Oxid dusnatý, oxid uhelnatý a sulfan

Oxid uhelnatý
jedovatý plyn či potřebný
regulátor metabolismu?
Jaroslav Racek
Ústav klinické biochemie a hematologie
LF UK a FN Plzeň
Pravda je obojí
Oxid uhelnatý, oxid dusnatý a sulfan
jsou léta známy jako nebezpečné
polutanty
Zejména oxid uhelnatý, ale i sulfan
a oxidy dusíku způsobují závažné, často
smrtelné otravy
O to překvapivější bylo zjištění, že jsou
nezbytné pro život
Začalo to v r. 1992
Oxid dusnatý (NO) byl v časopisu Science
označen za „molekulu roku“
(Culotta E and Koshland DE, Jr. NO news is good news
(”Molecule of the Year“). Science 258 (5090), 1992:
1862–64)
Jako oxid dusnatý byl totiž identifikován
endothelium-derived relaxing factor (EDRF),
(EDRF)
popsaný v r. 1978 Robertem F. Furchgottem
Vysvětlil se tím i vazodilatační účinek nitrátů
Pak následovaly
oxid uhelnatý a sulfan
Vznikl pojem „gasotransmitery“
Naše znalosti o metabolické úloze těchto
plynů rostou geometrickou řadou
Cílem sdělení je přinést přehled nejnovějších
znalostí o jednom z nich – oxidu uhelnatém
– a ukázat jeho místo v metabolismu
Oxid uhelnatý
Carbon monoxide
CO
Oxid uhelnatý
Plyn (b. tání -205 °C, b. varu -192 °C)
z
z
z
bezbarvý
hořlavý
bez zápachu
Minimálně rozpustný ve vodě:
2,6 mg/100 ml vody (20 °C)
Lipofilní → dobře prochází membránami
Oxid uhelnatý
Extrémně hořlavý
Vysoce toxický
Výbušný (ve směsi se vzduchem
s 12,5 – 7,42 % CO)
Vznik oxidu uhelnatého
V přírodě:
z
nedokonalé hoření všech uhlíkatých látek
V lidské činnosti
z
z
z
z
výfukové plyny ze spalovacích motorů
kamna, karmy
kouření
generátorový a vodní plyn, dříve svítiplyn
Vznik CO v živých organismech
Při degradaci hemu pomocí hemoxygenasy
Metabolismus hemu
globin
Fe
reutilizace
k syntéze bílkovin
CO
hemoglobin
hem
biliverdin
Hem oxygenasa (EC 1.14.99.3)
Hem + NADPH + H+ + 3 O2 → biliverdin + Fe3+ + CO + NADP+ + H2O
Degradace hemu
Degradace hemu
Hemoxygenasa pro svou fci potřebuje
Hem – je substrátem, ale i aktivuje kyslík
z NADPH-cytochrom P450 reduktasu –
poskytuje elektrony potřebné k degradaci hemu
z Kyslík
z Biliverdinreduktasu (EC 1.3.1.24) – ihned po
svém vzniku je biliverdin redukován na bilirubin
a uvolní se z HO
Uvedené tři enzymy tvoří komplex, pracují ve
vzájemné souhře
z
NADPH-cytochrom P450 reduktasa
(NADPH : ferrihemoproteinreduktasa, EC 1.6.2.4)
z
Flavoprotein, který je i součástí NOS
z
Obsahuje FAD, FMN, NADPH
z
z
Uplatňuje se jako donor elektronů pro oxidasy
v endoplazmatickém retikulu (metabolismus
léků, hemu, součástí stravy, syntéza steroidů)
Tok elektronů:
NADPH → FAD → FMN → O2
Izoformy hemoxygenasy
z
z
z
Inducibilní (HO-1) – mikrosomální hem
degradující systém, Mr = 33 kDa; stimulace
syntézy hemem (vazba na represor translace),
oxidačním stresem, hypoxií, hormony, kadmiem,
endotoxinem; slezina, játra, ledviny, kostní dřeň
Konstitutivní (HO-2) – 43 % stejných AK jako
HO-1, Mr = 36 kDa; mozek, testes, cévní systém
HO-3 – 90 % homologie s HO-2, zřejmě transkript
genu pro HO-2; mozek; nejspíše nemá význam
pro degradaci hemu, ale funguje jako kyslíkový
senzor
Význam hemoxygenasy
z
z
z
z
Degradace hemu
Ochrana před oxidačním stresem
a škodlivinami – HO-1, dává vzniknout
významným antioxidantům (biliverdin, bilirubin)
Tvorba oxidu uhelnatého – působí jako
signální molekula – viz dále
HO má účinek protizánětlivý, antiangiogenní
a cytoprotektivní – asi vyplývá z předchozích
dvou účinků
HO u jiných organismů
z
z
z
z
Ptáci, plazi, ryby, hmyz – biliverdin užívají jako
pigment
Živočichové nemající hemoglobin – význam
pro degradaci hemu cytochromů (i hmyz, HO
u něho produkuje 3 izomery biliverdinu)
Rostliny – biliverdin → fytobilin (senzor pro
červené světlo)
Patogenní bakterie – potřebují k životu železo,
které je při zánětu omezeně dostupné
(hepcidin!); získávají ho z hemu pomocí HO
Eliminace endogenního CO
z
z
z
Exspirace plícemi – hlavní cesta
eliminace CO
Vazba na sloučeniny obsahující hem,
zejm. hemoglobin
Oxidace – za fyziologických podmínek
u savců neprokázána
Signální funkce CO
z
z
z
z
Produkce CO při rozpadu hemoglobinu
prokázána až v r. 1950 (Sjöstrand)
Hemoxygenáza popsána až v r. 1960
(Tenhunen et al.)
Možná signální funkce CO popsána až v
r. 2000 (Snyder)
Denní produkce CO je asi 12 ml (500
μmol); koncentrace CO ve tkáních v nmol/l
Molekulární úroveň účinku CO
z
z
Většina účinku CO je dána jeho vazbou
na hem obsahující proteiny
(hemoglobin, myoglobin, katalasa,
peroxidasy, NOS, cytochrom c oxidasa,
cytochorm P450, tryptofandioxygenasa aj.);
jejich funkce je jím inhibována – jen při
vysokých koncentracích CO
Výjimku tvoří solubilní guanylátcyklasa
(sGC), která je vazbou CO aktivována,
→ cGMP
Fyziologická úloha CO
z
z
CO aktivuje NOS a vzniklý NO pak
aktivuje sGC; CO je tedy modulátorem
signalizace oxidem dusnatým
Interakce CO s iontovými kanály – CO
zvyšuje citlivost vápníkem aktivovaných
K+ kanálů (BKCa) k Ca2+; tento účinek je
zčásti přímý, zčásti závislý na regulaci
produkce NO
Vztah CO a NO (I)
z
z
CO i NO se mohou vázat na hem
v různých Fe(II)-hem proteinech
Elektrony pro HO poskytuje cytochrom
P450 reduktasa, její bílkovina vykazuje
60% homologii s karboxyterminální částí
NOS
Vztah CO a NO (II)
z
CO zvyšuje aktivitu NOS,
NOS navíc
uvolňuje NO z jeho zásob (z vazby na
hemové proteiny)
Vysoká koncentrace CO snižuje aktivitu
NOS vazbou na tento enzym
z
NO zvyšuje aktivitu HO-1 (stimulací
transkripce a zvýšením stability mRNA),
zatímco snižuje aktivitu HO-2
Účinky CO ve fyziologických koncentracích
z
z
z
Relaxace hladké svaloviny cév s následnou
vazodilatací – popsána u řady arterií
(koronární, mozkové, mezenteriální aj.);
spolupodílí se na kontrole erekce –
prostřednictvím cGMP i aktivací KCa kanálů
Ochrana myokardu před reperfuzním
poškozením
Snížení agregace trombocytů (asi aktivací
cGMP dráhy)
Účinky CO ve fyziologických koncentracích
Účinky na nervovou tkáň
- regulace osy hypothalamus-hypofýza-nadledviny
(sekrece CRF)
- ovlivnění sekrece ADH
- ovlivnění cirkadiánního rytmu (prostřednictvím
transkripčního faktoru NPAS2)
- podíl na dlouhodobé adaptaci čichových neuronů a při
adaptaci na tmu
- signální molekula v karotickém čidle pro kyslík
z
CO a ostatní orgány
- brání rozvoji plicní fibrózy
- vyvolává relaxaci svaloviny GIT (NANC transmiter,
zajišťuje účinek VIP)
z
Účinky CO ve fyziologických koncentracích
z
z
Protizánětlivý účinek – inhibice tvorby
prozánětlivých cytokinů (TNF-α, IL-1 aj.)
makrofágy
Inhibice apoptózy buněk endotelu
Protože CO vzniká působením hemoxygenázy,
řada jeho „účinků“ může být způsobena:
- odstraněním toxického účinku hemu
- produkcí antioxidantů biliverdinu a bilirubinu
Závěry
Závěry
z
z
z
z
Zdá se, že regulační účinek CO není tak
významný, jak je tomu v případě NO
Rychlost produkce a zániku je u NO mnohem
dokonaleji regulovaná a rychleji se mění
Účinky CO jsou v mnohém ještě neznámé
a vyžadují další studium
Užití léčiv uvolňujících CO např. v léčbě
hypertenze není v nejbližší době reálné
Pro gasotransmitery platí:
z
z
z
z
z
Jsou to velmi jednoduché molekuly
Vznikají působením enzymů, které se
vyskytují jako konstitutivní i inducibilní
Snadno difundují membránami
Na rozdíl od neurotransmiterů nemají
receptory
Cílovou strukturou je hem
Jejich účinek závisí na koncentraci:
z v nízké koncentraci vykazují řadu
pozitivních fyziologických působení
z ve vysoké koncentraci jsou silnými jedy
Mají významnou úlohu v:
z kontrole napětí hladké svaloviny cévní
stěny
z regulaci zánětlivých procesů
z ovlivnění nervového přenosu
z a řadě dalších pochodů v organismu
Účinek gasotransmiterů je zkoumán:
z
z
po jejich podání (inhalačně nebo po
uvolnění v organismu z jiných látek)
pomocí inhibitorů enzymů, podílejících se
na jejich vzniku
z
indukcí syntézy příslušného enzymu
z
studiem knock-out laboratorních zvířat
z
studiem zvířat s over-expresí příslušného
genu
Znalost působení gasotransmiterů
a farmakologické ovládnutí jejich
tvorby či odbourávání dávají
prostor k léčbě řady závažných
chorobných stavů
Děkuji za pozornost
[email protected]