Oxid uhelnatý jedovatý plyn či 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 známy jako nebezpečné polutanty Zejména oxid uhelnatý, ale i sulfan a oxidy dusíku způsobují závažné, často smrtelné otravy O to překvapivější bylo zjištění, že jsou nezbytné pro život
Začalo to v r. 1992 Oxid dusnatý (NO) byl v časopisu Science označen za „molekulu roku“
(Culotta E and Koshland DE, Jr. NO news is good news (”Molecule of the Year“). Science 258 (5090), 1992: 1862–64)
Jako oxid dusnatý byl totiž identifikován endothelium-derived relaxing factor (EDRF), (EDRF) popsaný v r. 1978 Robertem F. Furchgottem Vysvětlil se tím i vazodilatační účinek nitrátů
Pak následovaly oxid uhelnatý a sulfan Vznikl pojem „gasotransmitery“ Naše znalosti o metabolické úloze těchto plynů rostou geometrickou řadou Cílem sdělení je přinést přehled nejnovějších znalostí o jednom z nich – oxidu uhelnatém – a ukázat jeho místo v metabolismu
Oxid uhelnatý Carbon monoxide
CO
Oxid uhelnatý Plyn (b. tání -205 °C, b. varu -192 °C) z z z
bezbarvý hořlavý bez zápachu
Minimálně rozpustný ve vodě: 2,6 mg/100 ml vody (20 °C)
Lipofilní → dobře prochází membránami
Oxid uhelnatý Extrémně hořlavý Vysoce toxický Výbušný (ve směsi se vzduchem s 12,5 – 7,42 % CO)
Vznik oxidu uhelnatého V přírodě: z
nedokonalé hoření všech uhlíkatých látek
V lidské činnosti z z z z
výfukové plyny ze spalovacích motorů kamna, karmy kouření generátorový a vodní plyn, dříve 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 O2 → biliverdin + Fe3+ + CO + NADP+ + H2O
Degradace hemu
Degradace hemu
Hemoxygenasa pro svou fci potřebuje Hem – je substrátem, ale i aktivuje kyslík z NADPH-cytochrom P450 reduktasu – poskytuje elektrony potřebné k degradaci hemu z Kyslík z Biliverdinreduktasu (EC 1.3.1.24) – ihned po svém vzniku je biliverdin redukován na bilirubin a uvolní se z HO Uvedené tři enzymy tvoří komplex, pracují ve vzájemné souhře z
NADPH-cytochrom P450 reduktasa (NADPH : ferrihemoproteinreduktasa, EC 1.6.2.4) z
Flavoprotein, který je i součástí NOS
z
Obsahuje FAD, FMN, NADPH
z
z
Uplatňuje se jako donor elektronů pro oxidasy v endoplazmatickém retikulu (metabolismus léků, hemu, součástí stravy, syntéza steroidů) Tok elektronů: NADPH → FAD → FMN → O2
Izoformy hemoxygenasy z
z
z
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 z z
z
z
Degradace hemu Ochrana před oxidačním stresem a škodlivinami – HO-1, dává vzniknout významným antioxidantům (biliverdin, bilirubin) Tvorba oxidu uhelnatého – působí jako signální molekula – viz dále HO má účinek protizánětlivý, antiangiogenní a cytoprotektivní – asi vyplývá z předchozích dvou účinků
HO u jiných organismů z
z
z
z
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 z
z
z
Exspirace plícemi – hlavní cesta eliminace CO Vazba na sloučeniny obsahující hem, zejm. hemoglobin Oxidace – za fyziologických podmínek u savců neprokázána
Signální funkce CO z
z
z
z
Produkce CO při rozpadu hemoglobinu prokázána až v r. 1950 (Sjöstrand) Hemoxygenáza popsána až v r. 1960 (Tenhunen et al.) Možná signální funkce CO popsána až v r. 2000 (Snyder) Denní produkce CO je asi 12 ml (500 μmol); koncentrace CO ve tkáních v nmol/l
Molekulární úroveň účinku CO z
z
Většina účinku CO je dána jeho vazbou na hem obsahující proteiny (hemoglobin, myoglobin, katalasa, peroxidasy, NOS, cytochrom c oxidasa, cytochorm P450, 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 z
z
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 (BKCa) k Ca2+; tento účinek je zčásti přímý, zčásti závislý na regulaci produkce NO
Vztah CO a NO (I) z
z
CO i NO se mohou vázat na hem v různých Fe(II)-hem proteinech Elektrony pro HO poskytuje cytochrom P450 reduktasa, její bílkovina vykazuje 60% homologii s karboxyterminální částí NOS
Vztah CO a NO (II) z
CO zvyšuje aktivitu NOS, NOS navíc uvolňuje NO z jeho zásob (z vazby na hemové proteiny) Vysoká koncentrace CO snižuje aktivitu NOS vazbou na tento enzym
z
NO zvyšuje aktivitu HO-1 (stimulací transkripce a zvýšením stability mRNA), zatímco snižuje aktivitu HO-2
Účinky CO ve fyziologických koncentracích z
z
z
Relaxace hladké svaloviny cév s následnou vazodilatací – popsána u řady arterií (koronární, mozkové, mezenteriální aj.); spolupodílí se na kontrole erekce – prostřednictvím cGMP i aktivací KCa kanálů Ochrana myokardu před reperfuzním poškozením Snížení agregace trombocytů (asi aktivací cGMP dráhy)
Účinky CO ve fyziologických koncentracích 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 z CO a ostatní orgány - brání rozvoji plicní fibrózy - vyvolává relaxaci svaloviny GIT (NANC transmiter, zajišťuje účinek VIP) z
Účinky CO ve fyziologických koncentracích z
z
Protizánětlivý 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 z
z
z
z
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: z z
z z
z
Jsou to velmi jednoduché molekuly Vznikají působením enzymů, které se vyskytují jako konstitutivní i inducibilní Snadno difundují membránami Na rozdíl od neurotransmiterů nemají receptory Cílovou strukturou je hem
Jejich účinek závisí na koncentraci: z v nízké koncentraci vykazují řadu pozitivních fyziologických působení z ve vysoké koncentraci jsou silnými jedy Mají významnou úlohu v: z kontrole napětí hladké svaloviny cévní stěny z regulaci zánětlivých procesů z ovlivnění nervového přenosu z a řadě dalších pochodů v organismu
Účinek gasotransmiterů je zkoumán: z
z
po jejich podání (inhalačně nebo po uvolnění v organismu z jiných látek) pomocí inhibitorů enzymů, podílejících se na jejich vzniku
z
indukcí syntézy příslušného enzymu
z
studiem knock-out laboratorních zvířat
z
studiem zvířat s over-expresí příslušného genu
Znalost působení gasotransmiterů a farmakologické ovládnutí jejich tvorby či odbourávání dávají prostor k léčbě řady závažných chorobných stavů
Děkuji za pozornost
[email protected]
