Oxid uhelnatý jedovatý plyn či i potřebný regulátor metabolismu? Jaroslav Racek Ústav klinické biochemie a hematologie LF UK a FN Plzeň
Pravda je obojí Oxid uhelnatý, oxid dusnatý a sulfan jsou léta l známy jako nebezpečné polutanty Zejména oxid uhelnatý, ale i sulfan a oxidy dusíku způsobuj sobují závažné, často smrtelné otravy O to překvapivp ekvapivější bylo zjištění, že e jsou nezbytné pro život
Začalo alo to v r. 1992 (NO) byl v časopisu Science označen za molekulu roku Oxid dusnatý (NO) (Culotta E and Koshland DE, Jr.. NO news is good news ( Molecule of the Year ). Science 258 (5090), 1992: 1862 64) 64) Jako oxid dusnatý byl totiž identifikován endothelium-derived derived relaxing factor (EDRF), popsaný v r. 1978 Robertem F. Furchgottem Vysvětlil se tím i vazodilatační účinek nitrátů
Pak následovalyn oxid uhelnatý a sulfan Vznikl pojem gasotransmitery Naše e znalosti o metabolické úloze těchto t plynů rostou geometrickou řadou Cílem sdělen lení je přinp inést přehled p nejnovější ších znalostí o jednom z nich oxidu uhelnatém a ukázat jeho místo m v metabolismu
Oxid uhelnatý Carbon monoxide CO
Plyn (b. tánít -205 C, b. varu -192 C) bezbarvý hořlavý bez zápachuz Oxid uhelnatý Minimáln lně rozpustný ve vodě: 2,6 mg/100 ml vody (20 C) Lipofilní dobře e prochází membránami
Oxid uhelnatý Extrémně hořlavý Vysoce toxický Výbušný (ve směsi se vzduchem s 12,5 7,42 % CO)
Vznik oxidu uhelnatého ho V přírodp rodě: nedokonalé hořen ení všech uhlíkatých látekl V lidské činnosti výfukové plyny ze spalovacích ch motorů kamna, karmy kouřen ení generátorový a vodní plyn, dříve d svítiplyn
Vznik CO v živých organismech Při degradaci hemu pomocí hemoxygenasy
Metabolismus hemu globin Fe reutilizace k syntéze bílkovin CO hemoglobin hem biliverdin
Hem oxygenasa (EC 1.14.99.3) Hem + NADPH + H + + 3 O 2 biliverdin + Fe 3+ + CO + NADP + + H 2 O
Degradace hemu
Degradace hemu
Hemoxygenasa pro svou fci potřebuje Hem je substrátem, tem, ale i aktivuje kyslík NADPH-cytochrom P450 reduktasu poskytuje elektrony potřebn ebné k degradaci hemu Kyslík Biliverdinreduktasu (EC 1.3.1.24) ihned po svém m vzniku je biliverdin redukován n na bilirubin a uvolní se z HO Uvedené tři i enzymy tvoří komplex, pracují ve vzájemn jemné souhře
NADPH-cytochrom P450 reduktasa Flavoprotein, který je i součástí NOS Obsahuje FAD, FMN, NADPH Uplatňuje se jako donor elektronů pro oxidasy v endoplazmatickém retikulu (metabolismus léků, hemu, součástí stravy, syntéza steroidů) Tok elektronů: (NADPH:ferrihemoproteinreduktasa, EC 1.6.2.4) NADPH FAD FMN O 2
Izoformy hemoxygenasy Inducibilní (HO-1) mikrosomální hem degradující systém, Mr = 33 kda; stimulace syntézy hemem (vazba na represor translace), oxidačním stresem, hypoxií, hormony, kadmiem, endotoxinem; slezina, játra, ledviny, kostní dřeň Konstitutivní (HO-2) 43 % stejných AK jako HO-1, Mr = 36 kda; mozek, testes, cévní systém HO-3 90 % homologie s HO-2, zřejmě transkript genu pro HO-2; mozek; nejspíše nemá význam pro degradaci hemu, ale funguje jako kyslíkový senzor
Význam hemoxygenasy Degradace hemu Ochrana před p oxidačním m stresem a škodlivinami HO-1, dává vzniknout významným antioxidantům (biliverdin, bilirubin) Tvorba oxidu uhelnatého ho působí jako signální molekula viz dále HO mám účinek protizánětlivý, tlivý, antiangiogenní a cytoprotektivní asi vyplývá z předchozích dvou účinků
HO u jiných organismů Ptáci, plazi, ryby, hmyz biliverdin užívají jako pigment Živočichové nemající hemoglobin význam pro degradaci hemu cytochromů (i hmyz, HO u něho produkuje 3 izomery biliverdinu) Rostliny biliverdin fytobilin (senzor pro červené světlo) Patogenní bakterie potřebují k životu železo, které je při zánětu omezeně dostupné (hepcidin!); získávají ho z hemu pomocí HO
Eliminace endogenního CO Exspirace plícemi hlavní cesta eliminace CO Vazba na sloučeniny obsahující hem, zejm. hemoglobin Oxidace za fyziologických podmínek u savců neprokázána
Signáln lní funkce CO Produkce CO při p i rozpadu hemoglobinu prokázána aža v r. 1950 (Sjöstrand) Hemoxygenáza popsána aža v r. 1960 (Tenhunen et al.) Možná signáln lní funkce CO popsána aža v r. 2000 (Snyder) Denní produkce CO je asi 12 ml (500 μmol) mol); koncentrace CO ve tkáních v nmol/l
Molekulárn rní úroveň účinku CO Většina účinku CO je dána d jeho vazbou na hem obsahující proteiny (hemoglobin, myoglobin, katalasa, peroxidasy, NOS, cytochrom c oxidasa, cytochorm P 450, tryptofandioxygenasa aj.); jejich funkce je jím inhibována jen při vysokých koncentracích CO Výjimku tvoří solubilní guanylátcyklasa (sgc), která je vazbou CO aktivována, cgmp
Fyziologická úloha CO CO aktivuje NOS a vzniklý NO pak aktivuje sgc; CO je tedy modulátorem signalizace oxidem dusnatým Interakce CO s iontovými kanály CO zvyšuje citlivost vápníkem aktivovaných K + kanálů (BK Ca ) k Ca 2+ ; tento účinek je zčásti přímý, zčásti závislý na regulaci produkce NO
Vztah CO a NO (I) CO i NO se mohou vázat na hem v různých Fe(II)-hem proteinech Elektrony pro HO poskytuje cytochrom P 450 reduktasa, její bílkovina vykazuje 60% homologii s karboxyterminální částí NOS
Vztah CO a NO (II) CO zvyšuje aktivitu NOS, navíc uvolňuje uje NO z jeho zásobz (z vazby na hemové proteiny) CO Vysoká koncentrace CO snižuje aktivitu NOS vazbou na tento enzym NO zvyšuje aktivitu HO-1 (stimulací transkripce a zvýšením stability mrna), zatímco snižuje aktivitu HO-2 NO
Účinky CO ve fyziologických koncentracích ch Relaxace hladké svaloviny cév s následnou vazodilatací popsána u řady arterií (koronární, mozkové, mezenteriální aj.); spolupodílí se na kontrole erekce prostřednictvím cgmp i aktivací K Ca kanálů Ochrana myokardu před reperfuzním poškozením Snížení agregace trombocytů (asi aktivací cgmp dráhy)
Účinky CO ve fyziologických koncentracích ch Účinky na nervovou tkáň - regulace osy hypothalamus-hypofýza-nadledviny (sekrece CRF) - ovlivnění sekrece ADH - ovlivnění cirkadiánního rytmu (prostřednictvím transkripčního faktoru NPAS2) - podíl na dlouhodobé adaptaci čichových neuronů a při adaptaci na tmu - signální molekula v karotickém čidle pro kyslík CO a ostatní orgány - brání rozvoji plicní fibrózy - vyvolává relaxaci svaloviny GIT (NANC transmiter, zajišťuje účinek VIP)
Účinky CO ve fyziologických koncentracích ch Protizánětlivý tlivý účinek inhibice tvorby prozánětlivých cytokinů (TNF-α, IL-1 aj.) makrofágy Inhibice apoptózy buněk endotelu Protože CO vzniká působením hemoxygenázy, řada jeho účinků může být způsobena: - odstraněním toxického účinku hemu - produkcí antioxidantů biliverdinu a bilirubinu
Závěry
Závěry Zdá se, že regulační účinek CO není tak významný, jak je tomu v případě NO Rychlost produkce a zániku je u NO mnohem dokonaleji regulovaná a rychleji se mění Účinky CO jsou v mnohém ještě neznámé a vyžadují další studium Užití léčiv uvolňujících CO např. v léčbě hypertenze není v nejbližší době reálné
Pro gasotransmitery platí: Jsou to velmi jednoduché molekuly Vznikají působením m enzymů,, které se vyskytují jako konstitutivní i inducibilní Snadno difundují membránami Na rozdíl l od neurotransmiterů nemají receptory Cílovou strukturou je hem
Jejich účinek závisz visí na koncentraci: v nízkn zké koncentraci vykazují řadu pozitivních fyziologických působenp sobení ve vysoké koncentraci jsou silnými jedy Mají významnou úlohu v: kontrole napětí hladké svaloviny cévnc vní stěny regulaci zánětlivých z procesů ovlivnění nervového přenosup a řadě další ších pochodů v organismu
Účinek gasotransmiterů je zkoumán: po jejich podání (inhalačně nebo po uvolnění v organismu z jiných látek) l pomocí inhibitorů enzymů,, podílej lejících ch se na jejich vzniku indukcí syntézy příslup slušného enzymu studiem knock-out out laboratorních zvířat studiem zvířat s over-expres expresí příslušného genu
Znalost působení gasotransmiterů a farmakologické ovládnutí jejich tvorby či odbourávání dávají prostor k léčbě řady závažných chorobných stavů
Děkuji za pozornost racek@fnplzen.cz