělých buněk, začínají degenerovat, mizí některé buněčné organely; – Stratum granulosum – 3 – 5 vrstev nedělících se keratinocytů, s množstvím váčků obsahujících například lipidy (keratino-hyalin); – Stratum spinosum – 8 – 10 vrstev keratinocytů, obsahuje Langerhansovy buňky – Stratum basale – jediná vrstva buněk s intenzivní mitotickou aktivitou, obsahuje melanocy, Merkelovy buňky (receptorové buňky)

Keratin • keratin - intermediární filamenta (KIF) - proteiny tvořící cytoskelet • vlasy, nehty, zrohovatělé vrstvy kůže – tvořeny keratinem z mrtvých kožní buněk • savci - -keratiny, ptáci, plazi - b-keratiny • dva typy -keratinů – keratiny I typu – menší, kyselé – keratiny II typu – větší, bazické – heterodimery typu I s typem II

Struktura keratinu • • ~ 20 geneticky odlišných keratinů v lidské kůži pravotočivý -helix dlouhé úseky -helixu přerušené krátkými lineárními úseky nejvíce zastoupené aminokyseliny glycin a alanin, 24% cysteinu Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry

Struktura keratinu • Intra- a intermolekulární vazby – vodíkové vazby, disulfidické můstky • Keratiny I a II typu spolu vytváří v buňkách páry – cytoskelet epiteliálních buněk - K 14 (typ I) & K 5 (typ II), K 18 (typ I) & K 8 (typ II) – S. basale – K 13 (typ I) & K 4 (typ II) – S. spinosum a S. granulosum – K 10 (typ I) & K 1 (typ II) – S. corneum – K 3 (typ I) & K 12 (typ II) – Vlasy a nehty – různé typy dalších keratinových párů

Epidermální propustná bariéra • Bariéra vzniká během terminálního stádia keratinocytů – vysoký stupeň zesíťování proteinů a lipidů - „biologické lepidlo“ • Post-translační modifikace proteinů – vznik kovalentních vazeb mezi volnými NH 3 skupinami (např. lysinu) a g-karboxamidovou skupinou glutaminu (transglutaminasa) • Proteiny pak vysoce rezistentní vůči mechanickému poškození a proteolýze. • Kvalita bariéry S. corneum závisí na ekvimolární koncentraci ceramidů, cholesterolu a mastných kyselin. • Změny v jejich koncentraci vedou ke změnám této bariéry. • Ceramidy – 50% všech lipidů v S. corneum, dále cholesterol, a volné mastné kyseliny.

Epidermální propustná bariéra • p. H kůže mírně kyselé – nutné pro udržení homeostáze epidermální propustné bariéry • optimální pro enzymy extracelulární matrix • nízké p. H díky - kyselině mléčné přítomné v potu, volným mastným kyselinám • „hodní“ mikrobi potřebují nižší p. H • „nepřátelští“ mikrobi (stafylokok) potřebují neutrální/vyšší p. H. • Mastné kyseliny – endogenní (produkty buněk epidermis) a exogenní (z potravy) • V kůži je aktivní metabolismus polynenasycených mastných kyselin (PUFA) – 20 ti uhlíkaté PUFA – linoleová, arachidonová → cyklooxygenasa, a lipoxygenasa → prostaglandiny, prostacykliny (při alergických reakcích).

Epidermální buňky a diferenciace • Keratinocyty S. basale → přeměna na buňky rohové vrstvy ~ 30 dnů • Poškozené buňky odstraněny odlupováním. • Poškození genetické informace - (UV) → zpuštění buněčné apoptózy (hodiny) – „sežehnuté“ buňky. • Ochrana kůže proti UV záření – hromadění melaninu kolem jader poškozených keratinocytů. • Chemické, mechanické imunologické insulty také vedou k apoptóze keratinocytů.

Epidermální buňky a diferenciace • Hlavním markerem pro diferenciaci keratinocytů je exprese jednotlivých párů keratinů – proliferující basální keratinocyty – exprese. K 5 a K 14 – keratinocy ve fázi ranné diferenciace přepnou na K 10. • „Pluripotentní“ kmenová buňka, keratinocyty, mazové žlázy a epidermis pochází z vlasového folikulu. • Stěžejní úloha Ca 2+ v epidermální diferenciaci - 4 -násobné zvýšení extracelulárního Ca 2+ v S. corneum. • Diferenciaci keratinocytů regulují hormony a vitaminy - D 3 a retinol z potravy, thyroidní hormony a steroidní hormony. • Buňky kůže mají nukleární receptory pro glukokortikoidy, estrogen, androgeny a progesteron.

Epidermální buňky a diferenciace • receptory pro Ca 2+-dependentní integriny – vazba přes fibronektin na extracelulární matrix. • Laminin a kolagen IV a VII (basální membrány) – regulace migrace keratinocytů po bazální membráně (důležité během hojení). • Migrující keratinocyty produkují matrixové metalopropteinasy. • zrající keratinocyty (v S. graulosum) obsahují keratohyalin a lamelární granula bohatá na lipidy. • Lipidy z lamelárních granul tvoří lipidové vrstvy patřící do lipidové propustné bariery epidermis.

Melanocyty • • • Melanocyty - melanin produkující buňky (S. basale) Prekursor - melanoblast Melanin je uchováván v melanosomech. 1 melanocyt je v kontaktu se ~ 40 keratinocyty Melanocyty svými rameny transportují melanin melanosomy do cytoplasmy keratinocytů

Melanocyty • Cover picture: The Rab 27 a GTPase associates with melanosomes and regulates their transport to, and retention in, the peripheral cytoplasm in skin melanocytes. Melanosome transport also requires the microtubule and actin cytoskeleton. Staining of a cultured murine melanocyte for filamentous actin (red) and microtubules (blue) reveals a close relationship between Rab 27 a-labelled melanosomes (green) and these cytoskeletal elements. Hume et al. JCB 2001; 152 (4): 795

Tvorba melaninu • Stadium I - melanosomy – eliptické, membránou obklopené organely bez aktivity tyrosinasy (TYR) • Tyrosinasa – nejprve projde posttranslačními reakcemi – glykosylacev Golgi. • Tyrosinasa do melanosom ve stadiu II - premelanosom → melanosom • Melanosom migruje do výběžku melanocytu (stadium III) – více melaninu → váček zcela vyplněn melaninem (stadium IV → přenesení do keratinocytů).

Tvorba melaninu • Tři enzymy jsou pro syntézu melaninu nezbytné • tyrosinasa (TYR) – kritický krok – hydroxylace tyrosinu tyrosinase-related protein 1 (TYR 1) a DOPAchrome tautomerasa (DHI = 5, 6 -dihydroxyindole; DHICA = 5, 6 -dihydroxyindole-2 carboxylic acid)

Melaniny • Tmavohnědý eumelanin a rezavě zbarvený feomelanin • Eumelanin - vysoce heterogenní polymer DHI a DHICA jednotek v redukovaném nebo oxidovaném stavu. • Feomelanin - hlavně benzothiazinové deriváty obsahující síru. • Neuromelanin produkovaný dopaminergními neurony v substantia nigra. • Melanin absorbuje UV záření o vlnové délce 280 - 320 nm • Granula melaninu se hromadí okolo jader keratinocytů – protekce proti UV záření poškození DNA • Eumelanin i feomelanin mají ochrannou úlohu – váží se na kationty, anionty, chemické látky aj.

Faktory ovlivňující tvorbu melaninů • Parakrinní a/nebo autokrinní - melanocyty-stimulující hormon (MSH), endotheliny, růstové faktory, cytokiny, atd. • Vystavení UV záření → melanocyty zvýší expresi proopiomelanokortinu (POMC, prekursor MSH) a receptoru pro melanokortin 1 (MC 1 -R), TYR and TYRP 1, proteinkinasu C (PKC), a další signální faktory.

Faktory ovlivňující tvorbu melaninů • Fibroblasty kůže (a zřejmě i další buňky) - produkují cytokiny, růstové faktory, mediátory zánětu – zvýšení produkce melaninu v melanocytech a stimulace jeho přenosu do keratinocytů. • Další faktory produkované keratinocyty, které regulují proliferaci a diferenciaci melanocytů : – α-MSH, ACTH, basic fibroblast growth factor (b. FGF), nerve growth factor (NGF), endotheliny, granulocytemacrophage colony-stimulating factor (GM-CSF), leukemia inhibitory factor (LIF) a hepatocyte growth factor (HGF).

Další buňky epidermis • Langerhansovy buňky - dendritické buňky – původ v kostní dřeni, 2 8% epidermis • Součástí imunitního systému, interakce s T-buňkami • Ke keratinocytům se váží pomocí E- kadherinového receptoru • Jejich pohyb regulován specifickým integrinovým receptorem a α – TNF • V S. germinativum interagují s alergenem, pak migrují do lymfatických uzlin → tam “školí” T buňky o alergenu • Interagují s T-lymfocyty a keratinocyty – iniciace reakce hostitele proti antigenu (alergenům) • UV B záření stimuluje syntézu a uvolnění TNF- keratinocyty → změna chování a morfologie Langerhansových buněk, snížení jejich počtu.

Langehans cell Allergen cytokine T cell Activated T cell

Dermis • odpovídá za pevnost kůže – hlavní funkcí je regulace teploty a výživa epidermis • Velká část tělesné vody je v dermis • Komponenty: – pojivová tkáň – vlasové folikuly – potní žlázy – mazové žlázy – apokrinní žlázy – lymfatické cévy – kapiláry • Hlavní buněčná složka - fibroblast

Proteiny dermis • kolagen – asi 90% proteinů dermis – převažující typ I (85 – 90%), – typ III (8 -11%), – minoritní typ V (2 – 4%), (papilární dermis, matrix okolo cév a nervů), – type VI – spojený s fibrilami typu I a v interfibrilárním prostoru (zodpovědný za jemnou strukturu kůže v časném prenatálním stádiu). • Elastin, proteoglykany, glykoproteiny, voda a hyaluronová kyselina Struktura kolagenu, elastinu, proteoglykanů, glykoproteinů – viz přednáška Proteiny extracelulární matrix.

Kožní adnexa • Kůže zajišťuje homeostázi a proto je vybavena sekreční kapacitou (uvolnění chemických látek zajišťujících fyziologické funkce) exkreční kapacitou (odstranění odpadních látek metabolismu). – potní žlázy [tvorba potu se silným zápachem (apokriní sekrece), se slabým zápachem (ekrinní sekrece)]. – mazové žlázy (sekrece mazu do vlasového folikulu). – vlasové folikuly

Potní žlázy • 3 – 4 miliony ekrinních potních žláz – zajištění tepelné regulace těla pocením udržování povrchové teploty kůže 37. 5 o. C. • Maximální výdej vody ekrinním žlázami může přesáhnout více jak 3 l/hod. , ztráta tepla může přesáhnout 18 kcal min-1. • Ekrinní potní žlázy primárně slouží k ochlazení těla. • Apocrinní potní žlázy jsou větší, mají jiný mechanismus tvorby potu, výskyt je omezen na axilu a perianální oblast

Tvorba potu • Aktivitu ekrinní žlázy reguluje sympatická inervace jemných nervů okolo žlázy. • Neurotransmiterem je acelylcholin. • Pocení kontroluje hypothalamus s termosensitivními neurony. • Stimulem pro pocení je: – teplo samotné (39 - 46 o. C) – fyziologické pocení je regulováno reflexně z centra v hypothalamu (termoregulace) a kortexu v mozku (emocionální podnět).

Pot ekrinních žláz • voda (99. 0 – 99. 5%) • electrolyty Na. Cl, K+ a HCO 3 -, • laktát, urea, čpavek, aminokyseliny (serin, ornithin, citrulin, aspartát) • minerály • Složení minerálů závisí na: – vlastní aklimatizaci na teplo, – cvičení a tělesné námaze, – vystavení stresu

Pot apokrinních žláz • U nižších savců – sekrece feromonů (spuštění sexuálního a teritoriálního chování). • U člověka – význam apokrinní sekrece feromonů není zcela objasněna. • Apokrinní sekrece začíná v pubertě. • Apokrinní žláza ústí v prostoru vlasového folikulu. • Konsistence apokriního potu – více viskózní, mléčná konsistence díky vysokému obsahu mastných kyselin, cholesterolu, skvalenu, triglyceridů, androgenů, čpavku.

Obsah minerálů v potu sodík 0. 9 g/l draslík 0. 2 g/l vápník 15 mg/l hořčík 1. 3 mg/l zinek Stopové prvky 0. 4 mg/l měď 0. 3 – 0. 8 mg/l železo 1 mg/l chrom 0. 1 mg/l nikl 0. 05 mg/l olovo 0. 05 mg/l

Mazové žlázy • Žlázy vylučují mastnou, voskovitou hmotu, tzv. maz směs triglyceridů (41%), vosků (25%), volných mastných kyselin (16%) skvalenu (1%) malé množství cholesterolu a esterů cholesterolu. • Produkce mazu je nepřetržitá a poruchy jeho sekrece a transportu jsou jednou z příčin tvorby akné.

Vlasy • Vlasový stvol – tři vrstvy: kutikula, kortex a medul. • Obsahuje -keratiny, lipidy, pigment a stopové prvky. • Lipidy zajišťují nesmáčivost vlasu, 58 % všech lipidů tvoří rozvětvené 21 uhlíkaté nenasycené mastné kyseliny (methyl-eikosanové kyseliny, jejich funkce není zatím známa)

Metabolismus kůže • Primární zdroj energie – glukosa z cirkulace – difunduje do keratinocytů bez vlivu insulinu. Velké množství glukosy se metabolizuje na laktát (i za přístupu kyslíku) • Krebsův cyklus probíhá v epidermis – proto není efektivní během velkého kolísání teploty a průtoku krve v kůži. • 20% glukosy se metabolizuje pentoso-fosfátovou dráhou – tvorba NADPH a pentos pro tvorbu mastných kyselin a nukleových kyselin. • Sekundární zdroj energie - mastné kyseliny, pocházejí z epidermálních i exogenních zdrojů (při omezeném přísunu glukosy)

Metabolismus kůže • Metabolismus lipidů - komponenty: a) membrán, b) hlavní složka kožní bariéry, c) zdroj energie • Lipogeneze probíhá ve všech vrstvách epidermis, syntéza mazu v mazových žlázách z lipidů z cirkulace • Odbourávání – pomocí lipas

Imunitní systém v kůži • Kůže poskytuje obranu nejen sobě, ale i celému organismus. • Různé buněčné typy vylučují škálu mediátorů imunitní odpovědi – Langerhansovy buňky, monocyty, makrofágy, žírné buňky (spolupracují s T-buňkami) • Typy buněk produkující ROS, antibakteriální peptidy, cytokiny, chemokiny, pro- a proti-zánětlivé mediátory – neutrofily, eosinofily, basofily.

Kůže odstraňuje xenobiotika • Kůže je neustále vystavena různým toxickým vlivům (léčiva, kosmetické přípravky). • Xenobiotika se dostávají přes S. corneum podle svých fyzikálně-chemických vlastností (rozpustnost, rychlost difúze). • Epidermis a mazové žlázy exprimují různé cytochromy P 450 (rozsáhlá skupina hemoproteinových enzymů, oznečení také CYP - oxidace substrátů, zvýšení jejich rozpustnosti). • Většina léčiv užívaných v dermatologické praxi jsou buď aktivátory nebo inhibitory CYP enzymů.

Použitá literatura • Tobin, D. J. Biochemistry of skin – our brain on the outside. Chem. Soc. Rev. 2006; 35: 52 -67. • Costin, G. E. Hearing, V. J. : Human skin pigmentation: melanocytes modulate skin color in response to stress. The FASEB Journal 2007; 21: 976 -994.