1 / 53

Biochemie myokardu, biochemie plic

Biochemie myokardu, biochemie plic. Jana Novotná. Specifičnost metabolismu myokardu. Srdce je jedním z nejaktivnějších orgánů v těle .

talib
Download Presentation

Biochemie myokardu, biochemie plic

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Biochemie myokardu,biochemie plic Jana Novotná

  2. Specifičnost metabolismu myokardu Srdce je jedním z nejaktivnějších orgánů v těle. Funkce myokardu závisí navelmi jemné rovnováze mezi srdeční prací a energií,kterou musí myokard získat ze syntetických reakcí, které převádí do energeticky bohaté fosfátové vazby. Udržuje se tak plynulá návaznost mezi excitací a kontrakcí.

  3. Specifičnost metabolismu myokardu Vysoká spotřeba kyslíku. Pro zachování vysokého srdečního výkonu je metabolismus uzpůsoben tak, aby oxidativnífosforylací produkoval maximální množstvíATP. Za bazálních aerobních podmínek: 60% energiepochází zvolných mastných kyselin a triglyceridů, 35%ze sacharidů, 5%z aminokyselin a ketolátek.

  4. Specifičnost metabolismu myokardu Mitochondriálnídýchací řetězec produkujevíce než 90% energie. Mitochondriezaujímajív kardiomyocytu ~30% celkového prostoru. >95% ATP pochází z oxidativnífosforylacev mitochondriích. ~ 60-70% ATP se hydrolyzuje při svalové kontrakci ~30 - 40% ATP spotřebují Ca2+-ATPasa v sarkoplas-matickém retikulu a ostatní iontové pumpy.

  5. Regulace metabolických drah v myokardu W.C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005

  6. Procesy, které vyžadují energii Srdeční buňka – myofibrilární aktin-myosin ATPasa  proces kontrakce a relaxace Ca2+ATPasa v sarkoplasmatickém retukulu Na+/K+ ATPasa v sarkolemě  udržení membránového potenciálu Anabolické reakce a signální procesy Kreatinfosfát – syntéza ATP kreatinkinázovou reakci Kreatinkinázová reakce – dočasné udržení vysoké hladiny ATP, nízké ADP – přenos vysokoenergetického fosfátu z místa syntézy do místa spotřeby (CKmi a CK cytoplasmatická) Kreatinfosfát + ADP + H+ kreatin + ATP

  7. Metabolismus mastných kyselin • FAT/CD36 - translokáza mastných kyselin , FABPpm - proteinem vázajícím mastné kyseliny • FACS - syntasa acyl-CoA mastných kyselin, CPT-I - karnitinpalmitoyltransferasa-I • CAT– karnitinacyltranslokasa, CPT-II - karnitinpalmitoyltransferasa-II • Malonyl-CoA velmi silně inhibuje CPT-I (na cytosolické straně). • CPT-I má dvě izoformy: • jaterní CPT-1a a CPT-Tb v srdci • CPT-1b je 30krát více senzitivní k inhibici malonylem-CoA.

  8. PPARa - regulace PPARa (peroxisome proliferator-activated receptor-a) – jaderné receptory mastných kyselin Váže se na responsivní elementy a stimuluje transkripci genů oxidace či syntézu lipidů PPARα reguluje expresi genů účastnících se oxidace lipidů (hlavně v srdci, játrech, svalech) Vysoká exprese v tkáních s intenzivní β-oxidací:játra, srdce, kosterní sval, ledviny, hnědý tuk Exprese se zvyšuje během hladovění a stresu (tj. při stimulaci uvolňování FA z tukové tkáně) Funkce: regulace transkripce genů pro proteiny: příjmu FA do buněk aktivace FA β-oxidace FA – stimuluje hlavně peroxisomálníβ-oxidaci,v menší míře i mitochondriální

  9. Metabolismus sacharidů Zdravé srdce - ~ 60 - 90% acetyl-CoA pochází z b-oxidace, 10 – 40% z glykolýzy. Zdravé srdce metabolizuje laktát – jen v případě téměř maximálního výkonu nebo za ischemie (zrychlení glykolýzy v důsledku nedostatečné oxidace pyruvátu). transport laktátu do myocytu pomocí transportéru pro monokarboxylové kyseliny (MCT-1) Substráty pro glykolytickou dráhu (glukosa a glykogen) pocházejí z exogenních zdrojů.

  10. Metabolismus sacharidů Transport glukosy do buňky srdečního svalu je regulován transmembránovým glukosovým gradientem a množstvím glukosových transportérů v sarkolemě – GLUT-4 (v menší míře GLUT-1). Glukosové tarnsportéry se přemisťují z intracelulárních vesikulů do sarkolemy – stimuluje insulin, zvýšená srdeční práce, ischémie. Hotovost glykogenu v srdeční svalovině ~30 mmol/g vlhké tkáně. Hotovost glykogenu v kosterní svalovině ~150 mmol/g vlhké tkáně.

  11. Metabolismus sacharidů Stimulaceinsulinem, zvyšující se srdeční práce, ischémie  transport glukosy do buněk, rychlost jejího vychytávání. V glykolytické dráze seglukosa6-fosfát a NAD+přeměňujenapyruvát a NADH.Vzniknou2 mol ATP/1 molekulu glukosy. Pyruvát a NADH do mitochondriální matrix tvorba CO2 a NAD+ - kompletní aerobní oxidativní glykolýza  36 ATP/ /1 molekulu glukosy. http://www.nature.com/nrc/journal/v4/n11/fig_tab/nrc1478_F1.html

  12. Metabolismus sacharidů http://themedicalbiochemistrypage.org/

  13. Metabolismus sacharidů • Fosfofruktokinasa-1 (PFK-1) – klíčový regulační enzym glykolýzy – katalýza ireverzibilního kroku  tvorba fruktosa 1,6-bisfosfátu (F1,6BP)zaspotřeby 1 mol ATP. • PFK-1 je aktivována ADP, AMP a Pi, • inhibována ATP a poklesem pH (míra inhibice [H+] závisí na hladině ATP). • PFK-1 stimuluje také fruktosa 2,6-bisfosfát (F2,6PB) • F2,6BP je tvořen z fruktosa 6-fosfátu bifunkčním enzymem fosfofrukto-kinasou-2/fruktosa-2,6-bisfotatasou (PFK-2). • F2,6BP zvyšuje afinitu PFK-1 k F6P W.C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005

  14. + NAD+ GAPDH NADH+H - Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa (GAPDH) přeměna glyceraldehyd-3-fosfátu na 1,3-difosfoglycerát za vzniku NADH+H+. GAPDH – jeden z hlavních regulačních mechanismů → inhibice zvýšenou konc. NADH+H+ v cytoplasmě a aktivace zvýšenou konc. NAD+. Při ischémii dochází k akumulaci NADH+H+ a laktátu v cytoplasmě a tím k inhibici GAPDH. Enzymy glykolýzy – lokalizace kolem sarkoplasmatického retikula a sarkolemy, jen asi 10% glykolýzy probíhá v cytoplasmě.

  15. Metabolismus sacharidů • pyruvát v mitochondrii: • dekarboxylace a oxidace pyruvátdehydrogenasou (PDH) na acetyl CoA, • nebo karboxylace pyruvátkarboxylasouna oxalacetát, • případně redukce na laktát. • Regulace aktivity PDH je zásadní pro řízení celého glukosového metabolismu. • Adrenergní stimulace  Ca2+ v cytosolu a v mitochondriích  aktivace PDH oxidace pyruvátu  zvýší se srdeční činnost. • Zvýšená rychlost oxidace mastných kyselin PDH inhibuje, tím se snižuje oxidace glukosy a pyruvátu.

  16. Metabolismus laktátu • Za anaerobníchpodmínek (ischémie) se pyruvát redukuje na laktát – anaerobní glykolýza. • Laktát se uvolňuje přes specifický transportér MCT do krve. • MCT má zásadní význam pro regulaci a udržování intracelulárního pH (odstraňuje také protony vzniklé během glykolýzy). • Během hladovění se laktát mění zpět na pyruvát. • Oxidace 1 mol laktátu na pyruvát NAD+se redukuje na NADH a vzniknou 3 mol ATP → pyruvát se aerobně metabolizuje v citrátovém cykluza vzniku 14 mol ATP.

  17. Vzájemná regulace mezi oxidací mastných kyselin a metabolismem sacharidů • Hlavní fyziologický regulační mechanismus toku a rychlosti oxidace glukosy přes PDH v srdci je oxidace mastných kyselin. • PDH inhibuje vysoká rychlost oxidace mastných kyselin zvýšením mitochondriálníhopoměru acetyl-CoA/volný CoA a NADH/NAD+aktivujese PDH kinasa. • Inhibice oxidace mastných kyselinzvyšujeabsorpci glukosy a laktátua jejich oxidaci.

  18. Metabolismus ketolátek • Srdce během hladovění nebo špatně léčeného diabetu využívá a oxiduje ketolátky (b-hydroxybutyrát a acetoacetát). • Málo insulinu a vysoká hladina mastných kyselin  ketolátky. • Ketolátky jsou pak pro srdce hlavním substrátem. • Ketolátky inhibují PDH a b-oxidaci.

  19. Srdeční sval a ischémie • Okluse koronární artérie  ischémie  výrazná změna struktury buněk, chemismu a jejich funkcí • ztráta kontraktilní funkce • arytmie • smrt buněk • Pokles poměru ATP/ADP, hromadění AMP, Pi, produkty metabolismu nejsou odstraňovány (laktát). • Rychlý pokles kreatinfosfátu – kreatinkinasa + ADP → fosforylace ADP → ATP (jen krátkodobý mechanismus, nekompenzuje sníženou produkci ATP v mitochondriích)

  20. Srdeční sval a ischémie • Již mírná ischémie snižuje koncentraci ATP a kreatinfosfátu, zvyšuje hladinu anorganického fosfátu → aktivace glykolýzy (potřeba glukosy z krevního řečiště do srdečních buněk) → zvýšení koncentrace pyruvátu → přeměna LDH na laktát. • Delší ischémie – hromadění substrátů (latát, NADH+ a H+) → zpomalení glykolýzy na úrovni fosfofruktokinasy a glyceraldehyd-3-dehydrogenasy.

  21. Biochemické markery poškození srdečního svalu Troponiny - TroponinT(cTnT) nebotroponin I (cTnI) - nejcitlivější a nejspecifičtější marker poškození myokardu. • Uvolnění běhemIM z cytosolu myocytů. • Dosažení vrcholu přibližně za 12 hodinpoIM.

  22. Biochemické markery poškození srdečního svalu Kreatin kinasa(CK) je relativně specifický marker, pokud není poškozen kosterní sval • CK má dvě podjednotky – CK-M (muscle), CK-B (brain) a mitochondriální CKmi • CK-MM (CK-1) - kosterní sval 95%, srdce 42%, hladký sval 2 – 3% • CK-MB (CK2) – kosterní sval 3%, srdce 28%, hladký sval 1 – 5% • CK-BB (CK-3) – kosterní sval 1%, srdce 1%, hladký sval 87% • Vrcholu dosahuje přibližně mezi 10 – 24 hod.

  23. Biochemické markery poškození srdečního svalu Laktátdehydrogenasa (10 – 24 hod.) není tak specifická jako troponin • tetramer, 2 podjednotky – H – srdeční, M - svalová • Izoenzymy • LDH1 (4 H) – srdcea erytrocyty • LDH2 (3HM) – srdcea retikuloendoteliální systém, • LDH3 (2H2M) - plíce, • LDH4 (H3M) – ledviny, placenta, pankreas, • LDH5 (4M) – játraa příčně pruhovaný sval • V normoxii je vyšší hladina LD2 než LD1 • Akutní srdeční infart – mezi 6 a 12 hodinou po uzávěrce koronární – LD1 vyšší než LD2 Myoglobin – vzestup velmi rychle (asi 2 hodiny) – nízká specifita poškození myokardu

  24. Biochemické markery poškození srdečního svalu • Aspartáttransaminasa (AST) • Byla použita jako první pro detekci poškození myokardu • Používá se také pro testování jaterní funkce. • Izoenzym glykogenfosforylasy BB (GPBB) • jedna ze 3 izoforem glykogenfosforylasy, které se nacházejí v srdci a mozkové tkáni. • Izoenzym z mozkové tkáně neprochází přes hematoencefalickou bariéru, proto je pro srdeční tkáň GP-BB specifická. • Jeden z „nových markerů srdečního poškození", diskutován, zda je jeho použití vhodné ke zlepšení včasné diagnózy v akutního koronárního syndromu. Zvyšuje se 1–3 hodiny po vzniku ischemie.

  25. Literatura Reviews: • W.C. Stanley, F.A. Recchia, G.D. Lopaschuk: Myocardial substrate metabolism in the normal and failing heart. Physiol. Rev. 85:1093-1129, 2005 • CH. Depré, M.H. Rider, L. Hue: Mechanism of control of heart glycolysis. Eur. J. Biochem. 258:277-290, 1998 • R. Ventura-Clapier, A. Garnier, V. Veksler: Energy metabolism in heart failure. J. Physiol. 555:1-13, 2003

  26. BIOCHEMIE PLIC

  27. PLÍCE Produkují: surfaktant kolagen + elastin hlen (mukolpolysacharidy + IgA) Inaktivují: ROS kininy – (hydrolýza peptidové vazby ubradykininu kininasou II) serotonin – (z oběhu aktivním transportem přes endotelium, rychlé odbourávání MAO, žírné buňky) noradrenalin acetylcholin detoxikace cizorodých látek (vdechovaných i z cirkulace) hydroxylací cytochromem P450 v mikrosomech Aktivují: angiotensin

  28. Intermediární metabolismus plic Primární fyziologická role plic – udržovat intermediární metabolismus orgánů - O2, CO2 O2 a jeho využití: • stejný jako u jiných orgánů – mitochondriální cytochromoxidasa → redukce kyslíku na H2O a produkci ATP • různé oxidasy se smíšenou funkcí a transferasy přenášející O2. • významná funkce - hydroxylace xenobiotik a endogenních substrátů jako mastné kyseliny pomocí cytochromu P450 v endoplasmatickém retikulu.

  29. Intermediární metabolismus plic Významné dráhy dependentní na O2 • syntéza eikosanoidů (lipoxygenasa a cykloxygenasa), • hydroxylace prolinu a lysinu (prolyl a lysylhydroxylasa) pro pojivovou tkáň, • oxidace aminů jako 5-hydroxytriptamin, noradrenalin (MAO a aldehydoxidasa), • respirační vzplanutí (NADPH-oxidasa – makrofágy, neutrofily), • oxidace hypoxanthinu (xanthinoxidasa), • různé reakce v peroxisomech (urátoxidasa).

  30. Intermediární metabolismus plic Glukosa • Hlavní substrát, uhlíková kostra se přemění: • 20% na CO2 → z toho 75% produkce CO2 z mitochondriální dekarboxylace pyruvátu a z TCA, 25% pentosové dráhy • 30% inkoporace do proteinů, nukleových kyselin, glykogenu a dalších makromolekul (18%), polysacharidy (5%) • zbytek ~50% se odvádí jako laktát (43%), pyruvát (5%).

  31. Intermediární metabolismus plic Proč je tak relativně velká produkce laktátu? Proč je omezená dráha TCA? • V plicích je víc buněk, které mají málo mitochondrií nebo některé mitochondriální enzymy chybí.

  32. Intermediární metabolismus plic Využití dalších substrátů: • fruktosa – jako alternativní hexosa • laktát → pyruvát • glycerol → přeměna na glycerol-3-fosfát (glycerol kinasa) • mastné kyseliny (palmitát) – biosyntéza komplexních lipidů, ale mohou být metabolizovány až na CO2

  33. Intermediární metabolismus plic Tvorba redukujících ekvivalentů • NADH • gykolýza (1,3-bisfosfoglycerát → glyceraldehyd-3-fosfát), • reakce pyruvátdehydrogenasy, TCA. • NADPH • pentosofosfátová dráha - glukosa-6-fosfátdehydrogenasa (glukosa-6-fosfát → 6-fosfoglukonlakton) a 6-fosfo-glukonátdehydrogenasa (6-fosfogluklonát → ribulosa-5-fosfát). • NADH a NADPH – využití v biosyntetických dráhách, NADPH jako kofaktor glutathionreduktasy při oxidačním stresu.

  34. Surfaktant • Lipoproteinový komplex snižující povrchové napětí – syntéza alveolárními epitelovými buňkami typu II • Hydrofilní a hydrofobní složka • Hydrofilní složka směřuje dovnitř alveolu (extracelulární tekutina), hydrofóbní vně (vzduch)

  35. Složení surfaktantu Lyra, P.P.R; de Albuquerque Diniz, E.M.Clinics 62: 181, 2007

  36. Alveolus http://herkules.oulu.fi/isbn9514270584/html/c273.html

  37. Polární hlava Nepolární část Fosfolipidy

  38. Proteiny Syntéza – epiteliální buňky SP-A a SP-D • velké glykosylované proteiny ( SP-D má 355 AK) • ve vodě rozpustné • kolektiny, kalcium-dependentní, vázající cukry SP-B a SP-C • malé peptidy (35 AK), vysoce hydrofobní • schopnost snižovat povrchové napětí • důležité pro rozprostření surfaktantu na povrchu alveolu

  39. Proteiny • SP-A : • tvorba tubulárního myelinu • regulace vestavby fosfolipidů do monomolekulární vrstvy • modulace absorpce a sekrece fosfolipidů buňkami typu II • aktivace alveolárních makrofágů • vazba a odstraňování bakterií a virů • chemotaktická stimulace alveolárních makrofágů • SP-D důležitá role v obraně proti patogenům • SP-B a SP-C: • zvyšování biofyzikálních vlastností surfaktantu • podpora rychlého zabudování a molekulární rozvrstvení fosfolipidů v monomolekulární vrstvě

  40. Metabolismus surfaktantu • DPPC je syntetizován rER • přenesen do lamelárních tělísek spolu s SP-B a SP-C • lamelární tělíska jsou zásobní a sekreční granula obklopená membránou • fusují s plasmatickou membránou a vzniká tubulární myelin • napínáním a kontrakcemi během respiračního cyklu se část TM desorganizuje, reabsorbuje a recykluje, malá část se katabolizuje. Lyra, P.P.R; de Albuquerque Diniz, E.M.Clinics 62: 181, 2007

  41. Lamelární tělíska a tubulární myelin • Lamelární tělíska mají kyselé vnitřní prostředí a mají vysoký obsah vápníku. • V alveolárním prostoru se transformují na trojrozměrnou síť - tubulární myelin. • TM obsahuje asi ½ obsahu všech fosfolipidů v alveolu.

  42. Vlastnosti surfaktantu Jakmile je vyloučen do alveolárníhoprostoru,rychle vytvoří fosfolipidový film mezi vodnou fází a vzduchem (u novorozenců po prvním nadechnutí). Snižuje povrchové napětí, když dojde při výdechu, k jeho stlačení(plíce nekolabují). Proteiny surfaktantu působí jako obrana proti patogenům(rozpoznání a opsonizace bakteriálních, houbových, virovýchpovrchových oligosacharidů). Změna vlastností surfaktantu během dechového cyklu: - na začátku expirace – velmi nízké povrchové napětí - na konci expirace – povrchové napětí vzroste (zabránění kolapsu plic)

  43. Regulace tvorby surfaktantu • napnutí alveolární stěny hyperventilace - hluboké dechy, zívání • acetylcholin • beta-agonisté • kortikoidy - zralost novorozenců • tyroxin

  44. Syntéza plicních lipidů • Substráty pro syntézu de novo • glukóza a glykogen glycerol-3-fosfát • cholin, etanolamin, inositol polární hlavy • mastné kyseliny exogenní

  45. Glukosa Glykogen NAD+ NADH DHAP glycerol-3-fosfát palmitoyl-CoA CoASH cholin palmitoyl-G3P ATP palmitoyl-CoA ADP CoASH dipalmitoylfosfatidová kyselina fosfocholin CTP H2O Pi PPi dypalmitoylglycerol CDP-cholin CMP DPPC Syntéza DPPC de novo

  46. Nemoci způsobené nedostatkem surfaktantu • Syndrom dechové tísně (RDS – respiratory distress syndrom) - akutní onemocnění postihující především nedonošence způsobené nedostatkem surfaktantu • Terapie – podávání umělého surfaktantu intratracheálně • prevence prematurity, preventivní prenatální podání steroidů matce. • Syndrom akutní dechové tísně (ARDS) u dospělých – zánětlivé onemocnění, masivní infiltrace neurofilů (poškozený je alveolární epitel a endotel), otok plic a změny surfaktantu – proteiny surfaktantu štěpeny neutrofilovými proteázami (elastasa) • Potenciální terapie – podávání surfaktantu a antiproteas (a1-antitrypsin), glukokortikoidy

  47. Proteasy a antiproteasy u chronického plicní plicního zánětu • Emfyzém (rozedma plic) – nerovnováha mezi proteasami a antiproteasami, převažují proteasy nad antiproteasami a poškozují tak plicní tkáň • Proteasy serinové, cysteinylové, aspartylové a metaloproteinasy,nejvíce zastoupená neutrofilová elastasa, zvýšená exprese mucinu. • Dušnost. Potíže s vydechováním. Jedincům se při vydechování zužují dýchací cesty, a tudíž mají pocit, že nemůžou vydechnout. • Za normálního zdraví – systém antiproteas • serinové antiproteasy - a1AT, sekreční leukocytární inhibitor proteas (SLPI), elafin • cysteinylové katepsiny - cystatiny • TIMPs – tkáňové inhibitory matrixových metaloproteinas

  48. Pneumokoniózy • Pneumokoniózy – skupina profesních onemocnění plic a způsobené vdechováním prachu (často uhelného v dolech), • Vyznačují se fibrózou (depozice vazivové tkáně - kolagen, elastin)  ztuhnutí plicní tkáně • Podkladem plicních změn je reakce imunokompetentních buněk na prachové částečky, která vede k poškození intersticia plic. • Zánětlivé změny závisí na velikosti vdechovaných částeček • silikóza • azbestóza • uhlokopská pneumokonióza • berylióza • Dlouhá prodleva mezi dobou expozice prachu a nástupem skutečné pneumokoniózy - často více než 10 let.

  49. . . HO2 HO2 . H+ + O2- . O2- + 2H+ + e . OH- + OH . OH + e + H+ Reaktivní formy kyslíku (ROS) hydroperoxidový radikál O2 + e + H+ superoxidový radikál peroxid vodíku H2O2 hydroxylový radikál H2O2 + e H2O

  50. Zdroje ROS v buňce Fentonova reakce • Superoxid se v buňce tvoří ve značném množství – cytosol a mitochondrie (hlavně z elektronů, které unikly z mitochondrie z dýchacího řetězce). • Dvě molekuly O2- rychle dismutují na O2 a H2O2. H2O2 neustále proudí mezi buněčnými kompartmenty jako zdroj ROS. • Endogenní zdroje ROS: • O3, NO, NOx, SiO2, kouření, infekce, radiace, hypoxie/reoxygenace, ischemie/reperfuse. .

More Related