Biochemie jater
Alice Skoumalová
Játra: Představují životně důležitý orgán, který má centrální úlohu v intermediárním metabolismu a odstraňování toxických látek Váží 1,5 kg (jeden z největších orgánů v těle) Tvoří 2-3% celkové tělesné hmotnosti, ale spotřebují 20-30% celkového kyslíkového zásobení
Schéma hepatocytu 300 miliard buněk v játrech (80% hepatocyty) Centrální úloha v intermediárním metabolismu
Funkce jater
Vychytávání živin Metabolismus Dodávání substrátů Biotransformace
Vylučování Boj s infekcí
Metabolismus jater Hlavní funkce = udržování hladin mnoha látek v krevní plasmě
Metabolismus cukrů Metabolismus tuků Metabolismus aminokyselin a proteinů Metabolismus cizorodých látek
Metabolismus jater Hlavní funkce = udržování hladin mnoha látek v krevní plasmě Metabolismus cukrů: 1. Vychytávání glukózy a jiných monosacharidů -konverze na glukóza-6-fosfát a jiné metabolity glykolýzy (ukládání ve formě glykogenu nebo degradace) -přeměna cukrů na mastné kyseliny -tvorba ATP (malá část) 2. Vylučování glukózy (při poklesu její hladiny v krvi) -z degradace glykogenu -glukoneogeneze z laktátu, glycerolu, aminokyselin (po vyčerpání zásob glykogenu) Metabolismus tuků Metabolismus aminokyselin a proteinů Metabolismus cizorodých látek
Metabolismus jater Hlavní funkce = udržování hladin mnoha látek v krevní plasmě Metabolismus cukrů Metabolismus tuků: 1. Syntéza mastných kyselin z acetátu -použity k syntéze tuků a fosfolipidů (uvolněny do krve ve formě lipoproteinů) 2. Vychytávání mastných kyselin z plasmy -přeměna na ketolátky (vylučovány) 3. Syntéza cholesterolu z acetátu -transport do jiných orgánů v lipoproteinech 4. Nadbytek cholesterolu -jeho konverze na žlučové kyseliny nebo vyloučení žlučí Metabolismus aminokyselin a proteinů Metabolismus cizorodých látek
Metabolismus jater Hlavní funkce = udržování hladin mnoha látek v krevní plasmě Metabolismus cukrů Metabolismus tuků Metabolismus aminokyselin a proteinů: 1. Kontrola plasmatických hladin aminokyselin -degradace při jejich nadbytku -uvolněný dusík je přeměňován na ureu a transportován do ledvin -uhlíkový skeleton aminokyselin vstupuje do intermediárního metabolismu (použit pro syntézu glukózy nebo k získání energie) 2. Syntéza a degradace většiny proteinů krevní plasmy Metabolismus cizorodých látek
Metabolismus jater Hlavní funkce = udržování hladin mnoha látek v krevní plasmě
Metabolismus cukrů Metabolismus tuků Metabolismus aminokyselin a proteinů Metabolismus cizorodých látek 1. Zpracování steroidních hormonů a degradačních produktů hemoglobinu -inaktivace a přeměna na polární metabolity 2. Zpracování léků, etanolu a dalších cizorodých látek (xenobiotika) -inaktivace a přeměna na polární metabolity
Úloha jater ve výživě Tkáně jsou závislé na konstantním dodávání energeticky bohatých metabolitů (získávání energie a prekurzorů pro syntézy makromolekul) Játra: 1. Vyrovnávají výkyvy v dodávce energetických substrátů tkáním 2. Zajišťují zásoby různých metabolitů Biochemie výživy: 1. Resorpční fáze (přísun živin) -glukóza (hlavní energetický zdroj pro tkáně) 2. Postresorpční fáze (hladovění) -mastné kyseliny, aminokyseliny, ketolátky (kromě nervové tkáně a erytrocytů) Přechod v závislosti na hladině energeticky bohatých metabolitů v plasmě (hormonální a nervová regulace)
Resorpční fáze (2-4 hodiny po jídle)
Metabolismus jater během resorpční fáze
Postresorpční fáze (během hladovění)
Metabolismus jater během postresorpční fáze
Úloha jater v metabolismu sacharidů
Udržování hladiny glukosy v krvi (4,4-5,6 mM) -regulace pochodů, které glukosu dodávají a utilizují
Získávání glukosy 1. Glykogenolysa 2. Glukoneogeneze 3. Metabolismus fruktosy a galaktosy 4. Coriho cyklus (z laktátu) 5. Alaninový cyklus (z alaninu)
Glykogen v játrech Sacharidová rezerva (uvolnění glukosy) Lidské tělo může skladovat 450g glykogenu (třetina v játrech, zbytek ve svalech) Glykogen v játrech slouží k udržování hladiny glukosy v krvi, během 1 dne hladovění je spotřebován
Glukoneogenese v játrech Během 1 dne hladovění je vypotřebován jaterní glykogen Pokles hladiny glukosy v krvi Nárůst glukoneogenese
Glukoneogenese v játrech Glukoneogenese hlavně v játrech (90%) Prekurzor: 1. Aminokyseliny -ze svalů (dlouhodobé hladovění-degradace svalových proteinů) 2. Laktát -z erytrocytů a svalů 3. Glycerol -degradace tuků Kortisol, glukagon, adrenalin: stimulují glukoneogenesi Insulin: inhibuje glukoneogenesi
Coriho a alaninový cyklus
Coriho cyklus: Laktát (anaerobní glykolysa) -transportován do jater -konvertován na glukosu (glukoneogenese, ATP) Glukosa- na místo spotřeby
Alaninový cyklus Degradace proteinů: -aminoskupiny přeneseny na pyruvát, -vznik alaninu Alanin transportován do jater: -uhlíkový skeleton přeměněn na glukosu, -dusík konvertován na močovinu
Úloha jater v metabolismu tuků Nejdůležitější místo pro tvorbu mastných kyselin, tuků, ketolátek a cholesterolu Resorpční fáze: -Konverze glukosy přes acetylCoA na mastné kyseliny -Mastné kyseliny z chylomikronů -Mastné kyseliny přeměněny na neutrální tuky a fosfolipidy, tvorba VLDL (transport mastných kyselin do tkání) Postresorpční fáze: -Tuková tkáň uvolňuje mastné kyseliny -Mastné kyseliny vychytány v játrech, degradovány na acetylCoA -Syntéza ketolátek
Biosyntéza ketolátek Acetyl-CoA (ß-oxidace): • vstupuje do citrátového cyklu • nadbytek (hladovění, diabetes mellitus) – tvorba ketolátek (energie pro jiné tkáně) Ketolátky: • Uvolněny do krve (dobře rozpustné), hladina roste během hladovění • 3-hydroxybutyrát a acetoacetát zdroj energie pro tkáně (po 1-2 týdnech hladovění je využívá i mozek) • Aceton vydechován plícemi Ketonemie, ketosurie, ketoacidosis: • Když produkce ketolátek převýší poptávku (dlouhodobé hladovění, diabetes mellitus)
Metabolismus cholesterolu Zdroje cholesterolu: 1. potrava, 2. syntéza de novo z acetyl-CoA (játra) Využití cholesterolu: 1. syntéza žlučových kyselin, 2. stavební jednotky buněčných membrán, 3. skladování ve formě esterů s mastnými kyselinami, 4. tvorba VLDL (zásoba pro další tkáně) Játra degradují lipoproteiny obsahující cholesterol a estery cholesterolu (HDL)
Úloha jater v metabolismu aminokyselin Játra hlavní místo pro degradaci aminokyselin (amoniak) Amoniak: -toxický (ve vyšších koncentracích poškozuje nervové buňky) -inaktivace a exkrece (u člověka tvorba močoviny)
NH3 metabolismus v játrech: • • • • •
Aminodusík ve tkáních je inkorporován do glutaminu (Gln) a alaninu (Ala) a transportován do jater Glutamin je deaminován na glutamát (Glu) a NH3 (glutaminasa) Aminoskupina alaninu je přenesena na 2-oxoglutarát (2-OG) (alanintransaminasa) Oxidativní deaminace glutamátu (glutamátdehydrogenasa)- uvolnění NH3 Aspartát (Asp) (druhý donor aminoskupiny v syntéza močoviny) vzniká z glutamátu (aspartáttransaminasa)
Cyklus močoviny Močovina: -netoxická, malá neutrální molekula, snadno difunduje přes membrány, rozpustná ve vodě -transportována krví a vylučována močí
Syntéza: -výhradně v játrech -cyklická série reakcí, atom dusíku derivován z amoniaku a aspartátu, karbonylový uhlík z bikarbonátu
Metabolismus žlučových kyselin Žlučové kyseliny: -24C steroidy s 1 až 3 hydroxylovými skupinami a postranním řetězcem s karboxylovou skupinou -Syntetizovány v játrech z cholesterolu -Amfipatické (polární i nepolární část)- usnadňují trávení tuků -Před uvolněním do střeva jsou konjugovány s glycinem nebo taurinemsoli žlučových kyselin -Primární tvořené v játrech, sekundární=dehydroxylace ve střevě Trávení tuků-tvorba micel (usnadňují činnost pankreatických lipas)
Metabolismus žlučových kyselin (výhradně v játrech)
1. Syntéza žlučových kyselin 2. Konjugace s aminokyselinou 3. Odstranění vody a koncentrace žluči
4. a 5. Střevní bakterie degradují žlučové kyseliny 6. Reabsorpce žlučových kyselin, transport do jater (0,5g z 15-30g žlučových kyselin vyloučeno, syntéza
Biotransformace Cizorodé látky: Xenobiotika Farmaceutika Syntetické látky
Špatně rozpustné, biologicky aktivní, toxické
Vlastní látky: Steroidní hormony Žlučové pigmenty
Transformační reakce
Inkorporace funkční skupiny do nepolární látky nebo pozměnění stávající skupiny
Výsledek: nárůst polarity, pokles biologické aktivity a toxicity
1.
Oxidační: hydroxylace, tvorba epoxidů, dealkylace, deaminace Redukční reakce Methylace Desulfurace
Fáze I
Transformační produkty
2. 3. 4.
Biotransformace Transformační produkty Tvorba konjugátů Konjugace substrátu s vysoce polární často negativně nabitou látkou
Fáze II
Transferasy 1. Glukuronizace 2. Esterifikace se sulfátem 3. Amidace s Gly a Glu Konjugáty
Žluč
Moč
Příklady enzymů účastnících se biotransformace xenobiotik: Acetyltransferáza Amidáza-esteráza Dehydrogenáza Monooxygenáza obsahující flavin Glutathion-S-transferáza Methyltransferáza Oxidáza se smíšenou funkcí Reduktáza Sulfotransferáza UDP-glukosyltransferáza UDP-glukuronosyltransferáza
Systém cytochrom P450 Systém P450 = monooxygenasy obsahující hemovou skupinu Enzymatická hydroxylace (fáze I biotransformace): léky, etanol Biosyntéza steroidních hormonů, žlučových kyselin, eikosanoidů a nenasycených mastných kyselin Nízká specifita
Játra, kůra nadledvin
Reakce cytochrom P450 monooxygenas Redukční štěpení O2 (jeden atom kyslíku inkorporován do substrátu, druhý uvolněn ve formě vody) Redukční ekvivalenty dodává NADPH + H+
Systém cytochrom P450
Příklady reakcí systému cytochrom P450: 1.
Hydroxylace aromatických sloučenin (léky, steroidy)
2.
Hydroxylace alifatických sloučenin
3.
Epoxidace aromatických sloučenin (vznik toxických sloučenin, př. mutagenní vlastnosti benzopyrenu)
4.
Dealkylace
Metabolismus ethanolu Obsah alkoholu v alkoholických nápojích Objemová procenta (přepočet na gramy ethanolu koeficient 0,79 kg/l) 0,5l 4% piva = 16g ethanolu (70kg – 0,33‰) 0,7l 12% vína = 66g ethanolu
Ethanol je rychle vstřebán v trávicím traktu difúzí
Maximální hladina alkoholu 60-90 minut Alkohol je rychle distribuován v organismu (velké množství vychytáno ve svalech a mozku) Letální dávka 3,5‰
Degradace ethanolu (játra)
Oxidace na ethanal (alkoholdehydrogenasa, limitující enzym) Oxidace na acetát (aldehyddehydrogenasa) Konverze na acetyl-CoA (acetát-CoA-ligasa, ATP)
Mikrosomální alkohol oxidační systém (Cyt P450)
Poškození jater ethanolem Nadměrná konzumace alkoholu po mnoho let vede k poškození jater (denní limit u mužů a žen je 60 a 50g); závislost na tělesné hmotnosti, zdravotním stavu a užívání léků Vysoká hladina NADH a acetyl-CoA vede k inhibici citrátového cyklu a ketogenese, stimulaci syntézy tuků a cholesterolu (ztukovatění jater, z 5 na 50%, reverzibilní) Chronický alkoholismus způsobí buněčnou smrt a poškození jater (cirhosa, ireversibilní, ztráta jaterních funkcí)
Metabolismus a exkrece bilirubinu
Hyperbilirubinémie
Nárůst hladiny bilirubinu v krvi (norma do 17μmol/l), do periferních tkání (žlutá barva = žloutenka → 50 μmol/l)
Příčina: 1. Prehepatická: nadměrná tvorba bilirubinu (např. hemolytická anemie) 2. Hepatická: porucha vychytávání, konjugace nebo sekrece játry (např. hepatitida, cirhóza) 3. Posthepatická: obstrukce ve žlučových cestách (např. žlučové kameny)
Nekonjugovaný bilirubin prochází hemato-encefalickou bariéru a může poškodit mozek
Typ
Příčina
Klinický příklad
Frekvence
Prehepatická
Hemolýza
Autoimunitní Abnormální hemoglobin
Málo častá Podle regionu
Intrahepatická
Infekce Poškození Genetika
Hepatitida A,B,C Alkohol, léky Gilbertův syndrom Wilsonova choroba α1-antitrypsin deficit Chronická hepatitida Fyziologická
Velmi častá Častá 1 v 20 1 v 200 000 1 v 1000 Málo častá Velmi častá
Léky Primární biliární cirhóza Cholangitida Žlučové kameny Tumor pankreatu
Častá Málo častá Častá Velmi častá Málo častá
Autoimunitní Novorozenecká Posthepatická
Intrahepatické žlučové cesty Extrahepatické žlučové cesty
krev
Bilirubin moč stolice
Prehepatická
↑↑(UC)
N
↑
Intrahepatická
↑↑(oba)
↑
Posthepatická
↑↑(C)
↑
Urobilinogen krev moč ↑
↑
N
↑↑
↑↑
↓
↓
↓
Funkce jater a markery poškození:
Funkce
Markery poškození v plasmě
Katabolismus hemu
↑ bilirubin
Metabolismus cukrů
↓ glukóza
Syntéza proteinů
↓ albumin ↑ protrombinový čas
Katabolismus proteinů
↑ amoniak ↓ močovina
Metabolismus lipidů
↑ cholesterol ↑ triglyceridy
Metabolismus léčiv
↑ poločas léků
Metabolismus žlučových kyselin
↑ žlučové kyseliny
Jaterní soubor
Základní vyšetření: ALT, AST, GMT, ALP, bilirubin, Uurobilinogen, U-bilirubin, albumin Speciální vyšetření: ELFO bílkovin, prealbunim, glutamátdehydrogenasa, cholinesterasa, laktátdehydrogenasa, oGTT, P-Fe Vysoce speciální vyšetření: ceruloplasmin, S-Cu, α1-antitrypsin, amoniak, P-žlučové kyseliny, serologická vyšetření při infekci virem hepatitidy B, stanovení koagulačních faktorů, které jsou syntetizovány v játrech
ALT (alaninaminotransferasa): -cytoplasmatický enzym lokalizovaný především v hepatocytu, do krve se dostává při poškození buněčné membrány (při malém poškození) -zvýšení specifické pro jaterní postižení (akutní virová hepatitida) AST (aspartátaminotransferasa): -nitrobuněčný enzym obsažený především v srdečním svalu, játrech a kosterním svalstvu
-zvýšení u chorob jater (AST vyšší než ALT svědčí o nekróze buněk) -snížení v terminální fázi jaterního selhání GMT (gamaglutamyltransferasa): -indikátor hepatobiliárního poškození, zvláště u chronických stavů a při cholestase (nejvyšší hodnoty při obstrukci žlučových cest)
-nejcitlivějším ukazatelem poškození jater alkoholem, metastatické procesy v játrech -u virové hepatitity v rekonvalescenci (hodnocení průběhu)
ALP (alkalická fosfatasa): -celková aktivita 4 enzymů (jaterní, kostní, střevní, placentární) -hepatobiliární onemocnění (obstrukce, abscesy, metastázy)
Bilirubin: -celkový a přímý (=konjugovaný)
Urobilinogen v moči: -zvýšení funkční nedostatečnost jater, překročení funkční kapacity jater
Bilirubin v moči: -zvýšen, je-li v plasmě zvýšen především přímý (konjugovaný) bilirubin (obstrukční a hepatocelulární iktery)
Schémata použitá v prezentaci: Color Atlas of Biochemistry, Second edition, Thieme 2005 (Koolman J and Roehm KH)
