Vybrané mechanizmy signálních regulací buňky Prof. Ing. Oľga Križanová, DrSc. Signální molekuly jsou nízkomolekulové látky, plyny, alebo ionty, které jsou schopny přenášet signál v rámci jedné buňky, ale také mezi buňkami. Jsou potřebné pro koordinaci buněčných odpovědí. Zpravidla mohou působit jako ligandy a vázat se na buněčné receptory. plynné transmitery ionty hormony neurotransmitery Membránové receptory Membránové receptory jsou transmembránové struktury, které po navázání signální molekuly jsou schopné přenést signál dovnitř buňky. Plynné transmitery (Gazotransmitery) Oxid dusnatý – NO, Sirovodík – H2S, Oxid uhelnatý – CO Základní vlastnosti plynných transmiterů: je to malá molekula plynu volně přechází přes membránu, proto nepotřebuje svoje receptory. Může působit endokrinně, parakrinně a autokrinně. je endogenně generovaný pomocí specifických enzymů a jeho produkce je regulovaná. má přesně definované a specifické funkce ve fyziologicky-relevantních koncentracích. To znamená, že ovlivnění endogenních hladin vyvolá specifické fyziologické změny. funkce tohoto endogenně produkovaného plynu může být mimikována aplikováním plynu z exogenních zdrojů. buňkové efekty plynu mohou, ale nemusí být mediovány jinými posly, ale měly by mít specifické buňkové a molekulární cíle. Plynné transmitery (Gazotransmitery) OXID DUSNATÝ OXID DUSNATÝ rozšiřuje průsvit cévy relaxovaním hladkých svalů v cévní stěně zabraňuje vzniku nedostatku kyslíku v plicích příznivě ovlivňuje kardiovaskulární systém optimalizuje procesy přenosu signálů v nervovém systému pozitivně ovlivňuje hladinu inzulínu zabraňuje vzniku křečí svalu dělohy a zamezuje tak předčasnému porodu zúčastňuje se imunity organizmu vychytávač volných radikálů zpomaluje alergické reakce Zdroje NO v potravě:- Listová zelenina, např. špenát, rukola, ale také červená řepa – mají kardioprotektivní účinky. Nitroglycerín a amylnitrit působí jako vazodilatátory, protože v organizmu se rozkládají na NO. Sildenafil citrát (Viagra), stimuluje erekci primárně zvýšením signalizace přes NO signální dráhu – inhibuje cGMP-závislou PDE5. Vlastnosti NOS • Rozpustné, lokalizované v cytosole • Vyžadují 5 kofaktorov - flavin adenindinukleotid (FAD), flavin mononukleotid (FMN), hém, tetrahydrobiopterin (BH4) a kalmodulin. • Jejich geny jsou lokalizovány na různých chromozomech – NOS1 – chr.12, NOS2 – chr.17, NOS3 – chr.7 • V roce 1996 byla popsána i čtvrtá forma NOS – mitochondriální (mtNOS) Patofyziologie v důsledku nadprodukce NO  Vysoké koncentrace NO působí také prokonvulzivně a vyvolávají migrenozní bolesti.  Oxid dusnatý produkovaný ve spinální míše společně s NO v periferním nervovém systému se podílí i na proprioceptivní a nociceptivní transmisi.  Z literárnych údajů je známo, že inhibitory NO syntáz dokážou inhibovat účinky opiátových analgetik.  V patologických podmínkách se účinky NO spojují s neuronálním poškozením a neurodegenerativními nemocemi včetně Parkinsonovy nemoci, Alzheimrovy demence, Huntingtonovy nemoci apod. V patogenu těchto nemocí je popisována souvislost NO především s nitrozylací tyrozinu, excitotoxicitou, inhibicí mitrochondriálního respiračního komplexu fragmentací buňkových organel apod.  Oxid dusnatý se částečně podílí i na kontrole příjmu potravy. Opakované podávání látek blokujících syntézu tohoto mediátora snížilo chuť do jídla a tělesnou hmotnost obézních experimentálních zvířat (potkani,myši).  Účast NO byla potvrzena v patogeneze astmy, chronické obstrukční nemoci plic, kašle, primární ciliární dyskinézy a akutních respiračních onemocnění.  Nadprodukce NO a následná tvorba reaktivních forem kyslíku je spojená se vznikem muskulární dystrofie. SIROVODÍK Sirovodík – H2S – plyn, ve vysokých dávkách jedovatý, hořlavý a má korozivní účinky. V organizmu – významná signální molekula. V krvi a mozku človeka se dokázalo přibližně 10 – 160 mM H2S. Zdroje H2S v potrave:- česnek, některé druhy hub, brokolice ..... Endogénna produkcia – 3 enzymy: cystationin b-syntáza (CBS), cystationin g-lyáza (CSE) a merkaptopyruvát-sulfurtransferáza (MST, MPST) sirovodík Homocysteín – neproteinogenna AK. Je syntetizovaná z metioninu odstraněním jeho terminální Cε metylové skupiny. HC může být recyklovaný na metionin, a nebo konvertovaný na cystein v přítomnosti B-vitamínů (B6, B12, kyselina listová). Hladiny HC jsou typicky vyšší u mužů než u žen a zvyšují se věkem. Vysoké hladiny HC v séru jsou zodpovědné za stav – homocysteinemii. Tato je významným rizikovým faktorem pro vícero onemocnění,např. Trombózu (tvorba plaku), neuropsychiatrické onemocnění, atd. Jsou indikátorem risku rozvoje kardiovaskulárních onemocnění a renální dysfunkce. Endogenní produkce sirovodíku SQR – Sulfide-quinone oxidoreductase SAM - S-adenosylmethionine CAT– cysteine aminotransferase Fysiologická funkce H2S IBD – ischemická choroba srdce Sirovodík a sulfidové donory Přírodní donory Odvoděné hlavně z česneku – diallyl disulfid (DADS), diallyl sulfid (DAS), diallyl trisulfid (DATS) Syntetické donory Sulfidové soli - NaHS, Na2S (protizápalový efekt, kardioprotektivní efekt, zlepšení stavu cukrovky Lawessonova reagence – protizápalový účinek, vazodilatace, protinádorové účinky GYY4137 - modulace iontových kanálů, protizápalové účinky OXID UHELNATÝ Oxid uhelnatý – CO – bezbarevný plyn, nedetekovatelný smysly Endogenní produkce – vedlejší produkt katabolismu hemu. Vzniká působením enzymu hemoxygenázy – 2 izoformy 1 a 2 Fyziologie a patofyziologie endogenního CO Fyziologické účinky • Vazodilatace • Inhibice produkce prozápalových cytokinů • Antiproliferační účinek Patofyziologické účinky • HO/CO systém participuje na některých neurodegenerativních onemocnění, jako Alzheimerova nemoc, Parkinsonova nemoc, a nebo amyotrofická laterální skleróza • HO/CO systém je pozměněný i při některých záchvatech Iontové kanály jsou to transmembránové proteinové komplexy, které přenášejí ionty přes membránu Rozpoznávají a selektují specifické ionty Otvírají a zavírají se v závislosti na specifických elektrických, mechanických, anebo chemických signálech Přes jeden kanál může přejít až do 100 milionů iontů za sekundu Rozložení některých iontů přes plazmatickou membránu v nervové buňce Iont Extracelul. konc. (mM) Intracelul. konc. (mM) Na+ 150 15 Cl- 110 10 K+ 5 100 Ca2+ 2 0.0002 Plazmatická membrána – fosfolipidová dvojvrstva – - hydrofobní – Polární hlavičky obsahují fosfát a nepolární konce obsahují uhlovodík channel exchanger pump Napěťově-závislé kanály • Draslíkové kanály • Sodíkové kanály • Vápníkové kanály Všechny tyto kanály pocházejí ze stejného ancestrálního genu. Agonists and antagonists • ANTAGONIST - Compound that blocks current through the channel • AGONIST – Compound that leave the channel permanently open  Local anesthetics (lidocain) prevent action potentials by binding to the voltage-gated sodium channels. Lidocain cannot gain the access to its binding site from outside, so it must cross the axonal membrane and then pass through the open gate of the channel to bind its binding site inside the pore.  Fugu – hlavní producent tetrodotoxinu (TTX). TTX blokuje akční potenciály přes selektivní inhibici sodíkových kanálů bez toho, aby byly ovlivněny draslíkové kanály. Sodíkové kanály Antagonisté sodíkových kanálů δ-conotoxin inhibuje rychlou inaktivaci napěťově závislých sodíkových kanálů Batrachotoxin (BTX) je extrémně účinný kardiotoxický a neurotoxický steroidní alkaloid, který se nachází u některých druhů žab. Batrachotoxin se váže na sodíkové kanály nervových buněk, které zůstávají ireverzibilně otevřené a zabraňuje jejich uzavření. Neuron nemůže dál vysílat signály, což má za následek paralýzu. Veratridine je steroidní alkaloid, který se nachází v liliovitých rostlinách, specificky rodu Veratrum a Schoenocaulon. Po absorbci přes kůži anebo mukózu membrán působí jako neurotoxin tím, že se váže na napěťovo-závislé sodíkové kanály a zabraňuje jejich aktivaci. Postižené jsou hlavně srdeční, nervové a kostrosvalové bunkové membrány. Tetrodotoxin je blokátor sodíkových kanálů. Inhibuje tvorbu akčních poteniálů v neuronech tím, že se váže na napěťovozávislé sodíkové kanály membrán neuronů a blokuje přechod sodíkových iontů (zodpovědných za růstovou fázi akčního potenciálu) do neuronu. Toto zabrání nervovému systému přenášet signály a následně svalům odpovědět na nervovou stimulaci. Phyllobates aurotaenia Veratrum album Fugu lidokain prokain – zabraňují tvorbě akčních potenciálů inhibicí napěťově-závislých sodíkových kanálů senzorických neuronů. Blokátory vápníkových kanálů • Látky blokující kalciový kanál (blokátory kalciového kanálu) snižují tok kalcia přes membránu do buňky blokem L-typu vápníkového kanálu a způsobují tím dlouhodobou dilataci hladkého svalu. Nejcitlivější je sval cévní, především arteriální, jehož uvolnění vede ke snížení cévní rezistence. Dilatace nastává i u mimocévního hladkého svalstva bronchů, GIT a dělohy. • Blokátory Ca2+ kanálů I. generace = non-dihydropyridiny: nifedipin (je z první generace, ale patří mezi dihydropyridiny, stejně jako nicardipin), verapamil, diltiazem. • 2. Blokátory Ca2+ kanálů II. generace = dihydropyridiny: isradipin, felodopin, nitrendipin, nisoldipin. Jedná se o dihydropyridinové deriváty, které oproti nifedipinu vykazují vyšší vaskulární selektivitu (výraznější vazodilatace při nižším negativně chronotropním a dromotropním účinku) a výhodnější farmakokinetické vlastnosti – delší působení. • 3. Blokátory Ca2+ kanálů III. generace = dihydropyridiny: amlodipin, lacidipin, barnidipin. Jsou vysoce selektivní k cévám a mají pomalý nástup účinku, nedochází k reflexní aktivaci sympatiku. Působí dlouhodobě a antioxidačně. Blokátory vápníkových kanálů – vedlejší účinky • Tachykardie • Hypotenzie • Bolesti hlavy • Zčervenání • Periferní edém • Nausea • Dezorientace • Bradykardie • Reflexní tachykardie Hormonální regulace  Autokrinní – hormony ovlivňují mateřskou buňku  Parakrinní – hormony ovlivňují sousední buňky Neurokrinní – hormony ovlivňují vzdálené buňky – přenos neuronální dráhy v kombinaci s krevním řečištěm  Endokrinní – hormony ovlivňují vzdálené buňky – přenos krevním řečištěm Žlázy s vnitřní sekrecí: Hypotalamovo-hypofýzový komplex – např somatotropní hormon, vazopresin, oxytocin Epifýza – melatonin Štítná žláza – tyreoidální hormony Příštítní tělíska - parathormon Tymus - tymulin, tymopoetin, atd. Pankreas – inzulin, glukagon Nadledviny - adrenalin, noradrenalin Pohlavní žlázy – testosteron, estrogeny, progesteron Hormony Hormony působící prostřednictvím cyklického AMP cAMP objevil v roce1961 Earl Sutherland Hormony působící prostřednictvím cyklického AMP cAMP aktivuje proteinkinázu A (PKA) – obsahuje dvě regulační(R) a dvě katalytické (C) podjednotky – R2C2. cAMP se váže na R, kinázovou aktivitu má C. Po navázání cAMP na R se disociuje komplex R2C2 a C se stává aktivní. C přenášejí fosfátovou skupinu z ATP na různé enzymové proteiny. Fosforylace zpravidla probíhá na OH-skupině serinových, treoninových, anebo tyrozinových zbytcích substrátu. Fosforylace patří mezi reverzibilní posttranslační úpravy proteinů. Serín Treonín Tyrozín Hormony působící prostřednictvím fosfolipázy C Modulátory G-proteinů Toxin cholery je kódovaný gramnegativní bakterií Vibrio cholerae. Tento enterotoxin obsahuje dvě podjednotky A a pět podjednotiek B. Podjednotka B se váže s gangliozidem GM1 na povrchu střevních mukózových buněk. Podjednotka A potom vstupuje do vnitřní vrstvy membrány, což vede k ribozylaci alfapodjednotky Gs, což má za následek ireverzibilní aktivaci G-proteinu. Modulátory G-proteinů Toxín pertussis (z bakterie Bordetella pertussis) ribozyluje alfa podjednotku Gi proteinu a brání komplexu Gi-GDP interagovat s aktivovaným receptorem. Tím je inhibováno působení hormonů přes Gi. Hormony - funkce Hormon Produkce Funkce Nedostatek Modulátory/léčba Tyroidální hormony Štítná žláza hypotyreóza Substituční léčba Katecholaminy - dopamin Hlavně mozek – hypotalamus, dopaminergní buňky psychické funkce – nálada, emoce, Pociťování požitku Deprese, anhedonie, Parkinsonova nemoc Návykové látky, např opiáty Levodopa, Carbidopa Katecholaminy – adrenalin, noradrenalin Nadledviny Příprava organizmu na zvýšenou aktivitu, stresový hormon Mohou selhat životní funkce a a b-blokátory; b2- agonisti Steroidní hormony - pohlavní Pohlavní orgány Rozvoj primárních a sekundárních pohlavních znaků Substituční léčba Kortikoidy Kůra nadledvin Inhibují zápalovou a alergickou reakci Addisonova choroba – poruchy oběhové soustavy Substituční léčba (dexametazon, prednizon) Inzulin a glukagon pankreas Metabolizmus glukózy NI - diabetes Substituční léčba Angiotenzin II Cévy, lokálně v tkanivách Vazokonstriktor, signální molekula Inkretinové hormony, hypotalamo-hypofyzární hormony Tyreoidální hormony - funkce Zvyšují metabolický obrat Stimulují energetický metabolizmus Zvyšují spotřebu O2 a tvorbu tepla Celkový růst organizmu Maturace – intrauterinně Stimulace tvorby erytropoetinu – krvetvorba Počet receptorů pro katecholaminy v srdci Hormony nadledvin Katecholaminy, hlavně adrenalin Kortikoidy, hlavně: Mineralokortikoidy (aldosteron) Glukokortikoidy (kortizol) Hormony - funkce Hormon Produkce Funkce Nedostatek Modulátory/léčba Tyreoidální hormony Štítna žláza hypotyreóza Substituční léčba Katecholaminy - dopamin Hlavně mozek – hypotalamus, dopaminergné buňky psychické funkce – nálada, emoce, pociťování požitku Depresia, anhedónia, Parkinsonova choroba Návykové látky, napr. opiáty Levodopa, Carbidopa Katecholaminy – adrenalin, noradrenalin Nadledviny Příprava organizmu na zvýšenou aktivitu, stresový hormon Mohou selhat životní funkce a a b-blokátory; b2- agonisti Steroidní hormony - pohlavní Pohlavní orgány Rozvoj primárních a sekundárních pohlavních znaků Substituční léčba Kortikoidy Kůra nadledvin Inhibují zápalovou a alergickou reakci Addisonova choroba – poruchy oběhové soustavy Substituční léčba (dexametazón, prednizón) Inzulín a glukagón pankreas Metabolizmus glukózy NI - diabetes Substituční léčba Angiotenzin II Cévy, lokálně v tkanivách Vazokonstriktor, signální molekula Inkretinové hormony, hypotalamo-hypofyzární hormony Dopamin Dopamin – hormon, který funguje hlavně jako neurotransmiter v CNS Působí přes svoje receptory – D1 – D5 Dopaminové receptory v mozku zprostředkovávají účinky dopaminu na mnohé psychické funkce – nálada, emoce, pociťování požitku • regulace motivačního a odměňovacího chování • Kokain a opioidy ovlivňují dopaminergní přenos na synapsách v CNS Dopaminová odpoveď Kokain je inhibitorem zpětného vychytávání dopaminu, noradrenalinu a serotoninu v mozku. Návykové látky (drogy) Jsou to psychotropní látky, které ovlivňují duševní stav člověka. Poškozují vnitřní orgány, hlavně játra. Dělí se na:  Organické rozpouštědla (alkohol, toluen) Stimulační drogy (nikotin, kofein, kokain, pervitin) Konopné drogy (marihuana, hašiš) Halucinogenní (extáze, LSD, lysohlávky) Opiáty (opium, heroin) kokain Kokainovník pravý Konope siate Návykové látky (drogy) ALKOHOL Společně s nikotinem je nejrozšířenější drogou na světě. Meziprodukt acetaldehyd – kocovina. Zvyšuje hladinu dopaminu až o 360%. HEROIN Vysoké nebezpečí předávkování, protože smrtelná dávka je jen 5x větší než ta, která je potřebná na vyvolání jeho účinků. Hormony - funkce Hormon Produkce Funkce Nedostatek Modulátory/léčba Tyreoidální hormony Štítna žľaza hypotyreóza Substituční léčba Katecholaminy - dopamin Hlavně mozek – hypotalamus, dopaminergní buňky psychické funkce – nálada, emoce, pociťování požitku Deprese, anhedónie, Parkinsonova choroba Návykové látky, např. opiáty Levodopa, Carbidopa Katecholaminy – adrenalin, noradrenalin Nadledviny Příprava organizmu na zvýšenou aktivitu, stresový hormon Mohou selhat životní funkce a a b-blokátory; b2- agonisti Steroidní hormony - pohlavní Pohlavní orgány Rozvoj primárních a sekundárních pohlavních znaků Substituční léčba Kortikoidy Kůra nadledvin Inhibují zápalovou a alergickou reakci Addisonova choroba – poruchy oběhové soustavy Substituční léčba (dexametazón, prednizón) Inzulín a glukagón pankreas Metabolizmus glukózy NI - diabetes Substituční léčba Angiotenzin II Cévy, lokálně v tkanivech Vazokonstriktor, signálna molekula Inkretinové hormóny, hypotalamo-hypofyzární hormóny Agonisté a antagonisté adrenergních receptorů Beta-blokátory – představují skupinu léčiv zaměřených na β-adrenergní receptor. Betablokátory jsou schopné bránit vazbě adrenalinu (a dalších hormonů) na tyto receptory a bránit tak účinkům těchto hormonů na lidský organizmus. Tato vlastnost z nich dělá vhodná léčiva pro pacienty se srdeční arytmií (na prevenci opakovaného infarktu myokardu), či vysokým krevním tlakem. Alfa-blokátory – představují skupinu látek zaměřených na a-adrenergní receptor. Mají schopnost relaxovat hladké svaly a nebo cévy. Indikace pro administraci beta agonistů: Bradykardie Astma Chronická obstrukční plicní choroba Srdeční selhání Alergické reakce Hyperkalémie Otrava beta-blokátory Hormony - funkce Hormon Produkce Funkce Nedostatek Modulátory/léčba Tyreoidální hormony Štítna žľaza hypotyreóza Substituční léčba Katecholaminy - dopamin Hlavně mozek – hypotalamus, dopaminergní buňky psychické funkce – nálada, emoce, pociťování požitku Deprese, anhedónie, Parkinsonova choroba Návykové látky, např. opiáty Levodopa, Carbidopa Katecholaminy – adrenalin, noradrenalin Nadledviny Příprava organizmu na zvýšenou aktivitu, stresový hormon Mohou selhat životní funkce a a b-blokátory; b2- agonisti Steroidní hormony - pohlavní Pohlavní orgány Rozvoj primárních a sekundárních pohlavních znaků Substituční léčba Kortikoidy Kůra nadledvin Inhibují zápalovou a alergickou reakci Addisonova choroba – poruchy oběhové soustavy Substituční léčba (dexametazón, prednizón) Inzulin a glukagón pankreas Metabolizmus glukózy NI - diabetes Substituční léčba Angiotenzín II Cévy, lokálně v tkanivech Vazokonstriktor, signálna molekula Inkretínové hormóny, hypotalamo-hypofyzární hormóny Testosteron Testosteron – syntetizovaný převážně v testes Muži 6-10 mg /den, poločas rozpadu 10 min., Ženy 0,4 mg /den Anabolické účinky – proteosyntéza, růst svalové hmoty a kostí Vývoj a zachování mužských sekundárních pohlavních znaků Funkce mužské Reprodukční soustavy Predčasná smrt vlasových folikulů Progesteron Progesteron – vznik v ovariu a placentě - příprava dělohy na těhotenství - udržení plodu - rozvoj alveol v mléčných žlázách - Metabolický intermediát na produkci ostatních steroidních hormonů - Pokles PR –vznik vrásek Hormony - funkce Hormon Produkce Funkce Nedostatek Modulátory/léčba Tyreoidální hormony Štítna žľaza hypotyreóza Substituční léčba Katecholaminy - dopamin Hlavně mozek – hypotalamus, dopaminergní buňky psychické funkce – nálada, emoce, pociťování požitku Deprese, anhedónie, Parkinsonova choroba Návykové látky, např. opiáty Levodopa, Carbidopa Katecholaminy – adrenalin, noradrenalin Nadledviny Příprava organizmu na zvýšenou aktivitu, stresový hormon Mohou selhat životní funkce a a b-blokátory; b2- agonisti Steroidní hormony - pohlavní Pohlavní orgány Rozvoj primárních a sekundárních pohlavních znaků Substituční léčba Kortikoidy Kůra nadledvin kontrolují metabolizmus cukrů, tuků a bílkovin a působí protizápalově Addisonova choroba – poruchy oběhové soustavy Substituční léčba (dexametazón, prednizón) Inzulín a glukagón pankreas Metabolizmus glukózy NI - diabetes Substituční léčba Angiotenzín II Cévy, lokálně v tkanivech Vazokonstriktor, signální molekula Inkretínové hormóny, hypotalamo-hypofyzárne hormóny Biochemie II - Kortizol Kortizol je nutný pro život -produkce glukózy -podpora svalové odpovědi -vliv na CNS, na funkci ledvin a imunitní odpověď Sval- bazální hladiny jsou potřebné pro kontraktilitu, nadbytek – atrofie, Cushingův syndrom Kosti- snižuje hmotnost kostí Spojivové tkanivo- zvýšená hladina způsobuje ztenčení kůže a kapilárních cév Hormony - funkce Hormon Produkce Funkce Nedostatek Modulátory/léčba Tyreoidálne hormóny Štítna žľaza hypotyreóza Substituční léčba Katecholaminy - dopamin Hlavně mozek – hypotalamus, dopaminergní buňky psychické funkce – nálada, emoce, pociťování požitku Deprese, anhedónie, Parkinsonova choroba Návykové látky, např. opiáty Levodopa, Carbidopa Katecholaminy – adrenalin, noradrenalin Nadledviny Příprava organizmu na zvýšenou aktivitu, stresový hormon Mohou selhat životní funkce a a b-blokátory; b2- agonisti Steroidní hormony - pohlavní Pohlavní orgány Rozvoj primárních a sekundárních pohlavních znaků Substituční léčba Kortikoidy Kůra nadledvin kontrolují metabolizmus cukrů, tuků a bílkovín a působí protizápalově Addisonova choroba – poruchy oběhové soustavy Substituční léčba (dexametazón, prednizón) Inzulin a glukagón pankreas Metabolizmus glukózy NI - diabetes Substituční léčba Angiotenzín II Cévy, lokálně v tkanivech Vazokonstriktor, signálna molekula Inkretínové hormóny, hypotalamo-hypofyzárne hormóny Propojení funkce inzulinu a glukagonu Děkuji za pozornost.