Biochemie kůže

1. Biochemie kůže Doc. Jana Novotná Ústav lék. chemie a biochemie 2. LF UK

2. Kůže • Bariéra proti různým druhům poškození (UV radiace, mechanické, chemické a biologické poškození); • periferní systém „vnímání“; • systém udržující homeostázi těla. • 2 m2plochy • ~ 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

3. Kožní vrstvy • Primárně dvě vrstvy: • pokožka (epidermis) , izolace proti vysychání, bariéra proti infekci; • Škára (dermis)jeodpovědná za pevnost. Hlavní funkce – regulace teplotya zásobování epidermis živinami. Velký obsah vody.

4. Epidermis • Vnější rohovějící vrstevnatý dlaždicový epitel (bez vaskularizace (75 – 150 mm), • Stratum corneum – rohová vrstva (tloušťka 0,01 až 0,04 mm),15 – 30 vrstev bezjaderných a plně keratinizovaných buněk (buňky rohové vrstvy), vlastní kožní bariéra; • Stratum lucidum – tenká průsvitná vrstva extrémě oploštělých buněk, začínají degenerovat, mizí některé buněčné organely; • Stratum granulosum – 3 – 5 vrstev nedělících se keratinocytů, s množstvím váčků obsahujících například lipidy (keratino-hyalin); • Stratum spinosum – 8 – 10 vrstev keratinocytů, obsahuje Langerhansovy buňky • Stratum basale – jediná vrstva buněk s intenzivní mitotickou aktivitou, obsahuje melanocy, Merkelovybuňky (receptorové buňky)

5. Keratin • keratin - intermediární filamenta (KIF) - proteinytvořící 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 • keratiny II typu – větší, bazické • heterodimery typu I s typem II

6. Struktura keratinu • ~ 20 genetickyodlišných keratinův lidské kůži • pravotočivý a-helix • dlouhé úsekya-helixu přerušené krátkými lineárními úseky • nejvíce zastoupené aminokyseliny glycin a alanin, 24% cysteinu Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry

7. 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) • S. basale – K13 (typ I) & K4 (typ II) • 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

8. Epidermální propustná bariéra • Bariéra vzniká během terminálního stádia keratinocytů – vysoký stupeň zesíťování proteinů a lipidů - „biologické lepidlo“ • Post-translační modifikace proteinů – vznik kovalentních vazeb mezivolnými NH3skupinami(např. lysinu) a g-karboxamidovou skupinou glutaminu (transglutaminasa) • Proteinypak vysoce rezistentnívůči mechanickému poškozenía proteolýze. • Kvalita bariéry S. corneum závisí na ekvimolární koncentraci ceramidů, cholesterolu a mastných kyselin. • Změnyv jejich koncentraci vedou ke změnám této bariéry. • Ceramidy – 50% všech lipidů v S. corneum, dále cholesterol, a volné mastné kyseliny.

9. Epidermální propustná bariéra • pH kůže mírně kyselé – nutné pro udržení homeostáze epidermální propustné bariéry • optimální pro enzymy extracelulární matrix • nízké pH díky - kyselině mléčné přítomné v potu, volným mastným kyselinám • „hodní“ mikrobi potřebují nižší pH • „nepřátelští“ mikrobi (stafylokok) potřebují neutrální/vyšší pH. • Mastné kyseliny – endogenní (produkty buněk epidermis) a exogenní (z potravy) • V kůži je aktivní metabolismus polynenasycených mastných kyselin (PUFA) – 20ti uhlíkaté PUFA – linoleová, arachidonová → cyklooxygenasa, a lipoxygenasa → prostaglandiny, prostacykliny (při alergických reakcích).

10. Epidermálníbuňky a diferenciace • Keratinocyty S.basale→ přeměna na buňkyrohové vrstvy ~ 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 insulty také vedou k apoptóze keratinocytů.

11. Epidermálníbuňky a diferenciace • Hlavním markerem prodiferenciaci keratinocytů je exprese jednotlivých párů keratinů • proliferující basální keratinocyty – expreseK5 a K14 • keratinocy ve fázi ranné diferenciacepřepnou na K1 a K10. • „Pluripotentní“kmenová buňka,keratinocyty,mazové žlázya epidermis pochází z vlasového folikulu. • Stěžejní úloha Ca2+v epidermální diferenciaci - 4-násobné zvýšeníextracelulárního Ca2+v S. corneum. • Diferenciaci keratinocytů regulují hormony a vitaminy - D3 a retinol z potravy, thyroidní hormony a steroidní hormony. • Buňky kůže mají nukleární receptorypro glukokortikoidy, estrogen, androgeny a progesteron.

12. Epidermálníbuňky a diferenciace • receptorypro Ca2+-dependentní integriny – vazbapřes fibronektin na extracelulární matrix. • Laminin a kolagen IV a VII (basální membrány) – regulace migrace keratinocytůpo bazální membráně (důležité během hojení). • Migrující keratinocytyprodukují matrixové metalopropteinasy. • zrající keratinocyty (v S. graulosum) obsahujíkeratohyalin a lamelárnígranula bohatá na lipidy. • Lipidyz lamelárních granul tvořílipidové vrstvypatřící dolipidovépropustné bariery epidermis.

13. Melanocyty • Melanocyty- melanin produkující buňky (S. basale) • Prekursor - melanoblast • Melanin je uchováván vmelanosomech. • 1 melanocyt je v kontaktu se ~ 40 keratinocyty • Melanocytysvými rameny transportují melanin melanosomydocytoplasmy keratinocytů

14. Cover picture:The Rab27a GTPase associates with melanosomes and regulates their transport to, and retention in, the peripheral cytoplasm in skin melanocytes. Melanosome transport also requires the microtubule and actin cytoskeleton. Staining of a cultured murine melanocyte for filamentous actin (red) and microtubules (blue) reveals a close relationship between Rab27a-labelled melanosomes (green) and these cytoskeletal elements. Melanocyty Hume et al. JCB 2001;152 (4): 795

15. Tvorba melaninu • Stadium I - melanosomy – eliptické, membránou obklopené organely bez aktivity tyrosinasy (TYR) • Tyrosinasa – nejprve projde post-translačními reakcemi – glykosylace- v Golgi. • Tyrosinasa do melanosom ve stadiu II - premelanosom → melanosom • Melanosom migruje do výběžku melanocytu (stadium III) – více melaninu → váček zcela vyplněn melaninem (stadium IV → přenesení do keratinocytů).

16. Tvorba melaninu • Tři enzymy jsou pro syntézu melaninu nezbytné • tyrosinasa (TYR) – kritický krok – hydroxylace tyrosinu tyrosinase-related protein 1 (TYR1) a DOPAchrome tautomerasa (DHI = 5,6-dihydroxyindole; DHICA = 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid)

17. Melaniny • Tmavohnědýeumelanin a rezavě zbarvenýfeomelanin • Eumelanin - vysoce heterogenní polymer DHI a DHICA jednotek v redukovaném nebo oxidovaném stavu. • Feomelanin- hlavně benzothiazinové deriváty obsahující síru. • Neuromelaninprodukovaný dopaminergními neuronyv substantia nigra. • Melanin absorbuje UV zářenío vlnové délce280 - 320 nm • Granula melaninu se hromadí okolo jader keratinocytů – protekce proti UV záření poškození DNA • Eumelanin ifeomelanin mají ochrannou úlohu– váží se na kationty, anionty, chemické látky aj.

18. Faktory ovlivňující tvorbu melaninů • Parakrinní a/nebo autokrinní - melanocyty-stimulující hormon (MSH), endotheliny, růstové faktory, cytokiny, atd. • Vystavení UV záření→ melanocytyzvýšíexpresi proopiomelanokortinu (POMC, prekursor MSH) a receptoru pro melanokortin 1 (MC1-R), TYR and TYRP1, proteinkinasu C (PKC), a další signální faktory.

19. Faktory ovlivňující tvorbu melaninů • Fibroblasty kůže (a zřejmě i další buňky) - produkují cytokiny, růstové faktory, mediátory zánětu – zvýšení produkce melaninu v melanocytech a stimulace jeho přenosu do keratinocytů. • Další faktory produkované keratinocyty, které regulují proliferaci a diferenciaci melanocytů : • α-MSH, ACTH, basic fibroblast growth factor (bFGF), nerve growth factor (NGF), endotheliny, granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF), leukemia inhibitory factor (LIF) a hepatocyte growth factor (HGF).

20. Další buňky epidermis • Langerhansovybuňky - dendritickébuňky – původ v kostní dřeni, 2 - 8% epidermis • Součástí imunitního systému, interakce s T-buňkami • Ke keratinocytům se váží pomocíE- kadherinového receptoru • Jejich pohyb regulován specifickým integrinovým receptorem a α –TNF • V S. germinativum interagují s alergenem, pak migrují do lymfatických uzlin→tam “školí” T buňkyo alergenu • Interagují s T-lymfocyty a keratinocyty– iniciace reakce hostitele proti antigenu(alergenům) • UV B záření stimuluje syntézu a uvolnění TNF- keratinocyty →změna chování a morfologie Langerhansovýchbuněk, snížení jejich počtu.

21. Langehans cell Allergen cytokine T cell Activated T cell

22. 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

23. 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 céva nervů), • type VI – spojený s fibrilamitypu 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 Proteinyextracelulární matrix.

24. Kožní adnexa • Kůže zajišťuje homeostázi a proto je vybavena sekreční kapacitou (uvolnění chemických látek zajišťujících fyziologické funkce) exkreční kapacitou (odstranění odpadních látek metabolismu). • potnížlázy[tvorba potuse silným zápachem (apokriní sekrece),se slabým zápachem (ekrinní sekrece)]. • mazovéžlázy (sekrece mazu do vlasového folikulu). • vlasové folikuly

25. Potní žlázy • 3 – 4 milionyekrinníchpotních žláz– zajištění tepelné regulace těla pocením udržování povrchové teploty kůže 37.5oC. • Maximální výdej vody ekrinním žlázami může přesáhnoutvíce jak 3 l/hod., ztráta tepla může přesáhnout 18 kcal min-1. • Ekrinní potní žlázy primárně sloužík ochlazení těla. • Apocrinní potní žlázy jsou větší, mají jiný mechanismus tvorby potu, výskyt je omezen na axilu a perianální oblast

26. Tvorba potu • Aktivitu ekrinní žlázy regulujesympatická inervace jemných nervů okoložlázy. • Neurotransmiterem je acelylcholin. • Poceníkontroluje hypothalamuss termosensitivními neurony. • Stimulempro pocení je: • teplo samotné (39 - 46oC) • fyziologické pocení je regulováno reflexně z centra v hypothalamu (termoregulace) a kortexu v mozku (emocionální podnět).

27. Pot ekrinních žláz • voda (99.0 – 99.5%) • electrolyty NaCl, K+ a HCO3-, • laktát, urea, čpavek, aminokyseliny (serin, ornithin, citrulin, aspartát) • minerály • Složení minerálů závisí na: • vlastní aklimatizaci na teplo, • cvičení a tělesné námaze, • vystavení stresu

28. Pot apokrinních žláz • U nižších savců – sekrece feromonů (spuštění sexuálního a teritoriálního chování). • U člověka – význam apokrinní sekrece feromonůnení zcela objasněna. • Apokrinní sekrece začíná v pubertě. • Apokrinní žláza ústí v prostoru vlasového folikulu. • Konsistence apokriního potu – více viskózní, mléčná konsistence díky vysokému obsahumastných kyselin, cholesterolu, skvalenu, triglyceridů, androgenů, čpavku.

29. Obsah minerálů v potu Stopové prvky

30. 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.

31. 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)

32. Metabolismus kůže • Primární zdroj energie – glukosa z cirkulace – difunduje do keratinocytůbez vlivu insulinu. Velké množství glukosy se metabolizuje na laktát (i za přístupu kyslíku) • Krebsův cyklusprobíhá v epidermis – proto není efektivní během velkého kolísání teploty a průtoku krve v kůži. • 20% glukosyse metabolizujepentoso-fosfátovou dráhou – tvorba NADPH a pentospro tvorbu mastných kyselin a nukleových kyselin. • Sekundární zdroj energie - mastné kyseliny, pocházejí z epidermálních i exogenních zdrojů (při omezeném přísunu glukosy)

33. 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 žlázáchz lipidů z cirkulace • Odbourávání – pomocí lipas

34. Imunitní systém v kůži • Kůže poskytuje obranu nejen sobě, ale i celému organismus. • Různé buněčné typy vylučují škálu mediátorů imunitní odpovědi • Langerhansovybuňky, monocyty, makrofágy, žírné buňky(spolupracují s T-buňkami) • Typy buněk produkující ROS, antibakteriální peptidy, cytokiny, chemokiny, pro- a proti-zánětlivé mediátory • neutrofily, eosinofily, basofily.

35. Kůže odstraňuje xenobiotika • Kůže je neustále vystavena různým toxickým vlivům (léčiva, kosmetické přípravky). • Xenobiotika se dostávají přes S. corneum podle svých fyzikálně-chemických vlastností (rozpustnost, rychlost difúze). • Epidermis a mazové žlázy exprimují různé cytochromy P450 (rozsáhlá skupina hemoproteinových enzymů, oznečení také CYP - oxidace substrátů, zvýšení jejich rozpustnosti). • Většina léčiv užívaných v dermatologické praxi jsou buď aktivátory nebo inhibitory CYP enzymů.

36. Použitá literatura • Tobin, D.J. Biochemistry of skin – our brain on the outside. Chem. Soc. Rev. 2006; 35:52-67. • Costin, G.E. Hearing, V.J.: Human skin pigmentation: melanocytes modulate skin color in response to stress. The FASEB Journal 2007; 21: 976-994.