39. Rola wolnych rodników tlenowych w procesie karcynogenezy

Powstawanie wolnych rodników jest powszechne, a ich obecność implikuje wiele patologii na poziomie komórkowym (peroksydacja lipidów błonowych, oksydacja protein, spadek zawartości nukleotydów w komórce, zwiększenie wewnątrzkomórkowej puli jonów Ca+2 oraz uszkodzeń DNA i RNA). Wiele obserwacji wskazuje, że wolne rodniki tlenowe odgrywają poważną rolę w procesie karcynogenezy. Najbardziej aktywna forma tlenu w układach biologicznych – rodnik hydroksylowy może reagować zarówno z cząsteczką deoksyrybozy, jak i zasadami azotowymi, wchodzącymi w skład DNA. Reakcja rodnika hydroksylowego z cząsteczką deoksyrybozy prowadzi do powstania pojedynczych i podwójnych pęknięć DNA oraz miejsc wrażliwych na alkalia. Pojedyncze i podwójne pęknięcia są odpowiedzialne za blok replikacyjny i mogą być przyczyną śmierci komórki, rzadziej zmian mutacyjnych. Zmiany mutacyjne są raczej rezultatem obecności zmodyfikowanych zasad azotowych, powstających w wyniku reakcji DNA z wolnymi rodnikami tlenowymi. Oksydacyjnym uszkodzeniom ulega zarówno DNA jądrowy, jak i DNA mitochondrialny, przy czym ten ostatni w znacznie wyższym stopniu. Badania wykazały, że w wyniku działania wolnych rodników tlenowych, w pojedynczej ludzkiej komórce może powstać 104, a w szczurzej 105 pochodnych zasad azotowych w przeciągu doby. Zdecydowana większość tych uszkodzeń jest usuwana przez enzymy naprawcze i wydalana z moczem, część z nich jednak jest akumulowana. Prawdopodobnie gromadzenie uszkodzeń DNA może być głównym czynnikiem odpowiedzialnym za powstawanie nowotworów u ludzi w podeszłym wieku.

Wolne rodniki pobudzają proces karcynogenezy przez szereg mechanizmów. Mogą one modyfikować aparat genetyczny komórki, uszkadzać kwasy dezoksyrybonukleinowe. Oprócz uszkadzania chromosomów, powodują dysfunkcje układu immunologicznego przez zmniejszenie aktywności komórek NK i proliferacji komórek T oraz wywierają duży wpływ na ekspresję genów regulujących wzrost i róźnicowanie komórek. Stopień uszkodzeń zasad azotowych w komórce pod wpływem reaktywnych form tlenu jest bardzo wysoki i wielokrotnie przewyższa nawet uszkodzenia spowodowane działaniem karcynogenów chemicznych. Wiele karcynogenów działa przez wytwarzanie w organiźmie wolnych rodników.

Wykład 02.03

Inicjacja promocjaprogresja

Inicjacja-zachodzą mutacje w materiale genetycznym pod wpływem działania karcenogenów. Na etapie inicjacji pojawia się 5-7 mutacji i komórka może wejść na drogę promocji. Wolne rodniki powodują powstawanie 8-oksoguaniny, która jest zmianą o charakterze mutacji.

Promocja- utrwala się fenotyp nowotworowy kom. Komórka zmutowana proliferuje zbyt intensywnie. Mutacja na etapie inicjacji dotyczy pewnych obszarów: supresorowych, protoonkogenów, naprawy DNA. Komórka zmutowana zbyt intensywnie dzieli się i tworzy klon. Kom. Na etapie promocjiGUZ. Jeśli komórki mają zmutowane geny naprawcze to nie działa system naprawy DNA.

Wolne rodniki mogą uszkodzić DNA . Markerem jest 8-oksyguanina. Wolne rodniki powodując powstawanie 8-oksyguaniny powodują inicjację.

Każdy kancerogen musi być mutagenem! Ale nie każdy mutagen musi być kancerogenem.

Obecne w 8-oksyguanina może błędnie parować zasady.

42. Mechanizmy obronne (komórkowe i pozakomórkowe) przed działaniem wolnych rodników tlenowych

W organizmie istnieją skuteczne systemy ochrony przed działaniem wolnych rodników. Głównie są to:

* układy enzymatyczne, do których należą: dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza, peroksydaza glutationowa, reduktaza glutationowa, dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa;

* układy nieenzymatyczne:

* kompleksy jonów metali grup przejściowych (miedzi, żelaza i manganu);

* antyoxydanty zwane „zmiataczami wolnych rodników”, takie jak: tokoferol, glutation, kwas askorbinowy, karoten, bilirubina, kwas moczowy, melatonina, glukoza i mannitol.

Brak równowagi pomiędzy substancjami reagującymi z tlenem a systemami obronnymi przeciwutleniaczy może prowadzić do uszkodzeń komórkowych. Uważa się, że wolne rodniki tlenowe odgrywają poważną rolę w procesach patologicznych wielu chorób, włączając w to choroby nowotworowe. Wystarczające dawki przeciwutleniaczy zarówno w pożywieniu, jak i ze środków uzupełniających dietę, mogą pomagać powstrzymywać lub opóźniać występowanie niektórych nowotworów. Jednakże, dalsze badania kliniczne i biochemiczne są konieczne, aby wykazać korzyści z uzupełniania poziomu przeciwutleniaczy w organizmie.

Produkcja wolnych rodników znajduje się pod kontrolą układu antyoksydantów. Do tego układu należą enzymy antyoksydacyjne (I linia obrony)

• SOD (może być także CuZnSOD- SOD miedziowo-cynkowa, MnSOD- manganowa SOD, FeSOD- żelazowa SOD)

• Katalaza

• Selenozależna peroksydaza glutationowa (GPx)

Do drugiej linii obrony należą drobnocząsteczkowe antyoksydanty, np.:

• Glutation

• Kwas moczowy

• Witaminy antyoksydacyjne: A, C, E

• β-karoteny

• podejrzewa się witaminę D₃ (ochrona mitochondriów)

• mikroelementy (selen, mangan, żelazo, miedź, cynk)

• chelatory metali (ferrytyna, ceruloplazmina transferyna)

Ostatnia linia obrony:

• mechanizmy naprawy (np. system naprawy DNA przez wycinanie zasad-BER oraz system naprawy DNA przez wycinanie nukleotydów- NER)

Inne:

• Flawonoidy (np. rezweradrol czerwone wino, winogrona)

• Polifenole

Wykład 02.03

Antyoksydanty to nie tylko enzymy. Jesteśmy uzależnieni od przyjmowania antyoksydantów egzogennych, pokarmowych. Witaminy antyoksydacyjne: A, C, E i β-karoten. Występują różne źródła tych witamin. Witaminy A, C, E to triada witamin współdziałających. Z pokarmami przyjmujemy także flawonoidy, np. resweratol, który jest obecny w czosnku, winogronach, czerwonym winie, ciemnym piwie. Flawonoidy są bardzo wydajnymi antyoksydantami. Resweratol jest czynnikiem, który pobudza ekspresję pewnych genów w komórkach. Geny te to geny SIRT kodujące białko o nazwie sirtiuna, która przedłuża życie komórkom.

Inne antyoksydanty egzogenne to indole, które znajdują się w takich warzywach jak kapusta, jarmuż, kalafior, brokuły, brukselka. Antyoksydanty to także selen, cynk i magnez. Do antyoksydantów należą również polifenole np. wywodzące się ze skrzypu polnego izokwercytyna, lipa, miłorząb japoński, herbata (głownie biała i zielona ale czarna też).

Nie bez znaczenia dla stanu równowagi jest przyjmowanie antyoksydantów egzogennych, pokarmowych. Udowodniono w badaniach epidemiologicznych, że w populacjach, w których w diecie występuje wapń i maja swój spory udział warzywa i owoce, to w tych populacjach rzadziej występują choroby nowotworowe i choroby układu sercowo – naczyniowego. Istotna jest zatem zawartość antyoksydantów w diecie, co wyjaśnia także paradoks francuski. Francuzi nie najlepiej się odżywiają, pala tytoń, a jednocześnie we Francji żyje się stosunkowo długo i zdrowo. Paradoks francuski wyjaśniono piciem czerwonego wina.

Antyoksydanty można przyjmować w postaci naturalnej, czyli owoce, warzywa, ale także dostępne są różnego rodzaju suplementy diety zawierające te składniki.

Ważnym źródłem przeciwutleniaczy jest dieta, która zawiera liczne związki wykazujące właściwości przeciwutleniaczy. Głównie są to witaminy antyoksydacyjne: wit. C, wit. E i karotenoidy.

Witamina C :

-udział w syntezie kolagenu

-neutralizacja wolnych rodników

-aktywacja białka p53 – indukcja procesu apoptozy

-regulacja ekspresji genów naprawy DNA

-ochrona ukł. sercowo-naczyniowego

-zapobieganie szkorbutowi

-działanie prooksydacyjne

-udział w tworzeniu związków genotoksycznych i uszkadzający DNA

-w nadmiarze może ograniczać skuteczność chemio- i radioterapii

-może przyspieszać miażdżycę tętnic i zwiększać ryzyko zawału serca oraz udaru mózgu

Niezgodne trio A vs C vs E. Trio ACE musi pozostawać w równowadze.

Nadmiar wit. A może powodować niedobory zarówno witaminy C jak i E. Osłabia także działanie i wzrasta toksyczność wit. D .Palący tytoń mają o 40% mniej wit. C. Bogate w wit. C są owoce kiwi. Ekstrat z owoców kiwi jest skuteczniejszy w ochronie DNA niż roztwór samej wit. C.

50.Priony –szczególna klasa cząstek infekcyjnych. Choroby prionowe

Wykład 18.05

• Badania przeprowadzone w latach 50. przez Daniela Carletona Gajduska już ujawniły, że istnieją choroby układu nerwowego przenoszone przez jakieś cząstki infekcyjne. Później okazało się, że są to te cząstki, które nazywamy prionami.

• W latach 80. poznano sekwencję białek prionowych oraz gen kodujący białko prionowe. W komórkach zwierząt cierpiących na chorobę scrapie, jedną z chorób prionowych, badacze wykryli cząstki wirusopodobne. Obecnie uważa się, że priony to wyjątkowe cząstki infekcyjne, gdyż są glikoproteinami, białkami. Zmiana konformacji białek czyni je cząsteczkami o innych właściwościach. Priony maja normalnie postać α-helisy, a zmienione w postać β-harmonijkową mają zupełnie inne właściwości i są czynnikami infekcyjnymi.

• Badania choroby kuru, która szerzyła się w plemieniu Fore na Papui - Nowej Gwinei, zainicjowane w latach 50. przez Daniela Carletona Gajduska, doprowadziły do odkrycia nowej klasy przewlekłych chorób, śmiertelnych infekcji układu nerwowego ludzi i zwierząt, uznanych obecnie chorobami prionowymi.

W 1976 Gajdusek za odkrycie chorób prionowych otrzymał Nagrodę Nobla. W 1997 Nagrodę Nobla otrzymał drugi badacz – Stanley Prusiner – za stworzenie białkowej koncepcji prionów.

• Choroby prionowe są też zwane encefalopatiami (encefalopatie – choroby zwyrodnieniowe mózgu).

• Czynniki infekcyjne zawierają kwasy nukleinowe – wiroidy; wirusy, kapsydy wypełnione kwasem nukleinowym. Czynniki infekcyjne kojarzą się z komórkami organizmów, wirusami czy wiroidami, ale nigdy za czynnik infekcyjny nie uważano białka, czystego białka, stąd też wiele kontrowersji wokół tego odkrycia. Obalono kolejny dogmat w biologii, że czynnik infekcyjny musi się powielać, a żeby się powielać musi mieć kwas nukleinowy.

• Dotychczas zidentyfikowano u ludzi 4 choroby prionowe.

Choroby prionowe:

• Choroba kuru była spowodowana przez kanibalizm rytualny. Mieszkańcy Papui Nowej Gwinei, plemię Fore, zjadali mózgi osób zmarłych, żeby ci zmarli pozostali żywymi. W ten sposób przenoszono czynnik infekcyjny i zakażano się. Odnotowano wiele przypadków tej choroby. Dziś jednak choroba już się nie szerzy, gdyż zaprzestano tam rytualnego kanibalizmu.

• W przypadku kuru i zespołu GSF początkowe osłabienie i drgawki przechodzą stopniowo w sztywnienie kończyn, ataksję, czyli brak koordynacji ruchowej aż do utraty zdolności chodzenia, stania i siadania. Towarzyszy temu chwiejność emocjonalna, prowadząca czasem do patologicznych wybuchów śmiechu, stąd wzięło się, zresztą nieszczęsne określenie choroby – śmiejąca się śmierć. Obserwuje się łagodne otępienie, rzadko jednak dochodzi do całkowitej demencji. W końcowym okresie wskutek dysfagii chory cierpi z głodu
  i pragnienia.

• Choroba CJD objawia się przede wszystkim gwałtownie postępującą demencją, później dopiero dochodzi do dysfunkcji motorycznej i wyniszczenia organizmu.

• Chorzy na śmiertelną rodzinną bezsenność (FFI) po okresie trudności w zasypianiu doświadczają całkowitej bezsenności i postępującego otępienia.

• We wszystkich przypadkach obserwuje się post mortem charakterystyczne zmiany histologiczne tkanki mózgowej: status spongiosus (zgąbczenie) oraz rozległy zanik neuronów istoty szarej będące wynikiem zaburzeń w formowaniu błon plazmatycznych neuronów, a także rozległej wakuolizacji neuronów, astrocytów i oligodendrocytów.

• Zmianom neuronów towarzyszy hipertrofia (przerost) odżywiających je komórek glejowych. W mózgu obserwuje się występowanie charakterystycznych płytek amyloidowych.

Różnicowanie ludzkich chorób prionowych:

*Choroby rodzinne

Mutacja genu PRNP w miejscach polimorficznych ( dziedziczna )

Powstaje polimoriczne PrP^C o zwiększonej podatności na zmiany konformacji

PrP^SC

GSC

FFI

CJD rodzinny

*Choroby sporadyczne

Mutacja somatyczna Niezmieniony gen

genu PRNP PRNP

powstaje PrP^C o Powstaje normalne

zwiększonej podatności PrP^C

na zmiany

konformacji

Losowa konwersja

Alfa-beta

PrP^SC

SJD sporadyczny

*Choroby nabyte

Gen PRNP

PrP^C

PrP^SC

CJD jatrogenny kuru

Ludzkie choroby odzwierzęce

Źródłami zakażeń okazały się:

- iniekcje hormonu wzrostu oraz gonadotropiny pochodzące z pobieranych ze zwłok ludzkich przysadek mózgowych, obecne, na szczęście, hormony te są produkowane przez bakterie, zawierające ludzkie geny

- operacje okulistyczne, najczęściej implantacje rogówki

- inplantacje do mózgów pacjentów leczonych neurologicznie np. epileptyków, elektrod z uprzednio stosowanych u pacjentów z CJD

- źle wysterylizowane narzędzia, także igły, zwłaszcza dokanałowe

- operacje neurologiczne, autopsje etc.: zakażają się ludzie oraz personel medyczny

- leczenie kanałów zębów – opisano zakażenie dentysty od pacjenta z CJD

- potencjalne ryzyko zakażenia podczas wszelkich transplantacji narządów, transfuzji krwi, operacji chirurgicznych, a nawet podczas tatuowania, czy też przekłuwania uszu

51. Właściwości białek prionowych i mechanizm ich replikowania

Mechanizm replikacji białek prionowych –wielką zagadką biologii jest sposób powstawania nowych prionów; proces replikacji (podwajania) cząsteczek białek nie jest biologii znany i trudno go sobie wyobrazić. Pewne dane wskazują, że białko będące prionem jest przekształconą formą białka kom., a nowe priony powstają w wyniku oddziaływania prionów już istniejących na 'zdrowe' cząsteczki białka w komórkach docelowych; pod wpływem prionów białka te miałyby przybierać postać prionów.

1,2,3 – synteza protein prionowych naturalnych, tworzenie kompleksów z białkami błony komórkowej. Aparat Golgiego służy do segregacji i opakowywania cząsteczek utworzonych protein oraz transportu w pęcherzykach Aparatu Golgiego w kierunku błony. Utworzone PrPc, czyli normalne priony są wbudowywane do plazmolemmy. Błona komórkowa ulega ciągłym zmianom, a składniki błony podlegają ciągłej wymianie. W naturalnym cyklu białka te są degradowane w lizosomach pod wpływem enzymów /4/. Gdy do organizmy dostaną się priony chorobotwórcze PrPsc wówczas na drodze endocytozy wnikają do wnętrza komórki. Niestety priony chorobotwórcze są odporne na proteazy lizosomalne, pozostają bez zmian lub ulegają tylko częściowej degradacji /5/. Z elementów prionowych chorobotwórczych w aparatach Golgiego syntetyzowane są patogenne białka prionowe, wbudowywane w błonę komórkową /5/. Ponadto białka prionowe niezmienione mogą być wbudowywane do błony w takiej postaci w jakiej zostały pobrane przez endocytozę. (TGN - pęcherzyki transportowe aparatu Golgiego).

Wykład 18.05

• Nie wywołujący choroby, naturalny produkt genu PRNP nazwano komórkowym białkiem prionowym (ang. cellular prion protein), w skrócie PrP^C. W odróżnieniu od niego formę infekcyjną prionu przyjęto oznaczać scrapie PrP, czyli PrP^SC. Białko PrP^C nie powoduje żadnych zmian patologicznych
  i w przeciwieństwie do PrP^SC jest dobrze rozpuszczalne i łatwo poddaje się działaniu proteaz. Czynnik scrapie (PrP^SC) natomiast jest odporny na działanie komórkowych enzymów proteolitycznych.

• Częściowe trawienie włókienek PrP^SC możliwe było dopiero po jego uprzedniej solubilizacji silnym detergentem, np. 0,5% SDS.

• Ekstrakty zdrowej tkanki mózgowej zawierają PrP^C, które nie agreguje w fibrylle białkowe. W ekstraktach tkanek zakażonych scrapie znaczna część PrP^SC występuje w postaci nierozpuszczalnych włókienek SAF. Silny detergent powoduje dysocjację SAF do polipeptydów 33-35 kd poddających się już proteolizie.

• Prusiner który dostał Nobla w 1997r. oczyścił czynnik scrapie, czyli to białko prionowe i oznaczył jego sekwencję aminokwasową. Białko prionowe ludzi jest sekwencjonowane. W związku z tym, można było skonstruować specjalne sondy molekularne które wprowadzono do komórek i dzięki temu zidentyfikowano geny kodujące białko prionowe i gen ten określono mianem PRNP. Po badaniu tego genu prionowego okazało się że ma długość 750 par zasad i występuje zawsze w postaci jednej kopii składa się z dwóch eksonów
  i jednego intronu.

• Gen PRNP stanowi składnik naszego genomu. Zlokalizowany jest w chromosomie 20 u ludzi (np. u myszy w chromosomie 2). Niezależnie czy osobnik jest zdrowy czy chory to zawsze ten gen funkcjonuje. Gen PRNP ulega ekspresji w tkance nerwowej, ale też w śledzionie, grasicy, jelitach, sercu i płucach. Gen PRNP koduje białko o masie cząsteczkowej 33-37 kD, zbudowane z 250 aminokwasów. To białko wykazuje różnorodną homologię występując u różnych organizmów, białko o podobnej sekwencji występuje również w komórkach drożdży i nazwano to białko ure2P.

• Nie udało się dotąd dokładnie opisać jaka jest rola biologiczna białka prionowego. Badano skutki niedoboru tego białka w organizmach transgenicznych. W badaniach przeprowadzonych przez Wajsmana stwierdzono, że u myszy pozbawionych genu PRNP ukazują się zaburzenia przewodzenia nerwowego wraz z objawami zaburzeń snu. Objawy te eliminowane są wprowadzeniem do tych transgenicznych organizmów ludzkiego genu PRNP. Czyli można stwierdzić, że białko prionowe może odgrywać istotną rolę w przewodnictwie nerwowym i funkcjonowaniu ośrodkowego układu nerwowego, gdyż kiedy wprowadzono białko prionowe do organizmów transgenicznych które były pozbawione tego białka, to objawy ustępowały.

• Gen kodujący białko prionowe nazwano PRNP a białko prawidłowe nazywa się PrP^C a białko patologiczne określa się PrP^SC . Białko PrP^C nie powoduje żadnych zmian patologicznych, jest dobrze rozpuszczalne i łatwo poddaje się działaniu proteaz, przeciwnie do białka chorobotwórczego. Białko zdrowe nie potrafi agregować, natomiast tkanki chore tam gdzie występuje białko PrP^SC mają agregaty, czyli płytki
  i włókienka amyloidowe.

• Białko zdrowe nie polimeryzuje, białko chore ma zdolność do polimeryzacji. Przyjmuje się, że zdolność do polimeryzacji może być wynikiem modyfikacji potranslacycjnej, np. to białko może podlegać glikozylacji, fosforylacji, cięciom proteolitycznym. Przede wszystkim za polimeryzację odpowiada zmieniona konformacja przestrzenna (z alfa heliakalnej na beta harmonijkową, zmienia się struktura II i III rzędowa). Białko alfa-helikalne jest prawidłowe, białko beta-harmonijkowe jest nieprawidłowe. Polimeryzacja następuje spontanicznie po tym jak w komórkach znajdą się takie białka chorobotwórcze.

• Zakłada się, że jeżeli w komórce znajdzie się białko patologiczne to wszystkie cząsteczki białka prawidłowego, które znajdują się w jego sąsiedztwie zaczynają odwzorowywać jego konformację przestrzenną. Jest to zjawisko autoodwzorowywania (samo odwzorowywania). Proces ten jest szybki, konwersja pierwszej cząsteczki PrP^SC powoduje efekt domina, czyli jedna cząsteczka odwzorowana powoduje, że dwie oddziałują na nowe itd.

• Obserwuje się też choroby prionowe sporadycznie pojawiające się i to prawdopodobnie jest wynik mutacji w genie PRNP która powoduje zmianę konformacji. Występują też choroby sporadycznie pojawiające się bez działania mutacji, czyli są też jakieś inne czynniki.

• Białko prionowe ma dosyć charakterystyczne cechy otóż zakłada się że struktura białka chorobotwórczego determinuje bardzo dużą odporność tego białka na czynniki fizykochemiczne, gdyż okazuje się, że nie można prionów niszczyć, nie ma takiego leku czy antybiotyku który by niszczyłby choroby prionowe. Zachowuje infekcyjność nawet po działaniu promieniowaniu UV. Prion jest też odporny na działanie form aldehydu. Nie można prionu zniszczyć!

77. Rola i metabolizm żelaza w organizmie

Żelazo może występować w postaci jonów Fe²⁺ i Fe³⁺ (może być zarówno dawcą i biorcą elektronów). Jest funkcjonalnym składnikiem enzymów (w tym cytochromów) i innych białek (hemoglobiny, mioglobiny) uczestniczących w kluczowych dla życia procesach: transport tlenu, synteza DNA, uzyskiwanie energii e komórce, specjalizacja i podziały komórkowe.

Poziom żelaza w organizmie jest regulowany poprzez kontrolę wchłaniania, a słabo jest monitorowane jego wydalanie (ekskrecja).

Niemal 90% żelaza pokarmowego wydalamy z organizmu w ogóle go nie przyswajając. Łatwo zatem o niedobory żelaza.

4-5g żelaza występuje w organizmie dorosłego człowieka:

• 65-75% w hemoglobinie

• Rezerwa Fe w mioglobinie, ferrytynie- 20%

• We krwi żelazo transportowane jest w białku nośnikowym osocza – transferrynie (2 jony Fe³⁺)- 30% transferryny jest wysycone żelazem w warunkach fizjologicznych.

• W 1 erytrocycie – 350 mln cząsteczek hemoglobiny, każda zawiera żelazo

• 0,5-1mg/24h- wchłaniamy w jelicie

• 0,5-1,5mg/24h- wydalamy z kałem, złuszczonym naskórkiem, moczem, krwią menstruacyjną

Fe występując zarówno w formie wolnej jak i związanej z hemem, czy protoporfirynami odgrywa zasadniczą rolę jako kofaktor enzymów transportujących elektrony w metabolizmie tlenowym, czy też białek transportujących tlen w ustroju. Szczególną własnością żelaza jest łatwość przechodzenia z jednego stanu utlenienia w drugi, co pozwala mu na sprawowanie funkcji katalitycznych w reakcjach oksydoredukcyjnych, gdzie działa jako donor lub akceptor elektronów. Duża część biologicznych funkcji żelaza w procesach przemian tlenowych i energetycznych opiera się właśnie na tej jego właściwości.
Poprzez swoją reaktywność i duży potencjał oksydacyjny żelazo może mieć negatywny wpływ na organizm poprzez katalizowanie reakcji tworzenia wolnych rodników Kontrolę nad niekorzystnymi przemianami biochemicznymi ułatwia związanie żelaza z proteinami oraz system enzymów unieczynniających wolne rodniki.

Jony żelaza uwięzione w białkowych klatkach np. transferyny i ferrytyny są nieczynne i tym samym bezpieczne. W organizmie obecne jest jednak także „wolne” aktywne żelazo. Jest ono niezbędne np. do syntezy enzymów, ale może też katalizować reakcję Fentona, w której powstaje niebezpieczny rodnik hydroksylowy (^*OH):

Fe²⁺+H₂O₂ Fe³⁺+ ^*OH + OH^-

Wytworzone z udziałem żelaza wolne rodniki tlenowe mogą uszkadzać składniki komórek, w tym DNA. Jest to przyczyną rozwoju chorób człowieka, jak cukrzyca, miażdżyca, choroba Parkinsona.

Metabolizm żelaza Kontrola ilości żelaza organizmie odbywa się w dwunastnicy. Tu komórki nabłonkowe, enterocyty biorą udział we wchłanianiu tych jonów z pokarmu. Enterocyty są komórkami spolaryzowanymi, oznacza to, że ich strona bazalna i apikalna różnią się od siebie składem białkowym błony. Strona szczytowa, apikalna, zwrócona do światła jelita jest wyspecjalizowana w transporcie jonów żelaza do komórki. Jest wiele mechanizmów tego transportu. Najlepiej poznany jest ten związany z DMT. Przenośnik metali dwuwartościowych ( Divalent Metal Transporter – DMT1) jest protonowym symporterem, przenoszącym kationy żelaza oraz inne dwuwartościowe metale ze światła jelita do wnętrza enterocytów. Niezbędna jest tutaj obecność białek pomocniczych, takich jak cytochromy b (duodenal cytochrome b – Dcytb), który redukuje zawarte w pokarmie żelazo. Przez podstawną część nabłonka odbywa się natomiast transport znajdującego się już w enterocytach żelaza do naczyń krwionośnych. Uczestniczy w tym ferroportyna i ułatwiająca przenikanie hefajstyna.

Wykład 13.04

• Utrzymywanie naszego organizmu w stanie homeostazy, dobrej kondycji fizycznej wymaga regularnego dostarczania komórkom naszego organizmu z zewnątrz różnych substancji, składników, których sami nie potrafimy wytworzyć, których nasze komórki nie potrafią syntetyzować, ale też i kwasów tłuszczowych, aminokwasów, witamin, ale i mikroelementów różnego typu, a wśród nich szczególne miejsce zajmuje żelazo.

• Żelazo zajmuje szczególne miejsce w układach biologicznych, dlatego że mogą one występować zarówno w postaci jonów żelazawych, jak i żelazowych i bardzo łatwo przechodzić z jednej postaci w drugą, może być dawcą lub biorcą elektronów i występując w postaci jonów Fe2+ i Fe3+ i przechodząc z jednej formy w drugą właśnie pełni swoje znaczące funkcje biologiczne. Może być dawcą, jak i biorcą elektronów właśnie dzięki temu metal ten jest niezbędnym elementem chociażby wielu enzymów czy też cytochromów, co powoduje, że w układach biologicznych pełni wyjątkową rolę. Hemoglobina i mioglobina w swoim składzie zawierają również aktywne jony żelaza.

• Żelazo odgrywa znaczącą rolę w wielu procesach życiowych, procesach biologicznych chociażby jako składnik hemoglobiny czy mioglobiny uczestniczy w dostarczaniu naszym tkankom tlenu, który później wykorzystywany jest w metabolizmie. Odgrywa rolę w kluczowych dla życia procesach biologicznych, takich jak transport tlenu, synteza DNA, pozyskiwanie energii w komórce, specjalizacja i podziały komórkowe. Bez jonów żelaza nie mógłby prawidłowo funkcjonować nasz układ nerwowy, komórki nerwowe, gdyż uczestniczą w tworzeniu osłonek mielinowych, wypustek protoplazmatycznych komórek nerwowych. Żelazo warunkuje prawidłowy wzrost i rozwój, zwiększa odporność na choroby, a jednocześnie uczestniczy
  w generowaniu energii niezbędnej do przeżycia komórek.

• Badania nad rolą biologiczną żelaza są intensywnie prowadzone. Z badań wynika, że poziom tego pierwiastka w naszym organizmie jest regulowany głównie przez kontrolę jego wchłaniania, natomiast słabo jest monitorowane wydalanie żelaza, właściwie nie podlega kontroli, dlatego też żelazo pokarmowe niemalże w całości tracimy, czyli w 90% jest usuwane z organizmu zanim jeszcze zostanie wchłonięte, przyswojone
  i wykorzystane.

13. Biochemiczne podstawy zaburzeń przemian glikogenu

Glikogen:

• Jest to ważny wielocukier, składający się wyłącznie z cząsteczek glukozy, zwany jest on także skrobią zwierzęcą.

•  Glikogen jest główną formą magazynowania cukrów u zwierząt i pod tym względem stanowi odpowiednik skrobi u roślin. Występuje głównie w wątrobie i w mięśniach. Z powodu znacznie większej masy mięśni glikogen mięśniowy stanowi pulę 3 - 4 razy większą niż glikogen wątrobowy.

• Glikogen wątrobowy magazynuje glukozę niezbędną do utrzymania stałego, fizjologicznego stężenia tego związku we krwi między posiłkami. Nie jest to zapas duży. Wystarczy przez kilkanaście godzin nie dostarczać cukru organizmowi w posiłkach, a wątroba stanie się niemal całkiem pozbawiona glikogenu.

Glikogenozy- zaburzenia przemian glikogenu:

• Klinicznie dość różnorodne zespoły,których wspólną cechą jest

mniej lub bardziej nasilona kumulacja glikogenu.

• Glikogen ten może mieć prawidłową lub zmienioną strukturę

i może gromadzić się w wielu tkankach lub tylko w niektórych narządach.

• Glikogenozy są dziedziczone autosomalnie recesywnie

(w przypadku glikogenozy VI a - dziedziczenie recesywne sprzężone

z chromosomem X)

Glikogenozy o różnym podłożu genetycznym mogą dawać podobne objawy kliniczne.

Z tego punktu widzenia wyróżnić można tzw.:

-typ wątrobowy

-typ mięśniowy

-typ przebiegający z marskością

Typ wątrobowy:

• Zalicza się tu glikogenozę Gierkego, Forbesa, Hersa, Huga

• Najczęsciej spotykanym zespołem jest choroba spowodowana brakiem glukozo -6- fosfatazy (choroba Gierkego)

• Występuje tu najgłębsze zaburzenie gospodarki węglowodanowej i energetycznej.

Typ mięśnowy:

• Zalicza się tu typ 2, 5, 7, jakkolwiek pewne uszkodzenia mięśni występują także w typach 3 i 4.

• Choroba charakteryzuje się przede wszystkim zaburzeniami w układzie mięśniowym.

• W typie 5 i 7 przyczyną jest wada enzymatyczna ograniczona do mięśni.

• Są to więc enzymopatie o charakterze miejscowym bez głębszych zaburzeń ogólnoustrojowej gospodarki energetycznej

Typ przebiegający z marskością:

• Glkogenoza typu 4 (ch. Andersena)

• Jej przyczyną jest wada enzymu wytwarzającego rozgałęzienia w strukturze cząsteczki glikogenu (wiązanie α-1,6-glikozydowe)

• Wada ta dotyczy wszystkich tkanek, ale objawy chorobowe wskazują przede wszystkim na uszkodzenie czynności wątroby

• Nie stwierdza się nadmiernego odkladania glkogenu, ma on jedna nieprawidłową budowę

Mała liczba rozgałęzień sprawia, ze cząsteczka glikogenu swoimi fizycznymi właściwościami przypomina amylopektynę

TYP O

Enzym o upośledzonej aktywności: syntaza glikogenu

Brak akumulacji glikogenu.

Typ I

• Choroba von Gierkego (glikogenoza typu Ia,)– najczęstsza z glikogenoz. Jest stosunkowo rzadką chorobą genetyczną, dziedziczoną w sposób autosomalny recesywny.

• Polega na braku glukozo-6-fosfatazy, enzymu niezbędnego w procesie glukoneogenezy.

Chorobę spichrzeniową glikogenu dzieli się na dwa typy

1. W GSD Ia, czyli właściwej chorobie von Gierkego, występuje niedobór glukozo-6-fosfatazy. Enzym ten uczestniczy w powstawaniu glukozy z glukozo-6-fosforanu, którego pulę z kolei zasilają procesy glukoneogenezy i glikogenolizy.

2. GSD Ib jest spowodowana brakiem translokazy glukozo-6-fosforanu. W wyniku tego niedoboru glukozo-6-fosforan nie może przedostać się do mikrosomów (w błonie mikrosomalnej znajduje się glukozo-6-fosfataza).

Typ II

• Choroba Pompego (glikogenoza typu II), polegająca na braku enzymu – α-glukozydazy (kwaśnej maltazy).

• Efektem tego jest zaburzenie spichrzania glikogenu w organizmie, przy czym nie występują znaczące zaburzenia metabolizmu węglowodanów i epizody hipoglikemii.

• Choroba Pompego (jako jedyna z glikogenoz) należy do grupy lizosomalnych chorób spichrzeniowych.

Typ III

• Choroba Coriego (choroba Forbesa; glikogenoza typu III; GSD III) – rzadka choroba genetyczna, dziedziczona w sposób autosomalny recesywny, spowodowana brakiem enzymu odszczepiającego glikogen (oligo-1,4:1,4-glukozotransferaza). Niedobór ten prowadzi do nadmiernego odkładania nieprawidłowego glikogenu w mięśniach, wątrobie a także w sercu.

Ze względu na rodzaj zajętego organu i demonstrowane objawy dzieli się chorobę Coriego na następujące typy:

• GSD IIIa – zajęcie mięśni i wątroby

• GSD IIIb – zajęcie tylko wątroby

• GSD IIIc i GSD IIId – rzadsze fenotypy

Typ IV

• Choroba Andersen, glikogenoza typu IV, amylopektynoza – rzadka choroba genetyczna, dziedziczona autosomalnie recesywnie, polegająca na zaburzeniu spichrzania glikogenu.

• Choroba jest spowodowana defektem enzymu rozgałęziającego glikogen. Powstaje glikogen o nienormalnie długich łańcuchach podobnych do tych jakie znajdują się w amylopektynie. Efektem tego jest nagromadzenie nieprawidłowego strukturalnie glikogenu w narządach, głównie w wątrobie i mięśniach (mimo na ogół prawidłowej jego zawartości w wątrobie).

Typ V

• Choroba McArdle'a, glikogenoza typu V, GSD V – rzadka choroba genetyczna, dziedziczona autosomalnie recesywnie, spowodowana niedoborem enzymu – mięśniowej fosforylazy glikogenowej. Polega na nadmiernym gromadzeniu glikogenu w mięśniach.

Typ VI

• Choroba Hersa, glikogenoza typu VI, GSD VI – rzadka choroba genetyczna, dziedziczona w sposób autosomalny recesywny spowodowana brakiem fosforylazy glikogenowej (wątrobowej). Niedobór ten prowadzi do nadmiernego odkładania glikogenu w wątrobie (przy prawidłowej strukturze narządu).

• Podstawą rozpoznania choroby Hersa jest stwierdzenie niedoboru fosforylazy glikogenowej w leukocytach izolowanych z krwi obwodowej. Biopsja wątroby jest wskazana tylko w przypadkach wątpliwych diagnostycznie.

Typ VII

• Choroba Taruiego (glikogenoza typu VII; GSD VII) – rzadka choroba genetyczna, dziedziczona w sposób autosomalny recesywny, polegająca na braku enzymu – fosfofruktokinazy (PFK) w mięśniach i krwinkach czerwonych. Efektem jest nadmierne gromadzenie glikogenu (o prawidłowej budowie) w wyżej wymienionych narządach.

Typ VIII

Enzym o upośledzonej aktywności: kinaza fosforylazy wątroby

Kumulacja glikogenu: wątroba

Typ IX

Enzym o upośledzonej aktywności: kinaza fosforylazy B

Kumulacja glikogenu: wątroba, erytrocyty, mięśni

18.Rola biologiczna i metabolizm cholesterolu. Rola wątroby w wydalaniu cholesterolu

Cholesterol:

• występuje w tkankach oraz w lipoproteinach osocza jako wolny cholesterol albo w połączeniu z kwasami tłuszczowymi o długim łańcuchu węglowym jako estry cholesterolu

• syntetyzowany w wielu tkankach z acetylo-Co A
  i ostatecznie wydalany z organizmu z żółcią jako cholesterol lub sole kwasów żółciowych.

• prekursor wszystkich innych steroidów w organizmie, takich jak: kortykosteroidy, hormony płciowe, kwasy żółciowe
  i witamina D

• typowy produkt metabolizmu zwierzęcego, a więc znajduje się w pokarmach pochodzenia zwierzęcego, takich jak: żółtko jaja, mięso, wątroba i mózg

Znaczenie biomedyczne:

• Cholesterol to amfipatyczny lipid będący istotnym strukturalnym składnikiem błon oraz zewnętrznej warstwy lipoprotein osocza. Ponadto lipoproteiny transportują wolny cholesterol w krążącej krwi, gdzie wymienia się on, na zasadzie równowagi, z cholesterolem innych lipoprotein i błon.

• Cholesterol zestryfikowany jest postacią zapasową cholesterolu znajdującego się w większości tkanek. Jest on transportowany jako „cargo" w rdzeniu Iipoprotein osocza.

• LDL jest pośrednikiem w przenoszeniu cholesterolu i estrów cholesterolu do wielu tkanek.

• Wolny cholesterol jest usuwany z tkanek przez HDL i transportowany do wątroby, gdzie jest przekształcany w kwasy żółciowe.

Cholesterol jest głównym składnikiem kamieni żółciowych. Jednakże najważniejsza jego rola w procesach patologicznych polega na uczestniczeniu w powstawaniu miażdżycy i życiowo ważnych tętnic, stając się przyczyną chorób naczyń mózgowych, tętnic wieńcowych i naczyń obwodowych. Nasilenie miażdżycy naczyń wieńcowych wykazuje dodatnią korelację ze stosunkiem stężenia cholesterolu LDL do cholesterolu HDL

Pochodzenie cholesterolu:

• Około połowa cholesterolu organizmu człowieka pochodzi z syntezy (ok. 500 mg/24 h), pozostała zaś ilość jest dostarczana z pokarmem.

• Około 50% syntetyzowanego cholesterolu pochodzi
  z wątroby, 15% z jelit, zaś znaczna część pozostałej ilości syntetyzowanego w organizmie cholesterolu pochodzi ze skóry.

• Praktycznie wszystkie tkanki zawierające komórki jądrzaste są zdolne do syntetyzowania cholesterolu. Za syntezę jest odpowiedzialna zarówno frakcja mikrosomalna (siateczka śród-plazmatyczna), jak
  i frakcja cytozolowa komórki.

Etapy biosyntezy cholesterolu:

1. Synteza mewalonianu, 6-węglowego związku powstającego z acetylo-CoA.

2. Wytworzenie jednostki izoprenoidowej z mewalonianu przez utratę CO₂.

3. Kondensacja 6 jednostek izoprenoidowych produkt pośredni - skwalen.

4. Cyklizacja skwalenu macierzysty steroid - lanosterol.

5. Powstanie cholesterolu z lanosterolu w wyniku kilku dalszych reakcji związanych z utratą 3 grup metylowych.

Wydalanie cholesterolu:

• Cholesterol, przeznaczony do wydalenia z organizmu, musi wejść do wątroby i być wydalony z żółcią albo jako cholesterol, albo jako kwasy żółciowe (ich sole).

• W ciągu jednego dnia z organizmu wydala się ok. 1 g cholesterolu. Prawie połowa, po przekształceniu w kwasy żółciowe, wydala się z kałem. Pozostała ilość jest wydalana w postaci obojętnych steroidów. Znaczna część cholesterolu wydalana z żółcią ponownie wchłania się w jelitach.

• Koprostanol jest głównym sterolem w kale. Jest on wytwarzany
  z cholesterolu w dolnych odcinkach jelita pod wpływem działania miejscowej flory bakteryjnej.

• Duża część wydalanych z żółcią soli kwasów żółciowych jest reabsorbowana do krążenia wrotnego, a następnie wychwytywana przez wątrobę i ponownie wydalana z żółcią. Zjawisko to jest znane jako krążenie jelitowo-wątrobowe.

• Sole kwasów żółciowych lub ich pochodne, które nie zostały wchłonięte
  w jelitach, są wydalane z kałem. Sole kwasów żółciowych ulegają przemianom pod wpływem bakterii jelitowych, tworząc wtórne kwasy żółciowe.

• W hepatocytach na homeostazę cholesterolu oddziaływają:

• - receptory apoB/E i apoE

• - aktywność reduktazy 2-hydroksy-2-metylo-glutarylo-CoA

• - acylotransferaza acyloCoA:cholesterol

• - 7 – alfa – hydroksylaza cholesterolu

21. Udział wątroby w regulacji gospodarki energetycznej organizmu

Wątroba bierze udział w metabolizmie trzech podstawowych składników pożywienia:

• Węglowodanów

• Białek

• Tłuszczów

Narządy i tkanka łączna oraz tkanka kostna nie maja możliwości gromadzenia magazynowania materiału energetycznego

Tylko wątroba i podskórna tkanka tłuszczowa mają zdolność naprzemiennego wychwytywania lub uwalniania do krwi materiału energetycznego

Rola wątroby w regulacji gospodarki węglowodanowej:

• Po wchłonięciu z przewodu pokarmowego cukry proste przedostają się do krwi żylnej i wraz z nią do wątroby. Jest to największy narząd układu trawiennego człowieka o kluczowym znaczeniu dla życia. Praktycznie cała krew płynąca z przewodu pokarmowego, która jest bogata w substancje odżywcze jak i związki toksyczne przechodzi przez wątrobę, a naczynie krwionośne które ją tam dostarcza nazywa się żyłą wrotną.

Czynności wątroby i tkanki tłuszczowej wzajemnie się uzupełniają. Są one ściśle regulowane przez układ hormonalny. W okresie resorpcyjnym wątroba wychwytuje i magazynuje znaczną część wchłoniętej glukozy i prawie w całości inne monosacharydy. Tkanka tłuszczowa wychwytuje nadmiar glukozy, którego nie zatrzymała wątroba i nie przyswoiły inne tkanki. W komórkach tkanki tłuszczowej glukoza jest zamieniana w triglicerydy i w tej formie magazynowana

W okresie poresorpcyjnym wątroba upłynnia zmagazynowany glikogen a także syntetyzuje glukozę de novo z elementów niewęglowodanowych. Zapewnia to stały dowóz glukozy głównie do tkanki nerwowej i komórek krwi.

Wątroba jest więc głównym narządem, który magazynuje glukozę gdy w nadmiarze dostarczamy ją do organizmu i potrafi ją oddać gdy wzrasta na nią zapotrzebowanie. W ten sposób przyczynia się do utrzymania jej prawidłowego poziomu we krwi

Tylko wątroba ma zdolność do przejściowego magazynowania lub oddawania wolnej glukozy do krwiobiegu!!!

Rozkładając zapasy glikogenu wątroba może wytwarzać glukozę w celu dostarczenia jej do krwi,

Wątroba jest miejscem glukoneogenezy

Głównymi prekursorami glukoneogenezy w wątrobie są mleczan i alanina pochodzące z mięśni, glicerol z tkanki tłuszczowej oraz aminokwasy glukogenne pochodzące z przyjętego pokarmu.

Regulacja glikolizy:

• Najważniejszym punktem kontroli glikolizy jest aktywność fosfofruktokinazy.

• W wątrobie najważniejszym regulatorem aktywności fosfofruktokinazy jest fruktozo-2,6-bifosforan (F-2,6-BP)

• niskie stężenia glukozy we krwi hamowanie kinazy wytwarzającej F-2,6-BP F-2,6-BP zahamowanie aktywności fosfofruktokinazy spowolnienie glikolizy uwalnianie glukozy do krwi

Regulacja glukoneogenezy:

• Kiedy glukozy jest w nadmiarze, duże stężenie F-2,6-BP hamuje glukoneogenezę i aktywuje glikolizę.

Metabolizm tłuszczów:

Jeśli w organizmie jest nadmiar substratów energetycznych, to kwasy tłuszczowe ulegają estryfikacji i przechodzą do krwi w postaci VLDL.

W warunkach głodu wątroba przekształca kwasy tłuszczowe w ciała ketonowe.

Los kwasów tłuszczowych zależy od możliwości wejścia kwasów tłuszczowych do matriks mitochondrialnej. Kwasy tłuszczowe przenikają przez wewnętrzną błonę mitochondrialną tylko wtedy, gdy są zestryfikowane karnityną. Acylotransferaza karnitynowa I (karnitynopalmitoilowa transferaza I), która katalizuje tworzenie się acylokarnityny jest hamowana przez malonylo-CoA, kluczowy intermediat w syntezie kwasów tłuszczowych.

-Niskie stężenie malonylo-CoA

kwasy tłuszczowe uwolnione z tkanki tłuszczowej przechodzą do matriks mitochondrialnej, gdzie ulegają przemianie w ciała ketonowe

-Nadmiar malonylo-CoA w komórce

• kw. Tłuszczowe o długich łańcuchach nie mogą wnikać do matriks mitochondrialnej

• nie zachodzi beta-oksydacja i nie powstają ciała ketonowe

• kwasy tłuszczowe transportowane do tkanki tłuszczowej, gdzie przekształcają się w triacyloglicerole