Biochemie myokardu biochemie plic Jana Novotn stav lkask
Biochemie myokardu, biochemie plic Jana Novotná Ústav lékařské chemie a biochemie 2. LF UK
Specifičnost metabolismu myokardu Srdce je jedním z nejaktivnějších orgánů v těle. Funkce myokardu závisí na velmi jemné rovnováze mezi srdeční prací a energií, kterou musí myokard získat ze syntetických reakcí, které převádí do energeticky bohaté fosfátové vazby. Udržuje se tak plynulá návaznost mezi excitací a kontrakcí.
Specifičnost metabolismu myokardu Vysoká spotřeba kyslíku. Pro zachování vysokého srdečního výkonu je metabolismus uzpůsoben tak, aby oxidativní fosforylací produkoval maximální množství ATP. Za bazálních aerobních podmínek: 60% energie pochází z volných mastných kyselin a triglyceridů, 35% ze sacharidů, 5% z aminokyselin a ketolátek.
Specifičnost metabolismu myokardu Mitochondriální dýchací řetězec produkuje více než 90% energie. Mitochondrie zaujímají v kardiomyocytu ~30% celkového prostoru. > 95% ATP pochází z oxidativní fosforylace v mitochondriích. ~ 60 - 70% ATP se hydrolyzuje při svalové kontrakci ~ 30 - 40% ATP spotřebují Ca 2+-ATPasa v sarkoplasmatickém retikulu a ostatní iontové pumpy.
Regulace metabolických drah v myokardu W. C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005
Metabolismus sacharidů Zdravé srdce - ~ 60 - 90% acetyl-Co. A pochází z b-oxidace, 10 – 40% z glykolýzy. Zdravé srdce metabolizuje laktát – jen v případě téměř maximálního výkonu nebo za ischemie (zrychlení glykolýzy v důsledku nedostatečné oxidace pyruvátu). transport laktátu do myocytu pomocí transportéru pro monokarboxylové kyseliny (MCT-1) Substráty pro glykolytickou dráhu (glukosa a glykogen) pocházejí z exogenních zdrojů.
Metabolismus sacharidů Transport glukosy do buňky srdečního svalu je regulován transmembránovým glukosovým gradientem a množstvím glukosových transportérů v sarkolemě – GLUT-4 (v menší míře GLUT-1). Glukosové tarnsportéry se přemisťují z intracelulárních vesikulů do sarkolemy – stimuluje insulin, zvýšená srdeční práce, ischémie. Hotovost glykogenu v srdeční svalovině ~30 mmol/g vlhké tkáně. Hotovost glykogenu v kosterní svalovině ~150 mmol/g vlhké tkáně.
Metabolismus sacharidů Stimulace insulinem, zvyšující se srdeční práce, ischémie transport glukosy do buněk, rychlost jejího vychytávání. V glykolytické dráze se glukosa 6 -fosfát a NAD+ přeměňuje na pyruvát a NADH. Vzniknou 2 ATP / 1 molekulu glukosy. Pyruvát a NADH se převedou do mitochondriální matrix tvorba CO 2 a NAD+ kompletní aerobní oxidativní glykolýza 36 ATP/ /1 molekulu glukosy. http: //www. nature. com/nrc/journal/v 4/n 11/fig_tab/nrc 1478_F 1. html
Metabolismus sacharidů http: //themedicalbiochemistrypage. org/
Metabolismus sacharidů • Fosfofruktokinasa-1 (PFK-1) – klíčový regulační enzym glykolýzy – katalýza ireverzibilního kroku tvorba fruktosa 1, 6 -bisfosfátu (F 1, 6 BP) za spotřeby 1 ATP. • PFK-1 je aktivována ADP, AMP a Pi, • inhibována ATP a poklesem p. H (míra inhibice [H+] závisí na hladině ATP). • PFK-1 stimuluje také fruktosa 2, 6 bisfosfát (F 2, 6 PB) • F 2, 6 BP je tvořen z fruktosa 6 -fosfátu bifunkčním enzymem fosfofrukto-2 kinasou/fruktosa-2, 6 -bisfotatasou (PFK-2). • F 2, 6 BP zvyšuje afinitu PFK-1 k F 6 P W. C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005
Metabolismus sacharidů Glyceraldehyd-3 -fosfátdehydrogenasa (GAPDH) přeměna glyceraldehyd-3 -fosfátu na 1, 3 -difosfoglycerát za vzniku NADH+H+. GAPDH – jeden z hlavních regulačních mechanismů → inhibice zvýšenou konc. NADH+H+ v cytoplasmě a aktivace zvýšenou konc. NAD+. Při ischémii dochází k akumulaci NADH+H+ a laktátu v cytoplasmě a tím k inhibici GAPDH. Enzymy glykolýzy – lokalizace kolem sarkoplasmatického retikula a sarkolemy, jen asi 10% glykolýzy probíhá v cytoplasmě.
Metabolismus sacharidů • pyruvát v mitochondrii: – dekarboxylace a oxidace pyruvátdehydrogenasou (PDH) na acetyl Co. A, – nebo karboxylace pyruvátkarboxylasou na oxalacetát, – případně redukce na laktát. • Regulace aktivity PDH je zásadní pro řízení celého glukosového metabolismu. • Adrenergní stimulace Ca 2+ v cytosolu a v mitochondriích aktivace PDH oxidace pyruvátu zvýší se srdeční činnost. • Zvýšená rychlost oxidace mastných kyselin PDH inhibuje, tím se snižuje oxidace glukosy a pyruvátu.
Metabolismus laktátu • Za anaerobních podmínek (ischémie) se pyruvát redukuje na laktát – anaerobní glykolýza. • Laktát se uvolňuje přes specifický transportér MCT do krve. • MCT má zásadní význam pro regulaci a udržování intracelulárního p. H (odstraňuje také protony vzniklé během glykolýzy). • Během hladovění se laktát mění zpět na pyruvát. • Při oxidaci laktátu na pyruvát se NAD+ redukuje na NADH a vzniknou 3 ATP → pyruvát se aerobně metabolizuje v citrátovém cyklu za vzniku 14 ATP.
Metabolismus mastných kyselin Volné mastné kyseliny vstupují do buňky srdečního svalu: – – pasivní difúsí proteinem zprostředkovaným transportem přes sarkolemu – translokázou mastných kyselin FAT nebo proteinem vázajícím mastné kyseliny, FABPpm. Syntasa acyl-Co. A mastných kyselin (fatty acyl-Co. A synthase, FACS) esterifikuje volné mastné kyseliny na acyl-Co. A. W. C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005
Metabolismus mastných kyselin Osud acyl-Co. A dlouhých mastných kyselin: – esterifikace na triglyceridy (glycerolfosfátacyltransferasou) intrakardiální hotovost triglyceridů (10 -30% of FA) – nebo vazba na karnitin acylkarnitin dlouhých mastných kyselin přenos mezi vnější a vnitřní mitochondriální membránu karnitinpalmitoyltransferasou-I (CPT-I) W. C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005
Metabolismus mastných kyselin Karnitinacyltranslokasa (CAT) transport acylkarnitinu dlouhých mastných kyselin přes vnitřní membránu do matrix mitochondrie za volný karnitin. Karnitinpalmitoyltransferasa II (CPT-II) regeneruje acylkarnitin dlouhých mastných kyselin na volný acyl-Co. A. W. C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005
Metabolismus mastných kyselin • Malonyl-Co. A - klíčový fysiologický regulátor oxidace mastných kyselin v srdci ( malonyl-Co. A vychytávání MK a jejich oxidaci). • Malonyl-Co. A velmi silně inhibuje CPT-I (na cytosolické starně). • CPT-I má dvě izoformy: – jaterní CPT-1 a a CPT-Tb v srdci – CPT-1 b je 30 krát více senzitivní k inhibici malonylem-Co. A. W. C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005
Vzájemná regulace mezi oxidací mastných kyselin a metabolismem sacharidů • Hlavní fysiologický regulační mechanismus toku a rychlosti oxidace glukosy přes PDH v srdci je oxidace mastných kyselin. • Aktivitu PDH inhibuje vysoká rychlost oxidace mastných kyselin přes zvýšení poměru mitochondriální acetyl-Co. A/volný Co. A a NADH/NAD+ což aktivuje PDH kinasu.
Vzájemná regulace mezi oxidací mastných kyselin a metabolismem sacharidů • Inhibice oxidace mastných kyselin zvyšuje absorpci glukosy a laktátu a jejich oxidaci:
Metabolismus ketolátek • Srdce během hladovění nebo špatně léčeného diabetu využívá a oxiduje ketolátky (b-hydroxybutyrát a acetoacetát). • Málo insulinu a vysoká hladina mastných kyselin ketolátky. • Ketolátky jsou pak pro srdce hlavním substrátem. • Ketolátky inhibují PDH a b-oxidaci.
Srdeční sval a ischémie • Okluse koronární artérie ischémie výrazná změna struktury buněk, chemismu a jejich funkcí – ztráta kontraktilní funkce – arytmie – smrt buněk • Pokles poměru ATP/ADP, hromadění AMP, Pi, produkty metabolismu nejsou odstraňovány (laktát). • Rychlý pokles kreatinfosfátu – kreatinkinasa + ADP → fosforylace ADP → ATP (jen krátkodobý mechanismus, nekompenzuje sníženou produkci ATP v mitochondriích)
Srdeční sval a ischémie • Již mírná ischémie snižuje koncentraci ATP a kreatinfosfátu, zvyšuje hladinu anorganického fosfátu → aktivace glykolýzy (potřeba glukosy z krevního řečiště do srdečních buněk) → zvýšení koncentrace pyruvátu → přeměna LDH na laktát. • Delší ischémie – hromadění substrátů (latát, NADH+ a H+) → zpomalení glykolýzy na úrovni fosfofruktokinasy a glyceraldehyd-3 -dehydrogenasy.
Biochemické markery poškození srdečního svalu Troponin (T or I) nejcitlivější a nejspecifičtější marker poškození myokardu. • Uvolnění během IM z cytosolu myocytů. • Dosažení vrcholu přibližně za 12 hodin po IM.
Biochemické markery poškození srdečního svalu Kreatin kinasa (CK) je relativně specifický marker, pokud není poškozen kosterní sval • CK má dvě podjednotky – CK-M (muscle), CK-B (brain) a mitochondriální CKmi • CK-MM (CK-1) - kosterní sval 95%, srdce 42%, hladký sval 2 – 3% • CK-MB (CK 2) – kosterní sval 3%, srdce 28%, hladký sval 1 – 5% • CK-BB (CK-3) – kosterní sval 1%, srdce 1%, hladký sval 87% • Vrcholu dosahuje přibližně mezi 10 – 24 hod.
Biochemické markery poškození srdečního svalu Laktátdehydrogenasa (10 – 24 hod. ) není tak specifická jako troponin • tetramer, 2 podjednotky – H – srdeční, M - svalová – Izoenzymy • LDH 1 (4 H) – srdce a erytrocyty • LDH 2 (3 HM) – srdce a retikuloendoteliální systém, • LDH 3 (2 H 2 M) - plíce, • LDH 4 (H 3 M) – ledviny, placenta, pankreas, • LDH 5 (4 M) – játra a příčně pruhovaný sval • V normoxii je vyšší hladina LD 2 než LD 1 • Akutní srdeční infart – mezi 6 a 12 hodinou po uzávěrce koronární – LD 1 vyšší než LD 2 Myoglobin – vzestup velmi rychle (asi 2 hodiny) – nízká specifita poškození myokardu
Biochemické markery poškození srdečního svalu • Aspartáttransaminasa (AST) – Byla použita jako první pro detekci poškození myokardu – Používá se také pro testování jaterní funkce. • Izoenzym glykogenfosforylasy BB (GPBB) – jedna ze 3 izoforem glykogenfosforylasy, které se nacházejí v srdci a mozkové tkáni. – Izoenzym z mozkové tkáně neprochází přes hematoencefalickou bariéru, proto je pro srdeční tkáň GP-BB specifická. – Jeden z „nových markerů srdečního poškození", diskutován, zda je jeho použití vhodné ke zlepšení včasné diagnózy v akutního koronárního syndromu. Zvyšuje se 1– 3 hodiny po vzniku ischemie.
Literatura Reviews: • W. C. Stanley, F. A. Recchia, G. D. Lopaschuk: Myocardial substrate metabolism in the normal and failing heart. Physiol. Rev. 85: 10931129, 2005 • CH. Depré, M. H. Rider, L. Hue: Mechanism of control of heart glycolysis. Eur. J. Biochem. 258: 277 -290, 1998 • R. Ventura-Clapier, A. Garnier, V. Veksler: Energy metabolism in heart failure. J. Physiol. 555: 1 -13, 2003
BIOCHEMIE PLIC
PLÍCE Produkují: surfaktant kolagen + elastin hlen (mukolpolysacharidy + Ig. A) Inaktivují: ROS kininy – (hydrolýza peptidové vazby u bradykininu kininasou II) serotonin – (z oběhu aktivním transportem přes endotelium, rychlé odbourávání MAO, žírné buňky) noradrenalin acetylcholin detoxikace cizorodých látek (vdechovaných i z cirkulace) hydroxylací cytochromem P 450 v mikrosomech Aktivují: angiotensin
Intermediární metabolismus plic Primární fyziologická role plic – udržovat intermediární metabolismus orgánů - O 2, CO 2 a jeho využití: – stejný jako u jiných orgánů – mitochondriální cytochromoxidasa → redukce kyslíku na H 2 O a produkci ATP – různé oxidasy se smíšenou funkcí a transferasy přenášející O 2. – významná funkce - hydroxylace xenobiotik a endogenních substrátů jako mastné kyseliny pomocí cytochromu P 450 v endoplasmatickém retikulu.
Intermediární metabolismus plic Významné dráhy dependentní na O 2 – syntéza eikosanoidů (lipoxygenasa a cykloxygenasa), – hydroxylace prolinu a lysinu (prolyl a lysylhydroxylasa) pro pojivovou tkáň, – oxidace aminů jako 5 -hydroxytriptamin, noradrenalin (MAO a aldehydoxidasa), – respirační vzplanutí (NADPH-oxidasa – makrofágy, neutrofily), – oxidace hypoxanthinu (xanthinoxidasa), – různé reakce v peroxisomech (urátoxidasa).
Intermediární metabolismus plic Glukosa • Hlavní substrát, uhlíková kostra se přemění: – 20% na CO 2 → z toho 75% produkce CO 2 z mitochondriální dekarboxylace pyruvátu a z TCA, 25% pentosové dráhy – 30% inkoporace do proteinů, nukleových kyselin, glykogenu a dalších makromolekul (18%), polysacharidy (5%) – zbytek ~ 50% se odvádí jako laktát (43%), pyruvát (5%).
Intermediární metabolismus plic Proč je tak relativně velká produkce laktátu? Proč je omezená dráha TCA? • V plicích je víc buněk, které mají málo mitochondrií nebo některé mitochondriální enzymy chybí.
Intermediární metabolismus plic Využití dalších substrátů: • fruktosa – jako alternativní hexosa • laktát → pyruvát • glycerol → přeměna na glycerol-3 -fosfát (glycerol kinasa) • mastné kyseliny (palmitát) – biosyntéza komplexních lipidů, ale mohou být metabolizovány až na CO 2
Intermediární metabolismus plic Tvorba redukujících ekvivalentů • NADH – gykolýza (1, 3 -bisfosfoglycerát → glyceraldehyd-3 -fosfát), – reakce pyruvátdehydrogenasy, TCA. • NADPH – pentosofosfátová dráha - glukosa-6 -fosfátdehydrogenasa (glukosa-6 -fosfát → 6 -fosfoglukonlakton) a 6 -fosfoglukonátdehydrogenasa (6 -fosfogluklonát → ribulosa-5 fosfát). • NADH a NADPH – využití v biosyntetických dráhách, NADPH jako kofaktor glutathionreduktasy při oxidačním stresu.
Surfaktant • Lipoproteinový komplex snižující povrchové napětí – syntéza alveolárními epitelovými buňkami typu II • Hydrofilní a hydrofobní složka • Hydrofilní složka směřuje dovnitř alveolu (extracelulární tekutina), hydrofobní vně (vzduch)
Složení surfaktantu Lyra, P. P. R; de Albuquerque Diniz, E. M. Clinics 62: 181, 2007
Alveolus http: //herkules. oulu. fi/isbn 9514270584/html/c 273. html
Fosfolipidy Nepolární část Polární hlava
Proteiny Syntéza – epiteliální buňky SP-A a SP-D § velké glykosylované proteiny ( SP-D má 355 AK) § ve vodě rozpustné § kolektiny, kalcium-dependentní, vázající cukry SP-B a SP-C § malé peptidy (35 AK), vysoce hydrofobní § schopnost snižovat povrchové napětí § důležité pro rozprostření surfaktantu na povrchu alveolu
Proteiny SP-A : • • • tvorba tubulárního myelinu regulace vestavby fosfolipidů do monomolekulární vrstvy modulace absorpce a sekrece fosfolipidů buňkami typu II aktivace alveolárních makrofágů vazba a odstraňování bakterií a virů chemotaktická stimulace alveolárních makrofágů SP-D důležitá role v obraně proti patogenům SP-B a SP-C: • • zvyšování biofyzikálních vlastností surfaktantu podpora rychlého zabudování a molekulární rozvrstvení fosfolipidů v monomolekulární vrstvě
Metabolismus surfaktantu § DPPC je syntetizován r. ER § přenesen do lamelárních tělísek spolu s SP-B a SP-C § lamelární tělíska jsou zásobní a sekreční granula obklopená membránou § fusují s plasmatickou membránou a vzniká tubulární myelin § napínáním a kontrakcemi během respiračního cyklu se část TM desorganizuje, reabsorbuje a recykluje, malá část se katabolizuje. Lyra, P. P. R; de Albuquerque Diniz, E. M. Clinics 62: 181, 2007
Lamelární tělíska a tubulární myelin Lamelární tělíska mají kyselé vnitřní prostředí a mají vysoký obsah vápníku. • V alveolárním prostoru se transformují na trojrozměrnou síť - tubulární myelin. • TM obsahuje asi ½ obsahu všech fosfolipidů v alveolu.
Vlastnosti surfaktantu Jakmile je vyloučen do alveolárního prostoru, rychle vytvoří fosfolipidový film mezi vodnou fází a vzduchem (u novorozenců po prvním nadechnutí). Snižuje povrchové napětí, když dojde při výdechu, k jeho stlačení (plíce nekolabují). Proteiny surfaktantu působí jako obrana proti patogenům (rozpoznání a opsonizace bakteriálních, houbových, virových povrchových oligosacharidů).
Regulace tvorby surfaktantu • napnutí alveolární stěny hyperventilace - hluboké dechy, zívání • acetylcholin • beta-agonisté • kortikoidy - zralost novorozenců • tyroxin
Syntéza plicních lipidů Substráty pro syntézu de novo • • glukóza a glykogen glycerol-3 -fosfát cholin, etanolamin, inositol polární hlavy mastné kyseliny exogenní mastné kyseliny endogenní z laktátu
Syntéza DPPC de novo Glukosa NAD+ NADH glycerol-3 -fosfát Glykogen DHAP palmitoyl-Co. ASH cholin palmitoyl-G 3 P ATP palmitoyl-Co. A ADP Co. ASH dipalmitoylfosfatidová kyselina fosfocholin H 2 O CTP Pi PPi dypalmitoylglycerol CDP-cholin DPPC CMP
Reaktivní formy kyslíku (ROS) O 2 + e + H+ . HO 2 . - O 2 + 2 H+ + e H 2 O 2 + e . OH + e + H+ . HO hydroperoxidový radikál 2 H+ . +O 2 peroxid vodíku H 2 O 2 . OH- + OH H 2 O superoxidový radikál hydroxylový radikál
Zdroje ROS v buňce Fentonova reakce • Superoxid se v buňce tvoří ve značném množství – cytosol a mitochondrie (hlavně z elektronů, které unikly z mitochondrie z dýchacího řetězce). • Dvě molekuly O 2. - rychle dismutují na O 2 a H 2 O 2 neustále proudí mezi buněčnými kompartmenty jako zdroj ROS. Endogenní zdroje ROS: O 3, NOx, Si. O 2, kouření, infekce, radiace, hypoxie/reoxygenace, ischemie/reperfuse.
Reaktivní formy dusíku (RNS) L-arginin NOS II L-citrulin + NO Hb. O 2 O 2 - NO 3 - + met. Hb NO 2 - HOCl + MPO ONOOH oxidace nitrosace thilylový radikál S-nitrosothiol nitrotyrosin
Antioxidační ochrana Enzymy vychytávající volné radikály Součásti antioxidační ochrany
Ochrana proti ROS Neenzymatická: nízkomolekulární scavengery vitamin E - lipoperoxidy vitamin C - O 2 -, . OH , Fe 3+ Fe 2+ β-karoten (O 2 -), kys. močová (O 2 -), glukóza (OH), bilirubin (LOO. ) Sekvestrace redoxně aktivních kovů (Fe) (bezpečná vazba) transferin, feritin, ceruloplasmin, haptoglobin, laktoferin Plíce: nitrobuněčné enzymy, tekutina lemující epiteliální buňky (GSH 100 x vyšší než v plazmě, kataláza, SOD, GPx)
Kolagen 90% tvoří kolagen I a III Intersticium – kol I, III, V, VI bronchy – kol II cévy – kol I, III, VIII bazální membrány – kol IV, V Syntéza + depozice fibróza Degradace emfyzém
Degradace Specifické enzymy – matrixové metaloproteinasy (MMP´s) Intersticiální kolagenasa, želatinasy, stromelysyn MMP´s inhibují specifické tkáňové inhibitory (TIMP´s)
- Slides: 54