1 © Biochemický ústav (E.T.) 2013 Eicosanoidy Isoprenoidy Steroidy 2 Eicosanoidy > 3 Eicosanoidy Skupina derivátů odvozených od polynenasycených MK s 20 uhlíky (řecky eikosi = dvacet) Působí jako lokální hormony, poločas existence 1-2 min Biosynteticky odvozeny především od: Arachidonová kyselina (eikosatetraenová) 20:4 (5,8,11,14) řada n-6 Eikosapentaenová kyselina (EPE) 20:5 (5,8,11,14,17) řada n-3 COOH 4 Klasifikace a původ eikosanoidů Potrava Esenciální MK Membránové fosfolipidy C20 PUFA fosfolipasa A2 lipoxygenasa cyklooxygenasa (COX) leukotrieny (LT) lipoxiny (LX) prostaglandiny (PG) prostacycliny (PGI) thromboxany (TX) cyklické prostanoidy Trávení lipidů Syntéza z esenciálních MK 5 Hlavní typy eikosanoidů •cyklické prostanoidy – deriváty hypotetické kyseliny prostanové (20C, vazba mezi C8 a C15) Cyklus se tvoří pomocí enzymu cyklooxygenasy: prostaglandiny prostacykliny thromboxany •acyklické leukotrieny lipoxiny 8 12 6 Prostaglandiny (PG) Syntetizovány téměř ve všech typech buněk, Poprvé izolovány z buněk prostaty. Jsou to modifikované karboxylové kyseliny Klasifikace: qna základě substituce a desaturace na cyklopentanovém kruhu (např. PGE, PGF, PGG, PGH, …….) qna základě počtu dvojných vazeb v postranním řetězci, který záleží na biosyntetickém původu PG q Struktury jednotlivých prostanoidů není třeba znát, je třeba rozumět principu tvorby jejich názvů ve vztahu k původu (viz dále) 7 Typy prostaglandinů podle substituce na cyklopentanovém kruhu – výsledek účinku různých enzymů na společný prekursor PGH PGE PGF PGH Společný prekursor všech prostaglandinů PGA PGB 8 Typy prostaglandinů podle původu Kys. dihomo-g-linolenová (3 dvojné vazby) Kys.eikosapentaenová (5 dvojných vazeb) Kys. Arachidonová (4 dvojné vazby) Řada -1 PGE,PGG,PGH (1 dvojná vazba) Řada -2 PGE2,PGG2,PGH2 (2 dvojné vazby) Řada -3 PGE3,PGG3,PGH3 (3 dvojné vazby) Nejběžnější jsou prostanoidy řady 2, biosynteticky odvozené z kyseliny arachidonové 8 12 8 12 9 prostaglandin E2 PGE2 prostaglandin F2α PGF2α Struktura prostaglandinů E a F Všechny prostanoidy mají –OH na C-15 8 12 15 10 Deriváty PGH, ve kterém C-6 kratšího řetězce uzavře pětičlenný cyklus spojený s cyklopentanovým kruhem: Prostacycliny (PGI) prostacyklin PGI2 6 11 Tromboxany (TX) Pochází rovněž z PGH. Namísto cyklopentanového kruhu obsahují šestičlenný heterocyklus oxan. Tvoří se v trombocytech a dalších buňkách. thromboxan TXA2 12 12 Příklady biologických účinků některých prostanoidů Prostanoid Účinek TXA2 agregace trombocytů kontrakce hladkého svalstva cév PGI2/PGI3 antiagregační účinek stimulace relaxace hl. svalstva (vasodilatace) zvýšení intenzity a trvání bolesti PGE2 inhibice kontrakce hladkého svalstva, vasodilatace cév, inhibice sekrece HCl, stimulace sekrece mucinu, zvýšení teploty, zvýšení intenzity a trvání bolesti, zvýšení permeability cév, PGD2 navození spánku, kontrakce bronchiálního svalstva PGF2a kontrakce hladkého svalstva, zvýšení tělesné teploty 13 13 Účast prostanoidů ve fyziologických procesech - příklady TXA2 je produkován trombocyty, vyvolává vasokonstrikci a aktivaci destiček účinek cca 30-60 s PGI2 je antagonistou TXA2, produkován cévním endotelem, poločas 3 min. Jejich vyvážený účinek se podílí na krevním srážení 14 14 PGE2 je produkován žaludeční sliznicí a potlačuje sekreci kyseliny chlorovodíkové PGE2 a PGF2a tvořené v endometriu indukují kontrakci dělohy. Jejich koncentrace v plodové vodě je během těhotenství nízká, masívně se zvyšuje při porodu. Společně s oxytocinem se podílí na indukci porodu. Na rozdíl od oxytocinu kontrahují dělohu vždy. Snižuje tak riziko vzniku žaludečního vředu Mohou být použity k vyvolání potratu intravenosním nebo intravaginálním podáním 15 https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRbfLVHYZbDscGQYuTV_IhWdZUO2FkWkMrXthFO5B3S8yj OjMmQ Např.: TXA2 má pozitivní efekt na agregaci destiček TXA3 - efekt je mnohem slabší PGI2 – slabší vasodilatační účinek PGI2 – silnější vasodilatační účinek Riziko infarktu u grónských eskymáků je 400 x nižší než u euroamerické populace, mortalita je 7x menší Čím to lze vysvětlit? Účinky prostanoidů různé řady nejsou stejné ? 16 •Esenciální mastné kyseliny ω-6 a ω-3 by měly být přijímány ve vhodném poměru. •Podle některých autorů je to od 1:1 to 1:4 •Jiní autoři udávají 4:1 •Typická dieta v západoevropských zemích poskytuje obvykle poměr 10:1 až 30:1 Esenciální mastné kyseliny ω-6 a ω-3 17 Leukotrieny jsou acyklické eicosanoidy •Syntéza v leukocytech a žírných buňkách – enzymy lipooxygenasy • •Jsou mediátory alergické reakce a zánětu •Obsahují tři konjugované dvojné vazby (trieny), jejich pozice mohou být různé, konfigurace trans nebo cis. • COO– O LTA4 LTB4 18 •Dle typu se značí písmeny (LTA, LTB – LTE) • index značí celkový počet dvojných vazeb • • Původ: leukotrieny s indexem 3 - eikosatrienová kyselina leukotrieny s indexem 4 - arachidonová kyselina leukotrieny s indexem 5 - eikosapentaenová kyselina Značení 19 Peptidové leukotrieny (leukotrieny třídy C, D, E) LTC na C6 se váže: glutathion (g-Glu®Cys ®Gly) LTD cysteinyl-glycin LTE cystein OH S Cys-Gly LTD4 •prozánětlivý účinek •chemotakticky přitahují neutrofily, •mohou podporovat produkci reaktivních forem kyslíku. •jsou podkladem též anafylaktických reakcí. C-6 20 Produkty hydroxylace kys. arachidonové nebo EPA. Syntéza v leukocytech působením lipoxygenas ® hydroxylace na C5, C12, nebo C15. Ovlivňují účinky leukocytů Název lipoxiny je odvozen z „lipoxygenase interaction products“. Lipoxiny 5-hydroxytetraenová kyselina (5-HETE) 21 Isoprenoidy 22 Isoprenoidy (Terpenoidy) Přírodní látky vznikající biosyntézou z isoprenových jednotek. Isopren je 2-methylbuta-1,3-dien Isoprenová jednotka při polymeraci Při polymeraci zanikají nebo se přesouvají dvojné vazby isoprenu. 23 Isoprenové jednotky(C5) se při polymeraci kombinují dvojím možným způsobem 23 Pravidelné uspořádání ocas-hlava (častější) Nepravidelné uspořádání ocas-ocas (méně časté) „hlava" „ocas" 24 Terpeny (isoprenoidy) Sloučeniny vznikající z isoprenových jednotek. Mohou mít cyklickou i acyklickou strukturu, nasycené, nenasycené, mohou obsahovat různé funkční skupiny Typ terpenu Počet C5 jednotek Počet uhlíků Příklad Monoterpeny 2 10 Geraniol, menthol, kafr Seskviterpeny 3 15 Farnesol Diterpeny 4 20 Fytol Triterpeny 6 30 Skvalen Tetraterpeny 8 40 Karotenoidy Polyterpeny n > 1000 5n Dolichol 25 Biosyntéza isoprenoidů Aktivní formou isoprenu jsou jeho fosforylované formy isopentenyldifosfát a dimethylallyldifosfát, které vznikají z acetylCoA isopentenyldifosfát dimethylallyldifosfát Jejich vzájemným spojením (ocas-hlava) vzniká geranyldifosfát 26 Terpeny v živočišných organismech acetyl-CoA isopentenyl difosfát geranyl difosfát isopren Vydechovaný vzdych farnesyl difosfát ubichinon (Koenzyme Q) squalen cholesterol dolicholdifosfát Syntéza N-glycoproteinů prenylace proteinů C5 C10 C15 C30 27 Má význam při biosyntéze N-glykoproteinů. Dolicholdifosfát je zakotven na membráně ER a aktivované monosacharidy se postupně navazují a vytvářejí základní oligosacharidovou strukturu Dolichol polyprenol obsahující kolem 20 isoprenových jednotek ( ~100 C atomů). dolichol diphosphate (Dol-P-P) 28 Dolichol-P Dolichol-P-P←GlcNAc←GlcNAc Dolichol-P-P←(GlcNAc)2←(Man)5 Dolichol-P-P←(GlcNAc)2 (Man)9 Dolichol-P-P←(GlcNAc)2 (Man)9 (Glc)3 2 UDP-GlcNAc 5 GDP-Man 4 Dolichol-P-Man 3 Dolichol-P-Glc Enzymy glykosyltransferasy Význam dolicholu pro glykosylaci proteinů 29 R = –(CH2–CH=C–CH2)10-H CH3 Postupně váže dva elektrony a dva protony za vzniku ubichinolu: + e + H+ ubichinon, Q semichinon, •QH ubichinol, QH2 + e + H+ Ubichinon (koenzym Q) je komponentou dýchacího řetězce Pomocí lipofilního řetězce je ubichinon zakotven ve vnitřní mitochondriální membráně n H 30 farnesyl- (C15) geranylgeranyl- (C20) Prenylace proteinů je posttranslační modifikací proteinů Navázání farnesylu nebo geranyl-geranylu na SH- skupinu cysteinu •Umožňuje interakci proteinů s membránou (zakotvení). •Uplatňuje se např. u některých proteinů zprostředkujících buněčnou proliferaci (GTP-vážící proteiny, např. Ras, Rac, Rho) •Proteiny ras jsou součástí mitogenních signálních drah, prenylace je zcela zásadní pro jejich funkci • inhibitory prenylace (bisfosfonáty) jsou využívány jako protinádorové léky 31 Příklady bis-fosfonátů 32 Skvalen je triterpen (C30), Je meziproduktem při syntéze cholesterolu: Natažená konformace sbalená konformace Skvalen 33 Phytol je diterpenový alkohol (C20): Phytyl se nachází v chlorofylu a jako postranní řetězec připojený k 1,4-naftochinonu ve fylochinonu (vitamin K1): Další významné terpeny 34 Vitaminy K (deriváty 2-methyl-1,4-naftochinonu) fylochinon (K1- rozpustný v tucích) menadiol (K3- syntetický, rozpustný ve vodě, syntetizován i střevní mikroflorou) - v zelených rostlinách Vitaminy K - potřebné pro gama-karboxylaci glutamátu Aktivace krevního srážení, zrání kostní tkáně (osteokalcin) Antagonisté vitaminu K - warfarin a kumarin. 35 Proč je rajče červené? http://www.svetzdravotnictvi.cz/userdata/thumbnails/articles/details/1622-hu_zelenina_rajcata.jpg 36 Karotenoidy tetraterpeny (C40), přirozená barviva, v listech zelených rostlin, provázejí chlorofyl. Obsahují konjugovaný systém dvojných vazeb, jsou proto zbarvené Známo kolem 600 struktur. Patří k přírodním antioxidantům. b-jononový kruh Oxidativní štěpení ve středu molekuly produkuje retinol (vitamin A). Ostatní typy karotenů se liší od b-carotenu různými strukturami na koncích řetězce Kyslíkaté deriváty jsou xanthofyly. β-Karoten Nejvýznamější karoten, obsahuje dva β-jononové kruhy na obou koncích molekuly (je symetrický) – oranžový, mrkev, meruňky, mango Lykopen - červený, např. rajčata, šípky, meloun 37 Zeaxantin a lutein - xantofyly (kyslíkaté deriváty) žluté zbarvení, lutein E161b přítomny v listové zelenině akumulují se v macula densa existuje hypotéza, že snižují oxidační stres v oku 38 Retinol (vitamin A) Vzniká oxidačním štěpením karotenů obsahujících b-iononový kruh V těle se přeměňuje na aldehyd retinal (reversibilně) a na kyselinu retinovou (irreversibilně). all-trans-retinal 11 11-cis-retinal Retinal Fotosenzitivní komponenta očního barviva – rhodopsinu. Po absorpci fotonů, se all-trans-retinal mění na 11-cis-retinal, který zahajuje proces vizuálního vjemu. světlo 39 Proč potřebujeme retinol a) Aldehyd retinal je součást rhodopsinu v tyčinkách a čípcích sítnice oka b) Kyselina retinová je potřebná pro regulaci exprese genů - podporuje růst, a správný vývoj buněk zejména sliznic, kostí a krvetvorby. Vysoké dávky jsou toxické (dlouhodobé denní dávky 10x vyšší než doporučené nebo jednorázově 100x vyšší dávka – jen při užívání lékových forem nebo denní konzumace jater (polárníci ?) Příznaky deficitu: šeroslepost, xeroftalmie (vysychání a rohovatění spojivek). Zvýšené riziko infekce. Doporučená denní dávka 1 mg http://selmy.ursus.cz/vlk/img/vlk_lide/karkulka.gif 40 Steroidy 41 Steroidy Biosyntetickým původem patří mezi isoprenoidy. Prekursorem je triterpen skvalen. Ze skvalenu je komplexním systémem mnoha reakcí syntetizován steroidní alkohol cholesterol Cholesterol má 27 atomů C 42 cyclopentanoperhydrofenanthren (steran) fenanthren perhydrofenanthren Steroidní skelet 43 Označení kruhů ve steranu: Číslování uhlíkových atomů ve steranu: 1 10 2 3 4 5 9 6 7 8 11 15 14 16 17 13 12 A B C D Steran !!!Důležité pro popis biosyntézy a poruch !!! 44 21 20 19 18 22 23 24 25 27 26 Číslování postranního řetězce Přirozené steroidy mají dva methyly Číslování steroidů 45 Vzájemná konfigurace dvou kondenzovaných cyklických uhlovodíků: trans uspořádání cis uspořádání Trans uspořádání poskytuje téměř planární strukturu, cis uspořádání poskytuje lomenou strukturu trans cis dekalin 46 5a-gonan Stereoisomery steranu – celkem 8 možných forem U přirozených steroidů jsou většinou kruhy B/C and C/D v uspořádání trans, Kruhy A/B mohou být cis i trans A/B trans = (5α-gonan) A/B cis = (5β-gonane) (leží-li atomy vodíku nebo jiných substituentů připojených k C10, C8, C13 nad rovinou kruhů – jejich poloha se označuje jako β, leží-li pod rovinou značí se α Stereoisomerie steranu 5 H na C-5 leží v pozici trans vůči CH3 na C-1 47 5b-gonan Méně časté uspořádání A/B cis Např. u žlučových kyselin 48 Třídy steroidů na základě počtu uhlíků Název Počet C Skupina steroidů Příklad Steran 17 - - Estran 18 estrogeny estradiol Androstan 19 androgeny testosteron Pregnan 21 Gestageny, kortikoidy Progesteron, kortisol Cholan 24 Žlučové kyseliny Cholová kyselina Cholestan 27 Živočišně steroly Cholesterol 49 5α-Estran C18 C-18 Estradiol 50 5α-Androstan C19 C-19 Testosteron 51 5α-Pregnan C21 Progesteron 52 5β-Cholan C24 5 uhlíků v postranním řetězci na C-17 Kyselina cholová 53 5α-Cholestan C27 8 uhlíků v postranním řetězci na C-17 Cholesterol 54 Ergostan C28 9 uhlíků v postranním řetězci na C-17 Sitosterol Základ rostlinných fytosterolů 55 Cholesterol (cholest-5-en-3β-ol) A B Vzorec A Zjednodušený vzorec Vzorec B Vzorec vyjadřující konfiguraci na chirálních uhlících: Tučně vyznačené vazby směřují nad rovinu (β), čárkované po rovinu (a) 56 Esterifikovaný cholesterol Na OH- skupinu je esterovou vazbou připojena mastná kyselina Esterifikací se snižuje polarita cholesterolu (ztrácí se OH- skupina, která je jedinou polární skupinou v cholesterolu) Nejčastěji kys. linolová a linolenová 57 Význam cholesterolu Komponenta membrán Substrát pro syntézu steroidů a žlučových kyselin Nadbytek cholesterolu se může akumulovat v cévní stěně a vyvolat atherosklérózu 58 Bilance cholesterolu Zdroje v těle ~ g/den Výdej g/den Potraviny Biosyntéza Celkem: 0.5 g 1.0 g 1.5 g Koprostanol (stolice) Žlučové kyseliny (stolice) Kožním a ušním maz, odloučený střevní epitel Celkem: 0.8 g 0.5 g 0.2 g 1.5 g 59 Zdroje cholesterolu v potravě Obrázek Máslo Žloutek je dobrý zdroj vitamínu D. http://www.neli-vyskov.cz/images/omacky/majoneza_450_ml.jpg Recept Pečený vepřový bůček na cibuli - Pečený bůček. http://www.vareni.cz/include/ir/recepty/26513/zdet--c118xc118.jpg Pečený bůček. Fontina Pouze živočišné tuky 60 rapso Co je klamavého na této nálepce? 61 Eliminace cholesterolu z organismu Cyklický steroidní systém nemůže být v organismu odbourán • jsou dvě cesty, jak organismus eliminuje cholesterol: přeměna na žlučové kyseliny a jejich exkrece vylučování nezměněného cholesterolu žlučí Ve střevě se cholesterol působením bakteriálních enzymů přeměňuje na koprostanol 62 019 Cholesterol může ve žluči vytvářet žlučové kameny 80% všech žlučových kamenů 63 http://www.drugswell.com/winow/winowm/images/BMJ%20Books,.ABC%20of%20Nutrition,%204th%20Edition_img _29.jpg Rozpustnost cholesterolu ve žluči •Rozpustnost cholesterolu v játrech závisí na vzájemném poměru se žlučovými kyselinami a lecithinem. • •Jsou-li všechny složky v takovém poměru, že jejich průsečík leží v barevné zóně, je cholesterol rozpuštěný. •Změní-li se jejich poměr tak, že se průsečík posune mimo tuto zónu, cholesterol se vysráží a usazuje se na stěnách Graf, z něhož lze odvodit poměry, kdy je ještě cholesterol rozpustný 64 Žlučové kyseliny obsahují karboxylovou skupinu a jednu až tři OH- skupiny C24 Cholová kyselina (3α,7α,12α-trihydroxy-5β-cholanová) OH skupiny v pozicích 3,7,12 Co znamená 5β-cholanová? pKA» 6 65 Primární žlučové kyseliny (tvoří se v játrech) Sekundární žlučové kyseliny (tvoří se z primárních ve střevě odstraněním OH v pozici 7 působením bakterií) cholová chenodeoxycholová deoxycholová lithocholová 3 x OH skupina (3,7, 12) 2 x OH (3,7) skupina 2 x OH skupina 66 66 Konjugované žlučové kyseliny taurocholová glykocholová Konjugace snižuje hodnoty pKA, zvyšuje detergenční účinnost pKA» 2 pKA» 4 H O O H C O N H S O 3 - O H O H Reakce karboxylové skupiny s taurinem nebo glycinem 67 Žlučové kyseliny působí jako tenzidy v tenkém střevě Mezi jaké tenzidy patří? 68 Koprostanol je hydrogenovaný cholesterol Produkt bakteriální redukce cholesterolu v tlustém střevě. 69 Kalciol (cholecalciferol, vitamin D3) je syntetizován z 7-dehydrocholesterolu fotolýzou, která vede k otevření kruhu B: C27 70 70 7-dehydrocholesterol cholekalciferol - vitamin D3 (kalciol) Kůže cholesterol Játra vit. D3 - absorpce s potravou (rybí oleje, vejce) Rostliny Vznik a příjem vitaminů D ergosterol ergokalciferol-vitamin D2 (erkalciol) vit.D2 - absorpce s potravou (užíván v suplementacích) D3 transport krví do jater D2 R R 71 Ergokalciferol a cholekalciferol jsou v ledvinách postupně hydroxylovány na 25(OH)D a v játrech na 1,25 (OH)2D = kalcitriol, Kalcitrol ovlivňuje hospodaření s Ca2+ (především resorpci Ca2+ ze střeva). Má rovněž imunomodulační, antiproliferativní a prodiferenciační účinky. Proč potřebujeme vitaminy D? DDD 0,01 mg 72 K deficitu dochází: při nedostatečném příjmu potravou poruchách absorpce, cholestáze (nedostatek žluč. kyselin), nedostatečném osvitu slunečním zářením (“indoor lifestyle”, opalovací krémy), snížené hydroxylaci (jaterní a ledvinná onemocnění, hypoparathyreóza), nefrotickém syndromu. Deficit vitaminu D Nadbytek vitaminu D Vitamin D přijímaný ve velkých dávkách je toxický Vyvolá hyperkalcemii a hyperfosfatemii Þ mineralizace ledvin, srdce, cév ad. Syntéza D3 v těle je regulována – nemůže dojít k předávkování 73 Steroidní hormony 74 Steroidní hormony kortikosteron testosteron kortisol aldosteron C21 C21 C21 C21 C19 C18 progesteron Tři významné hydroxylace: pozice 11,17,21 β a a a β β 75 Klasifikace steroidních hormonů Kortikoidy produkované kůrou nadledvin glukokortikoidy Pohlavní hormony produkované převážně gonádami mineralokortikoidy androgeny estrogeny gestageny C21 C21 C19 C18 76 Hydroxylové skupiny u steroidních hormonů Hormon Počet OH skupin Pozice OH skupin Progesteron - - Testosteron 1 17 Estradiol 2 3,17 * Aldosteron 2 11,21 ** Kortisol 3 11,17,21 * C3-OH je fenolický hydroxyl ** C11-hydroxyl tvoří intramolekulární cyklický hemiacetal s aldehyden na C18 77 Progesteron je gestagen Je meziproduktem při syntéze dalších hormonů C21 Není hydroxylován 78 Srovnání struktury aldosteronu, kortisolu a testosteronu Aldosteron (mineralokortikoid) Kortisol (glukokortikoid) Oba hydroxylovány na C11 a C21 Oba hydroxylovány na C17 Oxidace na C18 17 11 21 17 18 11 21 Testosteron 17 Deficit 17-a hydroxylázy – neprobíhá syntéza pohlavních hormonů a kortisolu, zvýšená produkce mineralokortikoidů Deficit 21-a hydroxylázy – snížená syntéza kortikoidů, pohlavní hormony v převaze Deficit 11-β hydroxylázy – snížená syntéza kortikoidů, pohlavní hormony zvýšeny 79 Srovnání struktury testosteronu a estradiolu testosteron estradiol Estradiol je odvozen z testosteronu působením aromatasy 19 C 18 C 80 Aldosteron má aldehydovou a alkoholovou skupinu, tvoří intramolekulární cyklický hemiacetal (hemiacetalová forma) 81 81 Rostlinné steroly - fytosteroly Velmi podobná chemická struktura b-sitosterol Snižují resorpci cholesterolu Zdroj: klíčkové oleje (pšeničný, kukuřičný), řepkový, sojový, olivový olej Obohacování potravin – roztíratelné rostlinné tuky, mléko, majonézy, mléčné výrobky (u nás Flora) Doporučení: osoby se zvýšenou hladinou cholesterolu by měly konsumovat 2g rostlinných sterolů denně