Přednáška 5: Neuropřenašeče: serotonin

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]