Biochemie kůže Jana Novotná Ústav lékařské chemie a klinické biochemie, 2. LF UK a FN Motol 2016
Úloha kůže Bariéra proti různým druhům poškození (UV radiace, mechanické, chemické a biologické poškození) periferní systém vnímání systém udržující homeostázu 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 ph 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. Podkožní vazivo (hypodermis) není součástí kůže
Stratum basale jediná vrstva buněk s intenzivní mitotickou aktivitou, obsahuje melanocy, Merkelovy buňky (receptorové buňky) Stratum spinosum 8 10 vrstev keratinocytů, buňky spojené desmozomy, obsahuje Langerhansovy buňky Stratum granulosum 3 5 vrstev nedělících se keratinocytů, s množstvím váčků obsahujících například lipidy, keratinohyalin, meziprodukt rohovatění, bariéra; Stratum lucidum tenká průsvitná vrstva extrémě oploštělých buněk, začínají degenerovat, mizí některé buněčné organely Stratum corneum rohová vrstva (tloušťka 0,01 až 0,04 mm), 15 30 vrstev bezjaderných a plně keratinizovaných buněk, buňky rohové vrstvy, korneocyty - vlastní kožní bariéra;. Vnější rohovějící vrstevnatý dlaždicový epitel (bez vaskularizace (75 150 mm) Epidermis
Keratin Keratin (rohovina) nerozpustný skleroprotein V buňkách - intermediární filamenta (KIF) - proteiny tvořící cytoskelet. Vlasy, nehty, zrohovatělé vrstvy kůže tvořeny keratinem z mrtvých kožní buněk. Savci - a-keratiny, ptáci, plazi - b-keratiny Dva typy a-keratinů keratiny I typu menší, kyselé, označené jako K9 - K23 (vlasové Ha1 Ha8) keratiny II typu větší, bazické, označené jako K1 - K8 (vlasové Hb1 Hb6) heterodimery kombinace obou
Struktura keratinu pravotočivý a-helix levotočivá civka (superzávit) ~ 30 geneticky odlišných keratinů v lidské kůži dlouhé úseky a-helixu přerušené krátkými lineárními úseky cívka (superzávit, provazec) zvyšuje pevnost struktury pevnost umocněna přítomností hydrofóbních aminokyselin v místě styku a-řetězců nejvíce zastoupené aminokyseliny Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, 14% cysteinu (u lidského vlasu) 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 - K14 (typ I)/K5 (typ II), K18 (typ I)/K8 (typ II) proliferující keratinocyty S. basale K5 (typ II)/K14 (typ I) S. spinosum a S. granulosum K10 (typ I)/K1 (typ II) S. corneum K3 (typ I)/K12 (typ II) Vlasy a nehty různé typy dalších keratinových párů
Vrozená onemocnění Epidermolysis bullosa symplex (EBS), či bulózní epidermolýza - vzácné vrozené dědičné onemocnění bodová mutace v genu pro K14 nebo K5, pouze u bazálních buněk epidermis. Vysoce zakonzervovaný arginin (R125) v K14 nahrazen buď cysteinem nebo histidinem. Snížení mechanické pružnosti keratinových intermediárních filament. Vlákna mutovaného keratinu K5/K14R125 jsou menší, je jich méně, než u nemutovaného keratinu K5/K14. U nejmírnější Weber-Cockayne formy (EBS-WC) - puchýře na kůži dlaní a chodidel. Keratóza epidermolytická bodová mutace v genu pro K1 a K10 (S. spinosum a S. basale. Hyperkeratóza, puchýře
Kožní bariéra Kožní bariéra má podstatnou roli v hydrataci kůže i průniku alergenů a škodlivin do kůže. Funkcí kožní bariéry zadržování vodu uvnitř kůže a škodliviny vně. Porucha kožní bariéry vznik některých onemocnění, např. atopické dermatitidy. Hlavní složku kožní bariéry tvoří ceramidy.
Epidermální bariéra Bariéra vzniká během terminálního stádia keratinocytů vysoký stupeň zesíťování proteinů a lipidů - biologické lepidlo Post-translační modifikace proteinů kovalentní vazby mezi volnými NH 3 skupinami (např. lysinu) a g-karboxamidovou skupinou glutaminu (transglutamináza) Proteiny vysoce rezistentní vůči mechanickému poškození a proteolýze.
Epidermální bariéra Kvalita bariéry S. corneum závisí na ekvimolární koncentraci ceramidů, cholesterolu a mastných kyselin. Změny v jejich koncentraci nebo inhibice enzymů syntézy lipidů změny propustnosti bariéry. Ceramidy 50% všech lipidů v S. corneum, dále cholesterol, a volné mastné kyseliny. ph kůže mírně kyselé nutné pro udržení homeostáze epidermální propustné bariéry (laktát, volné MK v potu), optimální pro enzymy extracelulární matrix. Hodní mikrobi potřebují nižší ph, nepřátelští mikrobi (stafylokok) potřebují neutrální/vyšší ph.
Epidermální bariéra Mastné kyseliny endogenní (produkty buněk epidermis) a exogenní (z potravy) Aktivní metabolismus polynenasycených mastných kyselin (PUFA) 20ti uhlíkaté PUFA linoleová, arachidonová cyklooxygenáza, a lipoxygenáza prostaglandiny, prostacykliny (při alergických reakcích). Propustnost bariéry závisí na kvalitě lipidových lamel mezi korneocyty. Chaos v uspřádání mastných kyselin vznik kožních chorob atopický ekzém (abnormální snížení omega-6 mastných kyselin a ceramidů) Xenobiotika z vnějšího prostředí - odstraňování cytochromy P450 (CYP) epidermis a mazové žlázy. Určité typy CYP jsou specifické pro keratinocyty (odbourání farmaceutik, komponent kosmetik atd.)
Diferenciace a metabolický obrat epidermálních buněk Pluripotentní kmenová buňka (keratinocyty mazových žláz, vlasových folikulů a epidermis) pochází z vlasového folikulu. Ca 2+ - stěžejní úloha v epidermální diferenciaci 4x zvýšené extracelulární Ca 2+ v S. corneum. Receptory pro Ca 2+ -dependentní integriny vazba přes fibronektin na extracelulární matrix. Keratinocyty syntetizují involukrin protein s opakujícími se sekvencemi s Glu sesítování v transglutaminázové reakci Diferenciaci keratinocytů regulují thyroidní a steroidní hormony, vitaminy - D 3 a retinol z potravy.
Diferenciace a metabolický obrat epidermálních buněk Keratinocyty S.basale přeměna na buňky rohové vrstvy korneocyty ~ 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 inzulty také vedou k apoptóze keratinocytů. Hlavním markerem pro diferenciaci keratinocytů je exprese jednotlivých párů keratinů proliferující basální keratinocyty exprese K5 a K14 keratinocy ve fázi rané diferenciace přepnou na K1 a K10.
Diferenciace a metabolický obrat epidermálních buněk Laminin a kolagen IV a VII (basální membrány) regulace migrace keratinocytů po bazální membráně (důležité během hojení). Migrující keratinocyty produkují matrixové metalopropteinázy. Keratinocyty v S. graulosum obsahují keratohyalin a lamelární granula bohatá na lipidy. Lipidy z lamelárních granul tvoří lipidové vrstvy součást lipidové propustné bariéry epidermis. Buňky kůže mají jaderné receptory pro glukokortikoidy, estrogen, androgeny a progesteron.
Sluneční záření - UVA (90% 95%), UVB (5% 10%). J. D Orazio et al. Int. J. Mol. Sci. 2013, 14(6), 12222
Melanocyty Melanocyty - melanin produkující buňky (S. basale). Prekursor melanoblast. Melanin je uchováván v melanozomech. 1 melanocyt je v kontaktu se ~ 40 keratinocyty. Melanocyty rameny transportují melanin v melanozomech do cytoplasmy keratinocytů.
Melanozomy GTPáza Rab27a je spojená s melanozomy, reguluje jejich transport do periferní cytoplasmy kožních melanocytů. Transport melanozomu vyžaduje cytoskeletární mikrotubuly a aktin. Myší melanocyt ve tkáňové kultuře obarven na filamenta aktinu (červeně) a mikrotubuly (modře). Rab27a - značené melanozomy (zeleně) mají k cytoskeletu úzký vztah. Hume et al. JCB 2001;152 (4): 795
Tvorba melaninu - melanogeneze Čtyři i enzymy jsou pro syntézu melaninu nezbytné tyrosináza (TYR) kritický krok hydroxylace tyrosinu, tyrosinaserelated protein 1 (TRP1), tyrosinase-related protein 2 (TRP-2) a DOPAchrome tautomeráza (reakce DOPAchinon na DOPAchrom spontánn oxidace
Tvorba melaninu - melanogeneze
Regulační proteiny melanogeneze Vývoj melanocytů reguluje transkripční faktor, proteinu MITF (microphthalmia-associated transcription factor), který aktivuje řadu regulačních transkripčních faktorů a signálních drah: kontrola proliferace a diferenciace melanoblastů a melanoctů. kontrola pigmentace přes regulaci transkripce tyrozinázy, TRP-1 a TRP-2. MITF klíčový transkripční faktor pro Rab27 protein pro transport melanozomu
Parakrinní stimulace melanogeneze Melanogenezi stimulují melanotropní hormony - α-msh, β-msh, ACTH, odvozené z proopiomelanokortinu (POMC). Exprese a další zpracování POMC se podobá témuž procesu v hypotalamu. Exprese POMC u keratinocytů po UV ozáření (a-msh, b-msh nebo ACTH) zvýší se kožní pigmentaci v oblasti ozářené sluncem. Melanokortin receptor 1 (MC1R) je spřažený s malými G proteiny (Gs a, b, g). Gs proteiny po aktivaci receptoru MC1R aktivují adenylylcyklázu (AC). AC - produkce camp aktivace stimulace melanogeneze PKA fosforylace enzymů, iontových kanálů a několika regulačních proteinů exprese příslušných genů. Exprese POMC a dalších aktivační dráhy pro tvorbu melaninu koreluje se stádiem diferenciace melanocytů, keratinocytů a buněk vlasového folikulu.
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 Fibroblasty kůže - produkují cytokiny, růstové faktory, mediátory zánětu zvýšení produkce melaninu v melanocytech a stimulace jeho přenosu do keratinocytů. Faktory produkované keratinocyty regulující proliferaci a diferenciaci melanocytů : α-msh, ACTH, bazický fibroblastový růstový faktor (bfgf), nervový růstový faktor (NGF), endoteliny, granulocytárnímakrofágový kolonie stimulující faktor (GM-CSF), hepatocytární růstový faktor (HGF).
Další buňky epidermis Langerhansovy buňky - dendritické buňky původ v kostní dřeni, 2-8% v epidermis. Součástí imunitního systému, interakce s T-buňkami Vazba na keratinocyty pomocí E- kadherinového receptoru Pohyb regulován specifickým integrinovým receptorem a TNFα interakce s alergenem v S. germinativu migrace do lymfatických uzlin prezentace antigenu T buňkám UV B záření stimuluje syntézu a uvolnění TNF-a keratinocyty změna chování a morfologie Langerhansových buněk, snížení jejich počtu.
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 (přídatné orgány kůže) 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 (apokrinní 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 NaCl, 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. Konzistence apokriního potu více viskózní, mléčná konzistence díky vysokému obsahu mastných kyselin, cholesterolu, skvalenu, triglyceridů, androgenů, čpavku.
Obsah minerálů v potu sodík draslík vápník hořčík zinek měď železo chrom nikl olovo 0.9 g/l 0.2 g/l 15 mg/l 1.3 mg/l Stopové prvky 0.4 mg/l 0.3 0.8 mg/l 1 mg/l 0.1 mg/l 0.05 mg/l 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 a-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 glukóza z cirkulace difunduje do keratinocytů bez vlivu insulinu. Velké množství glukózy 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% glukózy 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 glukózy)
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 lipáz
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 fyzikálněchemických vlastností (rozpustnost, rychlost difúze). Epidermis a mazové žlázy exprimují různé cytochromy P450 (rozsáhlá skupina hemoproteinových enzymů, označení 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. K. Rousseau et al.: Proopiomelanokortin (POMC), the ACTH/melanokortin prekursor, is secreted by human epidermal keratinocytes and stimulates melanogenesis. The FASEB Journal 2007, 2: 1844 1856. Costin, G.E. Hearing, V.J.: Human skin pigmentation: melanocytes modulate skin color in response to stress. The FASEB Journal 2007; 21: 976-994. I.F.S. Videira, D.F.L. Maura, S-.Magina: Mechanism regulating melanogenesis. An. Bras. Dermatol 2013, 88: 76-83. J.M. Gillbro, M.J. Olsson. The melanogenesis and mechanism of skin-lightening agents existing and new approaches. Int. J. Cosmetic Science 2011, 33: 210-221.
Děkuji za pozornost