Přednáška 5: Neuropřenašeče: serotonin, acetylcholina histamin Kromě aminokyselin a katecholaminů, které jsme už probrali, fungují jako neuropřenašeče v mozku i jiné malé molekuly. Mezi nejdůležitější z nic patří serotonin, acetylcholin a histamin. Serototnin a histamin jsou spolu s katecholaminy díky přítomnosti jedné aminoskupiny ve své struktuře označovány jako (biogenní) monoaminy. Všechny biogenní aminy sdílejí určité podobné vlastnosti, z nichž asi nejvýznačnější je ta, že jsou uvolňovány z relativně malého počtu neuronů široce projikujících v rámci celé neuraxis. Jednotlivé monoaminy se mezi sebou samozřejmě liší; např. všechny katecholaminy jsou odvozeny od tyrosinu, zatímco serotonin od tryptofanu a histamin od histidinu. Acetylcholin strukturně mezi monoaminy nepatří, ale ke skupině těchto neuropřenašečů bývá přiřazován proto, že je rovněž uvolňován z nevelkého počtu neuronů. SEROTONIN (5-hydroxytryptamin, 5-HT) Serotonin je sice velmi intenzivně studován, ale zpřesnění charakterizace jeho funkcí poněkud limituje ne/dostupnost selektivních ligandů jednotlivých receptorových subtypů. Za fyziologických stavů se serotonin účastní mnoha procesů od regulace nálady, spánku, přes ovlivňování respirace, termoregulace či vasokonstrikce (poslední tři hlavně cestou 5-HT7 Rs). V rámci neuropsychiatrickách poruch je rovněž zapojen do etiogeneze celé řady onemocnění, počínaje migrinickými bolestmi hlavy a konče depresemi. Serotoninových receptorů bylo vyklonováno velké množství subtypů, takže existují důvodné předpoklady, že role 5-HT je velmi různorodá a její patofyziologie vysoce zajímavá. Syntetické a degradativní dráhy Serotonin, označovaný též jako 5-hydroxytryotamin, je odvozen od indolového skeletu, který nese na uhlíku 5 hydroxyskupinu a na konci uhlíkatého řetězce je vybaven terminální aminoskupinou. Je syntetizován z aminokyseliny tryptofanu. Tryptofan je aktivně transportován přes hematoencefalickou bariéru a hydroxylován pomocí tryptofanhydroxylasay (TPH). Vzniklý 5-hydroxytryptofan je dekarboxylován na serotonin dekarboxylasou aromatických kyselin (AADC – tentýž enzym jako biosyntéze katecholaminů z minulé přednášky). V šišince následuje ještě konverze serotoninu na melatonin pomocí 5hydroxyindol-O-methyltransferasy. Vlastnosti tryptofanhydroxylasy počet aminokyselin
445
substrát
tryptofan
produkt
5-hydroxytryptofan
kofaktory
Fe2+, tetrahydrobiopterin, O2
inhibitory
desferrioxamin, dopamin, p-chlorfenyllanin
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 TPH je (podobně jako tyrosinhydroxylasa) tzv. rate-limiting enzymem syntetické dráhy serotoninu (a melatoninu). Ke své funkci vyžaduje tetrahydrobiopterin a kyslík; některé její vlastnosti máte shrnuty v tabulce. Obsahuje (podobně jako tyrosinhydroxylasa a fenylalaninhydroxylasa) ion dvojmocného železa a stejně jako tyto dva enzymy tvoří homotetramer se 3 doménami k každé podjednotce.
V lidské tkáni a ve všech savčích tkáních existují dvě isoformy TPH. Každá je kódována jiným genem (ležícím na syntéza chromosomech 11 a 12) . Označují se TPH1 a serotoninu TPH2 a jejich sekvenční homologie je 71%. Nkoncová doména TPH2 je o 46 aminokyselinových zbytků delší. TPH2 je predominantně exprimována v serotoninergních neuronech mozku a střevní tkáni. TPH1 se vyskytuje v ostatních částech CNS (např. v šišince), v intestinální mukose, enterochromafinních buňkách, kožních buňkách či mastocytech. Krátkodobé i dlouhodobé regulace TPH jsou v podstatě identické s regulacemi tyrosinhydroxylasy, jak jsme si je ukázali v minulé přednášce. TPH může být aktivována proteinkinasou A a některými Ca2+/kalmodulindependentními proteinkinasami, nejspíše CaMkinasou II. Promotor jejího genu může být aktivován pomocí cAMP na CRE (cAMPresponse element). Hladina serotoninu v mozku může být regulována několika cestami. Látky jako p-chlorofenylalanin (PCPA) irrverzibilně blokují TPH a způsobují dlouhodbou depleci serotoninu. Halogenované amfetaminy jako fenfluramin indukují rychlý výlev serotoninu z neuronů. Pravděpodobně narušují skladování serotoninu ve váčcích; ten se pak uvolňuje do cytoplasmy, odkud je transportován do synaptické štěrbiny serotoninovým transportérem, fungujícím reverzně oproti své normální přenosové funkci. Dlouhodobá expozice těmto látkám může způsobit depleci serotoninu z neuronů a s ní spojenou down-regulaci TPH a serotoninového transportéru. Mechanismus tohoto jevu nebyl zatím přesně popsán. Fenfluramin, který byl předepisvoán rpo snížení chuti k jídlu, byl z trhu v USA stažen, neboť
2
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 způsoboval poruchy srdečních chlopní a vzácně i primární plicní hypertenzi. Byl preskribován buď samostatně, nebo v kombinaci s fenterminem, což je sympatomimetikum. Vyloučení tryptofanu z potravy vede nejen k snížení jeho obsahu v krevní plasmě, ale i k více než 90% snížení hladiny serotoninu v mozku. Tato pozorování potvrdila jak přímá měření na mozcích primátů, tak různé nepřímé techniky na materiálu lidském. Podobné zákroky jako dietární absence tryptofanu byly využívány při studiu role serotoninu v depresi a při užívání psychotropních látek. Např. u pacientů zotavujících se z deprese vyvolá deplece tryptofanu z potravy návrat depresivních syndromů – ale jen v té skupině, která byla léčena selektivními inhibitory zpětného vychytávání serotoninu (SSRI), nikoliv jinými typy antidepresiv. Potravní deplece tryptofanu ovšem nevedla k nástupu depresivních syndromů u pacientů s obsesivně-kompulzivními poruchami, ani u zdravých jedinců. Zdá se tedy, že ztráta serotoninu per se nemůže způsobit depresi u jedinců, kteří již touto poruchou netrpěli. Podle některých studií se úroveň syntézy serotoninu zvýší po orálním podání L-tryptofanu, neboť TPH není za normálních podmínek saturována. Na celkovou hladinu serotoniu v mozku to má ovšem jen malý vliv. Na lidech byl studován i vliv intravenózního podávání tryptofanu. Dávky až 7 g vyvolaly mírný sedativní efekt a lehce zvýšily hladiny hormonů podvěsku mozkového (prolaktin), které serotonin reguluje. Tryptofan je sice přirozená látka, ale některé komerčně dostupné preparáty mohou být nebezpečné – kontaminované preparáty tryptofanu způsobily např. vážnou formu oesinofilního-myalgického syndromu. Podobně jako katecholaminy, i serotonin je odbouráván monoaminooxidasani. Paradoxně, serotoninergní neurony exprimují MAOB, která má afinitu k serotoninu nižší než MAOA. Protože serotoninergní neurony obsahují cytoplasmatickou zásobu serotoninu, má se za to, že primární úkol MAOB není degradovat serotonin, ale stopové aminy, které by mohly sloužit jako falešné neuropřenašeče. Extracelulárně je serotonin degradován pomocí MAOA jiného původu. Produktem oxidace serotoninu je kyselina 5-hydroxyindoloctová (5-HIAA, vpravo). Mnohé studie dávají do souvislosti hladinu 5-HIAA v likvoru, krevním séru a moči s hodnocením serotoninergních funkcí v rámci různých neuropsychiatrických poruch. Zdá se, že hladina 5-HIAA koreluje s projevy impulsivního násilí, zejména u jedinců, kteří se z různých důvodů pokusili o sebevraždu. Funkční anatomie Lidský mozek obsahuje několik set tisíc serotoninergních neuronů. Stejně jako v případě dopaminu jsou serotoninergní neurony lokalizovány jen do několika málo jader mozkového kmene. Jsou to dvě rostrální a dvě kaudální nuclei raphe, která leží ve středové ose mozkového kmene mezi středním mozkem a prodlouženou míchou (termín „raphe“ pochází z francouzského názvu pro šev, spojnici). Jádra uložená v prodloužené míše projikují do míchy hřbetní a ovlivňují míšní dráhy zapojené do přenosu bolestivých signálů, stejně jako aktivitu míšních interneuronů a motoneuronů. Jádra uložená ve středním mozku a Varolově mostě inervují téměř celý mozek. Společně s projekcemi z locus coeruleus tvoří část vzestupného retikulárního aktivačního systému. Zdá se, že neurony dosrálního raphe jsou citlivější než jiné serotoninergní neurony k působení MDMA (extáze). MDMA ((RS)-1-(benzo[d][1,3]dioxol-5-yl)-N-methylpropan-2amin) kolovala v univerzitních kampusech od 80. let jako klubová droga. Slouží jako substrát pro serotoninový receptor a vykazuje také vysokou afinitu pro 5-HT2 receptory. Zlepšuje náladu a alteruje percepci. Vedlejšími účinky jsou tachykardie, hypertermie, agitace a úzkostné ataky. V pokusceh na hlodavcích a non-humánních
3
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 primátech bylo prokázáno, že MDMA ničí serotoninergní neurony. Poté, co je transportována do neuronu, vyvolává oxidační stres podobně jako MPTP na neuronech dopaminergních. Pokud je její efekt u lidí podobný jako na těchto experimentálních objektech, vede užívání extáze k trvalému poškození serotoninergních neuronů. Následná ztráta euforigenních efektů vyvolaných MDMA může být u jejích konzumentů vyvolána počínající ztrátou serotoninergních neuronů. Skladování, uvolňování, zpětné vychytávání serotoninu Serotonin je přenášen do synaptických váčků pomocí sejného přenašeče monoaminů (VMAT) jako katecholaminy. Proto i plnění serotoninových váčků blokují a dlouhodobou synaptickou depleci serotoninu vyvolávají stejná farmka, např. reserpin nebo tetrabenazin. Serotonin je uvolňován standardně synapticky a v synaptické štěrbině jej může potkat jeden z následujích osudů: 1) difúze ze synaptické štrbiny, 2) katabolizace pomocí MAO, 3) aktivace presynaptických receptorů, 4) aktivace postsynaptických receptorů a 5) jeho zpětné vychytání presynaptickým serotoninovým transportérem. Poslední jmenovaná možnost je nejčastějším způsobem ukončení působení serotoninu v synaptické štěrbině. Serotoninový transportér Lidský serotoninový transportér (SERT) je kódován jedním genem. Jde o protein délky 630 aminokyselin, obsahující 2 glykosylační místa a 8 serin-threoninových míst fosforylačních. Jeho homologie s transportéry pro dopamin a noradrenalin je asi 48% a má i podobnou strukturu (12 TM segmentů, N- a C- koncové intracelulární smyčky). Exprese SERT mRNA je nejvýraznější v ncl. raphe, stopovatelná je také v dorzálním a mediánním jádře. V jiných jádrech mozkového kmene se nevyskytuje, ale SERT protein je detekovatelný v celém CNS díky rozsáhlým projekcím serotoninergních neuronů.Nejsilněji jsou vlákna imunoreaktivní na SERT lokalizována v neostriatu, amygdale, septu, substantia nigra a mozkové kůře. Jak v mozku, tak i v míše je SERT lokalizován na terminálách a axonálnách varikozitách, na nichž se zřejmě serotonin také uvolňuje. Látky inhibující SERT prodlužují serotoninergní signalizaci. S vysokou afinitou se na SERT váží mnohá SSRI antidepresiva. Mezi SSRI antidepresiva patří např. fluoxetin, sertalin, fluvoxamin, paroxetin nebo citalopram. Jsou používána k léčbě depresí a panických poruch. Ve vysokých dávkách slouží i k léčbě obsesivně-kompulzivních poruch. Používají se i terapii posttraumatikcého stresu či generalizované úzkostné poruchy. Afinitu k SERT vykazují i některá tricyklická antidepresiva, zejména clomipramin. Na transportér pro serotonin a noradrenalin se se stejnou afinitou váží tricklycké sloučeniny jako venlafaxin. Na transportér pro serotonin a dopamin se se zhruba stejnou afinitou váže kokain a inhibuje je. Amfetamin naopak transportér pro serotonin a dopamin stimuluje a potencuje výlev dopaminu i serotoninu. Účinek kokainu i amfetaminu je ale v případě dopaminergní transmise daleko výraznější než v případě serotoninu. Unikátní vlastostí SERT je vyskoý počet jeho forforylačních míst – oproti např. noradrenalinovému transportéru jich obsahuje 8, zatímco NET jen jedno. SERT je vysoce fosforylován proteinkinasami A a C; tato modulace jeho aktivity je rychlá a krátkodobá. Delší působení proteinkinasy C vedlo v pokusech k internalizaci SERT a snížení zpětného vychytávání serotoninu. Nástup účinku inhibitorů SERT je dlouhodobý (v řádech týdnů). Jejich působení nejspíše zahrnuje změnu v expresi neuronálních genů, která následně ovlivní fuknci patřičkých neuronálních okruhů a vede ke zlepšení nálady a vymizení nekterých příznaků deprese.
4
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 Promotor lidského SERT genu obsahuje regulační sekvence pro AP-1, AP-2, SP-1 a CRE. Může být tedy regulován několika systémy druhých poslů. Expresi SERT mRNA zřejmě modulují i antidepresiva. Je známo, že pacienti s depresi vykazují vyšší výskyt SERT ve středním mozku. Serotoninové receptory Rodina serotoninových (5-HT) receptorů je poměrně široká. Bylo identifikováno nejméně 14 receptorových subtypů, každý z nich se specifickou strukturou, farmakologií a distribučním vzorcem. Podobně jako v případě katecholaminů je i nomenklatura 5-HT receptorů hybridem mezi původní nomenklaturou farmakologickou a novější nomenklaturou „klonovací“ – které se bohužel zhusta nekryjí. Třináct z 5-HT receptorů náleží do rodiny receptorů spřažených s G-proteiny, jeden (5-HT3) je ligandem ovládaný napěťový kanál neselektivní pro ionty sodíku a draslíku. Jeho aktivace vede k rychlým a přechodným depolarizacím. Strukturně je zřejmě podobně jako jiné iontové kanály pentamer, nicméně oproti jiným receptorům s funkcí iontového kanálu byla u 5-HT3 receptoru nakolonována jen jedna isoforma podjednotky. Formuje spolehlivě kanály i v in vitro podmínkách, takže se zdá, že pro funkci 5-HT3 receptoru nejsou žádné další podjednotky nutné. Stručný přehled 5-HT receptorů podává následujíc tabulka. Receptor 5-HT1A, B, D, E, F
Typ inhibiční; ↓ cAMP
Mechanismus Gi/o
5-HT2A, B, C
excitační; ↑IP3 a DAG
5-HT3
excitační, ligandem depolarizuje ovládaný Na+ a K+ kanál membránu
5-HT4
excitační; ↑ cAMP
5-HT5
inhibiční; ↓ cAMP
Gi/o
5-HT6
excitační; ↑ cAMP
Gs
5-HT7
excitační; ↑ cAMP
Gs
Gq/11
Gs
Lokalizace
Agonisté
cévy, CNS
yohimbin clozapin ergotamin
Antagonisté alprenolol propranolol spiperon
cévy, CNS, GIT, trombocyty, pNS, hladká svlaoviny
ergonovin mescalin yohimbin NMDA TFMPP
ketanserin etoperidon yohimbin pizotifen trazodon
CNS, GIT, PNS
BZP quipazin RS-56812
antiememtika metoclopramid mianserin
CNS, GIT, PNS
cisaprid dazopride mosaprid
Piboserod L-lysin
CNS
5-CT kys. valeronová ergotamin
asenapin dimebolin methiothepin ritanserin
CNS
EMD-386 EMD-088 EMDT
aripiprazol asenapin klozapine
cévy, CNS, GIT
5-CT 8-OH-DPAT AS-19
aripiprazol asenapin klozapine
5
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5
Serotoninergní signalizace se účastní také autorecptory. Např. 5-HT1A bývá označován jako somatodendritický autoreceptor, neboť se vyskytuje na tělech a dendtritech serotoninergních neuronů. Aktivace 5-HT1A receptoru vede k poklesu aktivity neuronu a snížení syntézy serotoninu. Aktivace presynaptického 5-HT1D autoreceptoru (a 5-HT1B autoreceptoru u hlodavců) také lokálně snižuje syntézu a výlev neuropřenašeče. 5-HT1D a 5HT1D autoreceptory jsou vysoce strukturně podobné a oba jsou spřaženy s Gi proteinem. Jejich inhibiční působení se děje nejspíše cestou aktivace dovnitř usměrňujících draslíkových kanálů a inhibice napěťově ovládaných kanálů vápníkových. Farmakologie serotoninového receptoru Serotoninové receptory se vyznačují pro své jednotlivé subtypy specifickými ligandy. Díky tomu existuje množství látek s definovanou klinickou aplikací. V terapii generalizované úzkostné poruchy (GAD) jsou používání parciální agonisté 5-HT1A receptoru buspiron a gepiron. Méně účinné než tato dvě farmaka jsou benzodiazepiny, které ale nezpůsobují závislot, takže jsou rovněž v terapii GAD používány. Sumatriptan, agonista 5-HT1A receptoru, který částečně působí i na 5-HT1D receptor, je od roku 1993 užíván jako vysoce efektivní látka v léčbě migrény. Farmaceutické společnosti vyvinuly i druhou generaci těchto triptanových farmak. Parciálními agonisty 5-HT2A receptorů jsou všechny známé halucinogeny. A naopak, mnohá antipsychotika slouží jako potentní antagonisté 5-HT2A receptorů (clozapin, risperidon, olanzapin) a zároveň slouží jako anatagonisté D2 dopaminergních receptorů. Vysoce selektivní antagonisté 5-HT2A receptorů, jako např. MDL 100907, jsou v současnosti posuzování z hlediska léčby schizofrenie. Antagonisté 5-HT3 receptorů slouží jako antiemetika a jsou užíváni k minimalizaci nausey a zvracení vyvolaného chemoterapií (ondansetron, granisetron). Na zvířecích modelech byly prokázány také jejich anxiolytické a paměť posilující účinky. Agonista 5-HT4 receptoru metoclopramid (který mj. také antagonizuje D2 dopaminergní receptory), je rovněž používán k potlačování nausey a zvracení. I mezi agonisty 5-HT5 receptorů jsou silná antiemetika. Antagonisté 5-HT6 a 5-HT7 receptorů, jako např. aripiprazol jsou využíváni jako atypická antipsychotika a antidepresiva v léčbě schizofrenií, bipolárních poruch a deprese, od roku 2008 se v USA používají i v terapii autismu. Klonování serotoninových receptorů přineslo některá překvapení. Sloučeniny, o kterých se vědělo, že účinkují na jiných receptorových cílech, se ukázaly i jako ligandy 5-HT receptorů. Tricyklická antidepresiva jako amitriptylin, která blokují též noradrenalinové receptory, antagonizují 5-HT6 a 5-HT7 receptory. Stejně tak SSRI fluoxetin antagonizuje i 5HT2C receptory. Tato pozorování jsou přínosná pro rozvoj nových antidepresiv, nicméně nám přesný popis jejich účinku poněkud ztěžují. ACETYLCHOLIN Acetylcholin (ACh) byl díky pracím Dalea, Loewiho, Feldberga a dalších v první třetině minulého století prvním objeveným neuropřenašečem. Nejdříve byl nazván „vagusstoff“ diky svému působení v rámci parasympatiku, nicméně poměrně záhy byl popsán i jako neuropřenašeč nervosvalového spojení a CNS. Syntetické a degradativní dráhy
6
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 Acetylcholin je syntetizován reverzibilní reakcí, při níž acetyltransferasa (ChAT) přenáší acetylovou skupinu z acetylkoenzymu A na cholin (vpravo) za vzniku acetylcholinu. Rychlost reakce je limitována dostupností cholinu. Cholin je transportován do terminál buď volný, nebo vázaný na membránové fosfolipidy. Většina ACh (vlevo) je syntetizována v nervových zakončeních, která jsou bohatá na mitochondrie a cholin. Mitochondrie jsou pro syntézu ACh kruciální, neboť v nich vzniká acetylkoenzym A. Synaptické působení ACh je ukončeno enzymem acetylcholintransferasou (AChE), která hydrolyzuje ACh na acetát a cholin. AChE je nesmírně výkonný enzym schopný hydrolyzovat 1000 molekul ACh za vteřinu na jednu molekulu enzymu. Nachází se v cytoplasmě a vnější cytoplasmatické membráně, takže je schopna hydrolyzovat ACh extra- i intracelulárně. Anticholinesterasy, které inhibují AChE, způsobují extracelulární akumulaci acetylcholinu – tedy efekt shodný s nadměrnou stimulaci acetylcholinergních zakončení NS. Reverzibilní inhibitory, jako např. fysostigmin či neostigmin, jsou schopny inhibovat AChE po dobu cca 4 hodin a jsou klinicky užívány v léčbě glaukomu, myastenie gravis, dysfunkce hladké svaloviny močového měchýře a střev aj. Neostigmin nemůže procházet hematoencefalickou bariérou, protože je to nabitá kvartérní amoniová sůl. V CNS jsou využívány anticholinesterasy jako tacrin nebo donepezil, které zvyšují hladinu ACh u pacientů s Alzheimerovou chorobou. Anticholinesterasy jsou nicméně jen mírně terapeuticky účinné v potlačování příznaků této nemoci. Irreverzibilní anticholinesterasy fosforylují AChE a kompletně blokují odbourávání acetylcholinu. Pro obnovení funkce synapse je nutná syntéza nových enzymových molekul. Tyto látky jsou užívány jako insekticidy, které jsou při požití pro člověka vysoce toxické. Představovaly také hlavní třídu nervových plynů. Vědecké úsilí zaměřené na bojové látky přineslo své plody v podobě mnoha mimořádně letálních sloučenin, jako jsou sarin, tabun či soman. Každá z těchto látek může způsobit úmrtí do 5 minut od expozice. Primární příčinou smrti je respirační selhání, kterému předchází celá řada autonomních příznaků a kognitivních poruch. Léčba se může provádět současnou kombinací antagonistů acetylcholinových receptorů nikotinického (pralidoxim) i muskarinového typu (atropin). Funkční anatomie Cholinergní neurony se nacházejí v jádrech roztroušených v celém mozku a jejich axony inervují většinu oblastí CNS. Jde o interneurony a dlouhé projikující neurony - což není úplně typické, např. monoaminy jsou v interneuronech syntetizovány jen velmi zřídka (s výjimkou dopaminu v sítnici). Hlavní cholinergní vstupy do kortexu a hippokampu jsou z 8 jader na spodině předního mozku, zejména z jader septa a ncl. basalis. Pro cholinergní neurony těchto jader jsou typické rozvětvené difúzní projekce inervující kůru mozkovou, hippokampus, amygdalu, thalamus a mozkový kmen. Léze ncl. basalis snižuje hladinu acetylcholintransferasy v mozkové kůře o víc než 50%. Velké cholinergní neurony inervující oblast striata jsou důležitými prvky obvodů, na kterých je založena exptrapyramidová kontrola motoriky a některé formy implicitní paměti. U parkonsonických pacientů vede ztráta dopaminergní inervace striata k prohloubení motorických obtíží. Látky, které slouží jako antagonisté muskarinových acetylcholinovcýh receptorů (hexefenidyl, benzotropin) tyto příznaky zmírňují. Cholinergní systém v CNS se obecně účastní procesů učení, kognice a vzniku paměťových stop. Látky blokující muskarinové ACh receptory, jako jsou atropin nebo
7
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 skopolamin), nabourávají proces získávání a vykonávání naučeného chování, stejně jako léze ncl. basalis. Naopak farmaka blokující acetylcholinesterasu (enzym degradující ACh), jakou např. fysostygmin, zlepšují výkon v paměťových a učebních úlohách a mohou částečně zmírnit následky lézí některých oblastí předního mozku. Tvorba paměťových stop ovšem není zprostředkována pouze cholinergními dráhami. Ty jsou především modulačními vstupními cestami ke kortikálním a hippokampálním neuronům. Účinky ACh, obzvláště na kortikální úrovni, jsou velmi komplexní a specifické pro danou oblast mozku. Cholinergní systém také silně interaguje s dalšími neuromodulačními systémy. Je známo, že ACh může na pyramidové buňky kůry mozkové působit buď excitačně, nebo inhibičně. Excitace je navozena působením ACh na M1 receptory na vlastních pyramidových buňkách, inhibici způsobí navázání ACh na M2 receptory GABAergních interneuronů. Skladování a výlev Acetylcholin je koncentrován ve váčcích v presynaptickém zakončení. Transport inhibuje např. vesamicol. K výlevu dochází klasicky po depolarizaci a vtoku vápníku do nervového zakončení. Výlev ACh může inhibovat několik selektivních toxinů, např. botulotoxin A nebo tetanotoxin. Tyto toxiny jsou zinkové endoproteasy, které štěpí SNARE proteiny (viz přednáška 2). α-latratoxin černé vdovy naopak navozuje masivní výlev ACh s následnou nadměrnou postsynaptickou stimulací. Receptory pro tyto toxiny jsou např. neurexin, nebo nově popsaný receptor spřažený s G-proteinem. Oproti monoaminům není ACh zpětně vychytáván ani do glií, ani do nervového zakončení, a není proto recyklován. AChE acetylcholin rychle metabolizuje, takže nemůže dojít ani k jeho dufúzi ze synaptické štěrbiny. Do terminály zpět je s vysokou afinitou přenášen jen cholin, kde je využit pro syntézu nového neuropřenašeče. Transport cholinu je primárním regulačním mechanismem ovlivňujícím koncentraci acetylcholinu v synapsi. Inhibitory cholinového transportu (hemicholinium, vesamicol) mohou z těchto důvodů sloužit k dosažení vyčerpání zásob ACh v terminále. Cholinový transportér leží u člověka na genu SLC5A7. Acetylcholinové receptory Acetylcholin působí na dvou typech receptorů, pojmenovaných podle přirozených látek, které je selektivně aktivují. Jedním typem jsou muskarinové acetylcholinové receptory (mAChRs), které patří mezi receptory spřažené sG-proteiny. Druhým typem jsou receptory nikotinické (nAChRs), které patří do superrodiny ligandem ovládaným iontových kanálů spolu s 5-HT3 glutamátovými, glycinovými a GABA receptory. Látky působící na acetylcholinové receptory jsou důležitými regulátory funkce parasympatiku. Muskarinové acetylcholinové receptory Muskarinové receptory mají jméno odvozené od své schopnosti vázat muskarin, látku obsaženou v muchomůrce Amanita mascaria. Nacházejí se v periferních tkáních, autonomním nervstvu i CNS. Bylo naklonováno 5 subtypů mAChRs označovaných jako M1-M5. Každý z nich vykazuje typickou strukturu o 7 transmembránových segmentech. Všech pět subtypů je exprimováno v mozku a mohou být odlišeny podle toho, s jakými G proteiny jsou spřaženy. Odpovědi vyvolané aktivací konkrétního subtypu se liší podle dalšího systému druhých poslů, iontových kanálů a efektorů. M1, M3 a M5 receptory obvykle působí stimulačně nebo inhibičně na fosfatidylinositolový systém. M2 a M4 receptory vyvolávají zejména inhibiční
8
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 odpovědi, a to buď aktivací dovnitř usměrňujících draslíkových kanálů, inhibicí kanálů vápníkových nebo inhibicí adenylylcyklasy. M1, M3 a M5 jsou primárně lokalizovány v mozkové kůře a hipokampu, kde modulují procesy učení a tvorby paměťové stopy. Ve striatu se vyskytují M1 a M4 receptory a účastní se zřejmě cholinergní signalizace v rámci exptrapyramidálních motorických drah. M1 receptory jsou koncentrovány na bázi předního mozku, kde účinkují jako autoreceptory inhibující syntézu a výlev ACh z tamních cholinergních neuronů. M5 receptor je z muskarinových receptorů nejméně častý a ve velmi malých množstvích se vyskytuje v celém mozku. Základní charakteristiky typů mAChRs jsou shrnuty v tabulce. Type
Gene
M1
CHRM1
M2
M3
M4
M5
Function EPSP in autonomic ganglia
PTX
CTX
Effectors Gq (Gi) (Gs): Slow EPSP. + dec K conductance
Agonists acetylcholine oxotremorine muscarine carbachol McNA343
no (yes)
no (yes)
Gi + inc K conductance 2+ dec Ca conductance
acetylcholine methacholine carbachol oxotremorine muscarine
ipratropium methoctramine tripitamine gallamine
no
Gq
acetylcholine bethanechol carbachol oxotremorine pilocarpine (in eye)
atropine dicycloverine tolterodine oxybutynin ipratropium darifenacin tiotropium
acetylcholine carbachol oxotremorine
ipratropium mamba toxin MT3
acetylcholine carbachol oxotremorine
oxybutynin ipratropium
CHRM2
slow heart rate reduce contractile forces of atrium reduce conduction velocity of AV node In CNS homotropic inhibition
CHRM3
smooth muscle contraction Inc Cai in endothelium Eye accommodat, vasodilation,emesis
CHRM4
Enhanced locomotion In CNS
yes
?
Gi + inc K conductance 2+ dec Ca conductance
In CNS
no
?
Gq
CHRM5
yes
no
no
Antagonists ipratropium mamba toxin MT7 pirenzepine telenzepine
Farmakologie muskarinových receptorů Farmakologie mAChRs je poměrně rozsáhlá, nicméně subtypově selektivní ligandů není mnoho a žádný z nich není využíván v široké klinické praxi. Obecní muskarinoví agonisté zahrnují přírodní látky (muskarin, pilocarpin nebo arekolin) i syntetické sloučeniny (karbachol, oxotremorin). Všichni tito nespecifičtí centrálně účinkující agonisté navozují silné slinění a pocení, spojené s korovou excitací. Bývají klinicky využíváni v léčbě glaukomu nebo retence moči. Jsou také účinní při zmírňování Sjögrenova syndromu, což je choroba charakteristická autoimunitní degenerací slinných žláz. Prototypické obecné muskarinové antagonisty představují atropin a skopolamin. Atropin je derivát z rulíku zlomocného (z beladony) a byl využíván kosmeticky jako dilatační agens zornic. Je ožíván v oftalmologické praxi. Příbuzní antagonisté jako benztropin jsou užívání jako podpůrná léčba parkinsonismu a parkinsonických příznaků navozených antipsychotiky. Skopolamin, pokud je podáván v malých dávkcách (obvykle náplastěmi transdermálně), je účinný v prevenci kinetóz. Muskarinové receptory také antagonizuje mnoho psychotropních látek (tricyklická antidepresiva, antipsychotika jako chlorpromazin); jejich vazba na mAChRs se projevuje obvykle nepříjemnými vedlejšími účinky léčby (zácpa, sucho v ústech).
9
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5
Nikotinické acetylcholinové receptory Nikotinické acetylcholinové receptory (nAChRs) se nacházejí na nervosvalovém spojení, v autonomních gangliích, dření nadledvin i CNS. Byly původně charakterizovány díky své schopnosti vázat nikotin. Jsou to ligandem ovládané napěťové kanály a jejich aktivace vede ke vtoku sodíku a vápníku do buňky, což způsobí depolarizaci. Jejich typickou vlastností je velmi rychlá desensitizace, která nezávisí na dalších proteinech (jako je např. arrestin u metabotropních receptorů), nýbrž je vnitřní vlastností receptoru. Tato vlastnost je typická i pro jiné ionotropní receptory. V případě nAChRs může být rychlost desensitizace regulována fosforylací receptorových podjednotek pomocí proteinkinas A a C. K desensitizace vede i déledobá expozice ligandu. nAChRs exprimované v mozku a na nervosvalovém spojení se liší podjednotkovým složením, nicméně všechny jsou pentamery formující vnitřní vodou naplněný pór, umožňující průchod iontů. Podjednotek bylo popsáno 17, což při pentamerické struktuře receptoru představuje 208 náhodných kombinací. Každá z podjednotek je tvořena 4 segmenty (M1-4). Vlastní pór kanálu tvoří transmembránový segment M2. Podjednotková složení jednotlichých tkáňových typů nAChRs maáte uvedena v tabulce. Svalové nikotinické acetylcholinové receptory jsou složeny z 5 podejdnotek. Obvyklá podjednotková kombinace dospělého svalového nAChRs je α1, β1, δ, a ε podjednotka v poměru 2:1:1:1. Embryonální svalový nAChR vykazuje složení je α1, β1, δ, a γ podjednotka, také v poměru 2:1:1:1. Místem vazby ligandu (ACh) jsou α podjednotky, z nichž každá váže kooperativně jednu molekulu. S nikotinickými AChRs se pojí vzácná dědičná porucha myasthenia gravis, Název je složen řekého ύς (sval), ασθένεια slabost) a latinského gravis (vážný, těžký), což odráží i projevy této autoimunitní choroby popsané už roku 1977. Je spojena se svalovou slabostí, únavou, zejména v oblasti svalů mimickch, šíjových a pletencových. 85% pacinetů má detekovatelné protilátky proti nAChRs. Cca 65 % nemocných má patologické změny thymu, kdy autoreaktivní B buňky produkují autoprotilátky proti nikotinovým acetylchlonovým receptorům. U cca 7 % nemocných jsou detekovatelné protilátky proti tyrosinkinase (Ab anti MuSK), u cca 10 -15% pacientů je přítomen thymom a tvoří se protilátky proti titinu, ryanodinovému receptoru aj. Na úrovni nervosvalového spojení dochází ke zvýšení turnoveru ACh receptorů a k jejich větší degradaci. Tím klesá cholinergní přenos a dochází ke zmíněným svalovým projevům. Standardní léčba spočívá v podávání inhibitorů AChE, čímž se zvyšuje dostupnost ACH v synaptické štěrbině a šance, že zaktivují zbývající receptory. Někdy jsou podáváni i glukokortikoidy nebo imunosupresiva, v případě maysthenické krizi se přistupuje k plasmaferéze. I neuronální nAChRs jsou pentamery s centrálním pórem. Většina z nich je také heteropentamerních, ale obsahují pouze podjednotky α a β. V neuronoání tkáni bylo popsáno 8 α podjednotek a 3 β podjednotky. Typická stechiometrie je 2α : 3β. Existují ovšem i homopentamery z podjednotek α7, které formují funkční kanály. Vzhledem k velkému množství podjednotkových kombinací je velmi obtížné určit podjednotkové složení přirozeně
10
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 se vyskytujících receptorových subtypů. Nejčastěji pozorované kombinace jsou uvedeny v tabulce. Receptor type Muscle type: (α1)2β1δε or (α1)2β1δγ
Ganglion type: (α3)2(β4)3
Location
Effect
EPSP, mainly by Neuromuscular + increased Na and junction + K permeability
Autonomic ganglia
CNS type: (α4)2(β2)3
Brain
(another) CNS type: (α7)5
Brain
EPSP, mainly by + increased Na and + K permeability
Post and presynaptic excitation, mainly by + increased Na and + K permeability Post and presynaptic excitation, mainly by 2+ increased Ca permeability
Nicotinic agonists acetylcholine carbachol suxamethonium acetylcholine carbachol nicotine epibatidine dimethylphenylpiperazinium varenicline
Antagonists α-bungarotoxin α-conotoxin tubocurarine pancuronium α-bungarotoxin mecamylamine trimetaphan hexamethonium bupropion dextromethorphan ibogaine 18-methoxycoronaridine
nicotine epibatidine acetylcholine cytisine
mecamylamine methylcaconitine α-conotoxin
epibatidine dimethylphenylpiperazinium
mecamylamine α-bungarotoxin
Farmakologie nikotinických acetylcholinových receptorů Ligandů, které se váží na nAChRs, není mnoho. Svalové a v menší míře i neuronální nAChRs blokuje kurare. Jako slabý parciální agonista funguje sukcinycholin. navozuje prodlouženou desensitizaci nAChRs a klinicky je používán během anestezie. V gangliích parasympatiku i sympatetických větvích automního nervstva blokují nAChRs hexamethonium a mecamylamin. Jen velmi málo antagonistů je selektivních pro nějaký subtyp nAChRs. Asi nejselektivnějším dostupným antagonistou je methyllykakonitin, který preferenčně antagonizuje α7 homopentamery. Mezi selektivní agonisty patří např. epibatidin, který je ale užíván pouze experimentálně (jako antinocicepční agens). Na nAChRs se nachází i několik jiných vazebných míst, než jsou ta pro ACh a bungarotoxin. Na aktivační místo receptoru se váže i fysostigmin, inhibitor acetylcholinesterasy, který na AChR zvyšuje tok iontů receptorovým kanálem. S AChR interaguje i celá řada dalších látek, jako např. fenylcyklidin, chlorpromazin nebo některá anestetika. Někteří z nich fungují jako nekompetitivní blokátory, které zkracují dobu otevření kanálu nebo urychlují jeho desensitizaci. nAChRs inhibují i některé steroidy, vazbou na zatím neznámé místo. jak už jméno napovídá, nikotinické AChRs váží nikotin, vysoce návykovou látku. Problematika závislostí nás čeká v jiné přednášce, nyní se zaměříme na prospěšnější stránky působení nikotinu. Ne zcela objasněnými mechanismy nikotin zvyšuje bdělost, zlepšuje paměť a schopnosti učení se. Má také určitý antinocicepční efekt, takže agonisté nAChRs by se snad mohli uplatnit v terapii bolesti. HISTAMIN Histamin je velmi hojný mimo nervový systém a hraje zásadní roli např. v sekreci žaludečních šťáv nebo imunitních odpovědích na alergeny. Nezanedbatelná
11
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 je i jeho úloha v CNS. Je synapticky uvolňován v rámci celého CNS a účinkuj přinejmenším na třech receptorových subtypech. Syntetické a degradativní dráhy Histamin vzniká v jednokrokové reakci zahrnující dekarboxylaci histidinu enzymem histidindekarboxylasou, proteinem o délce 662 aminokyselin. Její inhibitor α-fluoromethylhistidin je testován na zvířecích modelech. Histamin může vznikat i pomocí dekarboxylasy aromatických aminokyselin (AADC), kterou znáte již odminula. Katabolizován je na methylhistidin pomocí enzymu histamin methyltransferasy. Diaminové oxidasy jej eventuálně mohou konvertovat v imidazolacetaldehyd. Histamin se vylévá standardním způsobem a po výlevu může být vychytáván zpět do terminály, nebo může ze synaptické štěrbiny difundovat pryč a je enzymatický degradován mimo ni. Funkční anatomie Těla histaminergních neuronů jsou uložena v ncl. tuberomamillaris hypothalamu a jejich axony s bohatými kolaterálami inervují podobně jako u ostatních biogenních aminů téměř všechny části CNS. Jejich synapse jsou difúzní a jen příležitostně vytvářejí klasické pre- a postsynaptické uspořádání. Každé jádro obsahuje u člověka asi 64 000 histaminergních neuronů. Histaminergní neurony inervují také gliové buňky a malé cévy a kapiláry. Zdá se, že regulují obecné aktivity mozku jakou je úroveň stavu bdělosti či energetický metabolismus. Byl prokázán vztah mezi aktivitou histaminergních neuronů a úrovní bděosti. Ty jsou nejaktivnější během vigility, zatímco během spánku pomalých vln jejich aktivita úplně vymizí. Histamin ovlivňuje různé periferní tkáně a účastní se mnoha fyziologických procesů, jakými jsou např. alergické reakce, odpověď tkáně na poranění nebo žaludeční sekrece. Přes své receptory spřažené s G-proteiny slouží histamin jako neuropřenašeč i v mozku. Cestou H1 receptorů histamin depolarizuje cholinergní neurony ncl. basalis snížením propustnosti jejich membrány pro draslík a aktivací na tetrodotoxin necitlivých sodíkových kanálů. V buňkách ganglion nodosum blokuje přes H1 receptory histamin draslíkové kanály generující následnou hyperpolarizci po akčním potenciálu, což také vede ke zvýšení jejich excitability. Je zapojeni do regulace uvolňování hormonů podvěsku mozkového, percepce bolesti, kontroly příjmu potravu nebo prevence závratí. Antihistaminika užívaná k léčbě alergií nemají sedační efekt, neboť neprocházejí hematoencefalickou bariérou. Centrálně účinkující antihistaminika ovšem ano a jsou součástí mnoha volně prodejných léků na spaní. Stejně tak některá antidepresiva (mianserin, doxepin) nebo antipsychotika (klozapin) způsobují sedaci částečně i proto, že jsou silnými antagonisty H1 receptorů. Receptory pro histamin Byly identifikovány 4 třídy receptorů pro histamin. Všechno jsou to proteiny spřažené s G-proteiny. H1 receptor je aktivován endogenním histaminem uvolněným z ncl. tuberomamillaris. Tyto neurony „pálí“ s frekvencí asi 2 Hz za bdělosti, ve spánku jejich aktivita klesá ke 0.5 Hz. Ze všech neuronů vykazují nejvíce závislý cyklus „spánek-bdění“ aktivity. V kortexu vede
12
[email protected]
Neurochemie (MB150P35), přednáška 5 aktivace H1 receptorů k inhibici draslíkových kanálů, což má za následek depolarizaci membrány. Antagonisté H1 receptorů bývají užíváni v léčbě standardních a chladových alergií. Látky jako difenhydramin, meclizin a dimenhydrinát bývají označovány jako první generace H1 antagonistů a procházejí skrze hematoencefalickou bariéru (BBB). Druhá generace těchto antihistamink, zahrnující např. loratadin nebo terfenandin, jsou z mozku vylučována a předepisována jako nesedující medikace v léčbě alergií. H2 receptor je silným stimulantem produkce cAMP. Uvolňuje vápník z vnitrobuněčných rezervoárů. Typickým příkladem agonisty H2 receptoru je betazol. H2 receptor patří mezi ty proteiny spřažené s G-proteiny, které jsou podobny rhodopsinu. Stimuluje sekreci žaludečních šťáv, reguluje motilitu GIT a střevní sekreci. Zřejmě je zapojen i do regulace buněčného růstu a diferenciace. Většina ligandů H2 receptorů neprochází BBB. Mezi ligandy H2 receptorů patří cimetidin nebo ranitidin. U malého počtu pacientů mohou způsobovat stavy zmatenosti. H3 receptor působí v CNS jako presynaptický receptor, který inhibuje výlev a syntézu histaminu. Může ovšem účinkovat i jako heteroreceptor kontrolující výlev dalšcíh neuropřenašečů. Gen pro H3 receptor vykazují jen asi 20% homologii s geny pro H1 a H2 receptory. Existuje asi 6 jeho isoforem. Mezi jeho typické agonisty patří (R)-αmethylhistamin navozující spánek nebo látky jako cipralisant, immepip, Imetit, Immethridine či Methimepip. H4 receptor je exprimován hlavně v kostní dřeni a bílé linii krvinek.. Stimuluje uvolňování neutrofilů z kostní dřeně. Je exprimován i v řadě jiných tkání (střevo, thymus, trachea, játra, plíce aj.). Aktivuje chemotaci mastocytů, zřejmě cestou poklesu hladiny cAMP. Jeho antagonisté mají protizánětlivé a anatihyperanalgestické účinky. Stručný přehled receptorů pro histamin je v tabulce. Receptor Mechanismus H1
Gq
H2
Gs ↑Ca2+
Funkce kontrakce ilea systémová vasodilatace bronchokonstrikce ↑ hydrolýzy PIP2 zrychluje sinusový rytmus stimuluje sekreci žaluečních šťáv relaxace hl. svaloviny inhibice produkce protilátek a cytokinů
H3
Gi
přenašeč CNS presynaptický autoreceptor
H4
Gi
zprostředkuje chemotaxi mastocytů
13
Antagonisté difenhydramin loratidin cetirizin ranitidin cimetidin ABT-239 Ciproxifan clobenpropit thioperamid thioperamid JNJ 7777120
[email protected]
