Sejtanyagcsere, metabolikus stresszválasz és s szabadgyökök Ökrös Ilona B-A-Z Megyei Kórház és Egyetemi Oktató Kórház Miskolc Központi Aneszteziológiai és Intenzív Terápiás Osztály
Az A alkoholizmus, fiziológi giás s sejtműködés mint probléma Feltételei: - ép sejtmorfológia, subcellularis szinten is - ép sejtfunkció - energetikai sufficiencia - szubsztrát táplálás - oxigén szöveti oxigenizáció A sejt fiziológiás működésének alapja az oxidatív foszforiláció A szervezetet ért külső behatás minden szinten megváltoztatja a fiziológiás sejtfunkció feltételeit.
A tápanyagok t bejutása a sejtbe (glukóz) - a glukóz kismolekulájú anyag ( C 6 H 12 O 6 ) - a transzmembrán transzport formái glukóz-transzporterek (Glut-1-4) - inzulin-dependens - inzulin-independens transzport (facilitált diffúzió) Mindkét forma a G-proteinhez (GTP-függő transzmembrán-fehérje) kötötten
Glukóz-transzporterek
Az aerob glikolízis lépései I. szakasz: glikolízis, cytosolban 2 ATP II. szakasz: III. szakasz: citromsav-ciklus, citrátkör, Krebs- Szentgyörgyi ciklus - cytosol, vacuolák 2 ATP terminális oxidáció - mitochondrium külső és belső felszíne I-II. szakasz mérlege: 4 ATP + 24 H + 6 CO 2 III. szakasz mérlege: 34 ATP + víz
A széndhidr ndhidrát-metabolizmus lépései
Glikolízis és s a pentóz-foszf foszfát ciklus ATP hexokinase ADP Glukóz G-6-P pentóz NADP + F-6-P foszfát ciklus ATP fruktokinase ADP F-1,6-diP dihydroxiaceton-p Gliceraldehid-3-P NAD + NADH 1,3-bifoszfát ADP ATP 3-PG 2-PG H2 O NADPH glutathion ADP PEP piruvát kináz CO 2 NADH NAD + ATP piruvát laktát
A citrátk tkör kapcsolódásai sai glukóz aminosavak zsírsavak (hexózok) glukóz aminosavak malát oxálacetát piruvát NADH acetil-coa citrát izocitrát zsírsavak fumarát CO 2 FADH 2 FAD szukcinát α-ketoglutarát aminosavak aminosavak szukcinil-coa CO 2 porfirin
A citrátk tkör gócpontjai Acetil-CoA: piruvát (aminosavak, glukóz) zsírsavak közös belépési pontja α-ketoglutarát: egyes aminosavak be- és kilépése Oxálecetsav: glukóz egyes, glukoplasztikus aminosavak belépése
Az aerob glikolízis lépései I. szakasz: glikolízis, cytosolban II. szakasz: citromsav-ciklus, citrátkör, Krebs- Szentgyörgyi ciklus - cytosol, vacuolák III. szakasz: terminális oxidáció - mitochondrium külső és belső felszíne I-II. szakasz mérlege: 4 ATP + 24 H + 6 CO 2 III. szakasz mérlege: 34 ATP + víz
Terminális oxidáci ció Lényege: - a H vízzé való oxidálása, O 2 segítségével - energiatermelés (oxidatív foszforiláció) Szükséges: -a NAD + - NADH rendszer (H-szállítás) -Fe 2+ -Fe 3+ rendszer (elektron-transzport) - egyéb coenzim-rendszer - citochrom-abc (elektron transzport) - oxigén Energiatermelés a terminális oxidációban: 34 ATP (és víz)
A fiziológiás anyagcsere - az energetikai szufficiencia - központi szabályozó folyamata az oxido-redukciós rendszer
A biokémiai reakciók k lényege l az oxidáci ció/redukció oxidált forma redukált forma NAD + +e -e NADH NADP + +e NADPH -e FAD + +e FADH -e
A citrátk tkör kapcsolódásai sai glukóz aminosavak zsírsavak (hexózok) glukóz aminosavak malát oxálacetát piruvát NADH acetil-coa citrát izocitrát zsírsavak fumarát CO 2 FADH 2 FAD szukcinát α-ketoglutarát aminosavak aminosavak szukcinil-coa CO 2 porfirin
Az oxido-redukci redukciós (redox)) rendszer feladata - a tápanyagok lebontása és a terminális oxidáció biztosítása - a fiziológiásan képződő szabad gyökök eliminálása (H 2 O 2, O 3+ ) - a posztagressziós szindróma által (citokinek) generált szabad gyökök eliminálása A központi reguláló rendszer a glutathion
Glutathion-képz pzés
A glutathion reguláló szerepe H 2 O 2-2GSH NADP + glutathion glutathion peroxidáz reduktáz 2H 2 O GSSG NADPH sejtdestrukció citrátkör
A zsírok metabolizmusa Zsírok felvétele - triglicerid - cholesterin - foszfolipidek formájában
Trigliceridek glicerin máj, glukóz zsírsavak FFA, energia
Zsírok, zsírsavak Zsírok formái, zsírsavak szerint LCT: 24-32 C-atom MCT: 12-24 C-atom SCT: 8-10 C-atom Transzmembrán transzport hosszú szénláncú zsírsav - carnitin, mint transzmembrán fehérje közepes, rövid C-lánc - carnitin nem szükséges
A zsírok energiatermelése 1. Glicerin: csak glukózon keresztül képződik energia 2. Zsírsav: bontás ß-oxidáción át 2 C-atomonként: 2 ATP 2 H terminális oxidációban 3 ATP (pl.: 16 C-atomos LCT zsírsavaiból: ß-oxidációban 16 ATP x3 48 ATP terminális oxidációban 24 ATP x3 72 ATP összesen: 120 ATP) Tehát: ß-oxidációban energia termelődik, CO 2 felszabadulás nincs, de telítődik a H-transzport-rendszer
Az aminosavak metabolizmusa Az aminosavak cukrok + NH 3! egyes aminosavakat egyes sejtek direkt energiaforrásként használnak glutamin - bélhámsejtek izom-májsejtek immunsejtek arginin - limfociták több aminosavból a máj glukózt képez (glukoplasztikus aminosavak - alanin) más részük fehérjék alapanyaga Az exogen fehérjék aminosavak sorsa: -építőanyag vagy energia
Posztagressziós s szindróma, stressz hatása a sejt energetikai folyamataira Tételezzük fel: - szöveti oxigenizáció rendben - sejtmorfológia ép a patofiziológiai folyamatok már energetikai inszufficienciát okoznak!
Az energetikai folyamatokat befolyásol soló tényezők 1. Katekolaminok (stresszreakció) 2. TNF-α csökkenti az inzulin receptor gén-expresszióját 3. Szabadgyökök - lefoglalják a redox-rendszert 4. Steroidok, GH, glukagon
A katekolaminok támadáspontja többes... A katekolaminok, mint biogén aminok - a sejtmembrán külső felszínéhez kötődnek - rövid életidejűek - vízoldékonyak a tömeghatás elve szerint megváltoztatják a membránreceptorok egyensúlyát fokozott energiatermelés fokozott intracellularis fehérje-destrukció - protein-tirozin-kináz - enzim aktiválás
Membránreceptorok és ligandok G-proteinhez kapcsolt receptorok Inzulin Peptidek, neurotranszmitterek Növekedési Prosztaglandinok faktorok Gyors ioncsatornák Neurotranszmitterek és aminosavak Sejtmembrán Protein tirozin kináz Másodlagos messengerek (pl. camp) Proteinkinázok Ionok Ca + -és Na +- flux Fehérjelebontás Energiatermelés
A membrán n hatások eredője tehát Nincs redox kapacitás a G-protein működéséhez extracellularis hyperglycaemia intracellularis hypoglycaemia (szubsztrát-hiány) - inzulin rezisztencia = antiinzularis hormonstátusz az extracellularis hyperglycemia ellenére a sejtek éheznek
A sejtanyagcsere változv ltozása - nevezéktan Ma úgy gondoljuk, hogy a külső behatások biokémiai lényege a sejt oxido-redukciós folyamatainak zavara oxidatív stressz metabolikus stressz metabolic injury posztagressziós anyagcsereválasz lényege: katabolizmus, hypermetabolizmus
A hyperglycaemia A posztagressziós állapot első metabolikus jele a hyperglikémia. Oka nemcsak a membrán-hatás, hanem csökken a GLUT-4 gén-expressziója is. Kóros és káros - hyperosmolaritás - csökken a membrán fluiditása - a sejt hyperpolarizált (Ca-flux) - osmoticus transzport - folyadék-elektrolit imbalance A sejtmembrán morfológiai és működésbeli változása pl. a PMN leukocyták funkciója gátolt
A sejt energiaforrása glukóz-hi hiány esetén 1. Intracellularis proteolysis aminosavak - intracellularisan közvetlen energiaforrás (glutamin) -megnő a szérum aminosav-szint (glutamin) - a májban a glukoplasztikus aminosavakból glukóz képződik
A sejt energiaforrása glukóz-hi hiány esetén 2. Zsírsavak - az intracellularis zsírsav készlet kevés - a zsír mobilizálása a zsírsejtekből 24-36 órát vesz igénybe - az intracellularis hasznosodás nem teljes telítődik a redox-rendszer -a H + -ion acidifikálja a citoplazmát - ha nincs terminális oxidáció, leáll a rendszer
Mi a teendő? 1. Glukóz - a katekolaminaemiát csökkenteni (pl.: fájdalomcsillapítás) - a SIRS többi tünetét is csökkenteni - inzulin, vagy inzulin + glukóz Van der Berghe - intenzifikált i.v. inzulin bevitel ( 71 E/nap) - a szérum glukóz 6 mmol/l körüli legyen - csökken az infekciók száma - javul a túlélés - a kórképenkénti mortalitás 3-4 %-al csökken ((Intensive Insulin Therapy in Critically III patients NEJM (2001) 345:1359-67.))
Mi a teendő? 2. Aminosav - adjunk - tudomásul kell venni, hogy a sejtek aminosavat energiaforrásként használnak - a glutamin jó energiaforrás, és a glutation működéséhez is szükséges 3. Zsír - adjunk - nem kontraindikált, de a sejtek csak a szabad zsírsavat hasznosítják (máj?)
Amennyiben nem megy a dolog... a sejtmembrán károsodik a lipoprotein-lipid váz töredezik az arachidonsav metabolizmus végtermékei (PG-k, TxA 2 ) további károsodásokat okoznak IC nátrium és kálcium akkumuláció, sejtduzzadás a citosol rigiddé válik, a vízváz összeomlik MMD (mitochondrium membran disease) sejtnecrosis
a legújabb gondolat Bár leáll a légzési lánc, a sejt alvó/hibernált állapotba kerül A következő időszak kérdése lesz: - lehet-e befolyásolni az anyagcserét exogén hormon szubsztitúcióval? (Singer, Lancet 2005.)
Az oxidatív v stressz A redox rendszer nem tudja a fiziológiás vagy excesszív mennyiségű szabad gyököt eliminálni - reaktív oxigén species (ROS) (fiz. 2%) - reaktív nitrogen (RNS) - reaktív vas (RIS) (egészségesben ritka)
A szabad gyökök Fiziológiásan is nagy tömegben képződnek, az oxigén metabolizmusa, ill. az anyagcsere során Mire kell nekünk az oxigén? - a proton eliminálására - a hidrogén anyagcseréje proton és elektron formájában zajlik - a mitoch-ba a H protonja és elektronja külön-külön lép be - a protonok direkt úton, protonpumpa segítségével - az elektronokat előbb a flavonoidok, majd az ubiquinon, citochrom, és a Fe 2+ -Fe 3+ rendszer transzportálja az energia az elektron-transzport során képződik - 34 ATP (és víz) a H + felesleges, azt eliminálni kell - ha nem megy, a H + cc. nő, ph csökken acidosis
ROS - igen reaktív OH O 2 - a legveszélyesebb - direkte oxidálja a zsírokat, a fehérjéket, a DNS-t - fagocitáló sejtek membránjában megtalálható (így persze a baktériumokra is a leghatékonyabb) - superoxid anion - gyenge oxidáns, de NO - al peroxinitit keletkezik - (membrán lipid-peroxidációja) H 2 O 2 - gyenge, de ha fémion van a közelben, OH - képződik
RNS - reaktiv nitrogen species N 2 O, NO, NO 2 NO: nitrogen-oxid-synthetase (NOS) segítségével cnos - constitutive inos - induceble képződés argininből rövid életű, nem erős oxidáns
A szabad gyökök Elhelyezkedés: i.c. és e.c. Ne feledjük: - a szabad gyökök nem feltétlenül kártékonyak! szabályozó szerep NO fiziológiás sejtpusztulás külső hatások elhárítása bakterial - killing - és hát persze az öregedésben is szerepük van
Hypoxia és hyperoxia A hypoxiáról többet/sokat tudunk, a hyperoxiáról keveset Hypoxiában nincs H + -elimináció! (acidosis) A sejt hypoxia okai: 1. a szöveti oxigénellátás zavara (hypoxaemiás hypoxia) 2. a sejtek oxigénfelvevő képessége zavart (cytopathiás hypoxia) 3. Oxigén van, felhasználás nincs dysoxia (MMD) Minden esetben sejtduzzadás, oxidatív stressz, sejtnecrosis
Hypoxia és hyperoxia Ischaemia/reperfúzió: - hypoxiát követő reperfúzió - legalább annyira veszélyes OXIDATÍV STRESSZ
Hyperoxia Az oxigénr nről l keveset tudunk bár r tudjuk, hogy aktív-,, sőt s agresszív v elem (3 szabad töltt ltése van, állandóan elektront akar felvenni ) - a szabad gyökök k képzk pződése fokozott oxidatív v stressz Barth,, CCM, 2008: meddig jój az oxigén, és s mikortól l káros? k - intenzíves betegeken ma már m r ritka a szöveti hypoxia 100% oxigén n folyamatosan rontja a túléléstt levegő folyamatosan - jobb a túlélést 100% oxigén n 3 napig, majd levegő legjobb túlélést (50% felett már m rossz a tüdőnek) t
Excesszív ROS terhelés s okai tehát posztagressziós állapotban - ischaemia/reperfusio - aktivált immunsejtek által termelt ROS (PMN-leukocyták, macrophagok) - lélegeztetés - magas FiO2 fokozza - önmagában is ciklikus sejtnyújtás (növekszik a mitochondrium - stressz) - vas-mobilizáció (kritikusan súlyos állapotban mindig!)
Intracellularis történések Az egyik legfontosabb kutatási irány: az i.c. redox státusz változásainak hatása a gén - expresszióra a ROS aktivál egyes transcriptios faktorokat -NF-κB, AP-1 (activated protein-1 transcriptios faktor) NF- κb az endotel-sejtekben gyulladásos reakcióra aktiválódó gyorsválasz transcriptor végeredmény: endothel-dysfunctio (ICM:2007:33:364-367)
Egyéb, oxidatív v stresszt generáló tényezők kritikusan súlyos s állapotban - hyperglycaemia a glukóz toxikus molekula! - csökkenti az enzimatikus antioxidánsokat - generálja a ROS-szintézist - csökken a non-enzimatikus antioxidánsok szintje, és hetekig alacsony marad, még a stressz után is!! - C, E vitamin, glutathion
Antioxidánsok nsok Felosztás, az ismert teljesség igénye nélkül: - i.c., membrán, e.c. - konstitucionális, indukálható - emzimatikus és nem-enzimatikus - primer és szekunder Sőt - el kell különíteni a pro-oxidánsokat az antioxidánsoktól!
Mi törtt rténik oxidatív v stressz esetén - a sejtben? 1. Bekapcsolnak az enzimatikus antioxidánsok - citochrom oxydase-ok - szuperoxid-dizmutázok (SOD - metallo-proteinek) nagytömegű, fontos, minden aerob szövetben Cu-Zn - SOD Mn - SOD a citoplazmában O 2 *+ O 2 *+ H + H 2 O 2 + O 2 a mitochondriumban A legjobb enzim, mely véd az oxidatív stressztől, és melynek működéséhez a C és E vitamin kell
A glutathion reguláló szerepe H 2 O 2-2GSH NADP + glutathion glutathion peroxidáz reduktáz 2H 2 O GSSG NADPH sejtdestrukció citrátkör
Mi törtt rténik oxidatív v stressz esetén - a sejtben? - katalázok máj, vese, vér alakos elemeiben nagytömegben 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 - peroxidázok 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 vvt, thr, PMN-leukocyta peroxidase többféle van, fontos a glutation-peroxidáz! Selenium!
Mi törtt rténik oxidatív v stressz esetén 2. Bekapcsolnak a nem-enzimatikus antioxidánsok - albumin, bilirubin -A-vitamin - ubikinon, uratok
Szabad gyökök és klinikum ami nagyon valószínű: - az ischaemiás prekondicionálás lényege, hogy antioxidánst állít elő a sejt Szepszisben - alacsony az E-vitamin, a szelén-szint, a lipidperoxidáció fokozott jeleivel - szeptikus sokkban a glutathion szint gyorsan csökken, ill. alacsony a GSH-szint (Huet et al CCM 2007) - a glutathion szintjét a glutamin határozza meg (Flaering ICM: 2005: 31:1072) - a glutathion-szintézishez selenium és glutamin fontos
Antioxidánsok nsok adjuk vagy ne adjuk? Annak ellenére, hogy elhunytakban az antioxidánsok szintje alacsony, nincs egyértelmű válasz a glutamin morbiditást/mortalitást csökkentő hatásában több mint valószínű, hogy szerepet játszik a glutathionképzés elősegítése az albumin bár fontos antioxidáns - ilyen irányú szerepe szepszisben vitatott és nem bizonyított a selenium adására növekszik az evidencia SIC study 2007. (Angstwurm et al.) - a 28 napos mortalitás 10,3%-al csökken, ns. (CCM,2004. 32:755-9) - egy jelenleg folyó multicentrikus vizsgálat 2010-ben fog lezárulni, az interim analízis biztató
Antioxidánsok nsok adjuk vagy ne adjuk? vitaminok : egyelőre nincs evidencia arra, hogy i.c. is hatnak (Motoyama CCM 2003: 31:1048-1052) (Laplace ICM 2005: 31:1174-1180) - valószínűleg a multimodalis megközelítés fog beválni keverékek alkalmazásával javul a mortalitás, ns. ( Heyland, 2007. jan. ) szabadgyök-csapdák - C-vitamin, mannisol - klinikai javulást nem hoztak, feltehetően csak EC hatnak.
Mit tehetünk az oxidatív v stressz, a katabolizmus csökkent kkentése érdekében? 1. Az alapfolyamat, katekolaminaemia mérséklése - szedáció - fájdalomcsillapítás -műtét - sokktalanítás stb. 2. Szöveti oxigenizáció biztosítása - volumen - keringés - oxigén 3. Szubsztrát biztosítása inzulin-normoglycaemia