Buněčné membrány 2 Čtyři nejdůležitější skupiny malých organických molekul v buňkách MEMBRANOVÉ SYSTÉMY a buněčné kompartmenty Protientropické důsledky STRUCTURÁLNÍ ÚLOHA FOSFOPIDŮ v BUŇKÁCH NEODMYSLITELNÉ od BUNĚČNÝCH FUNKCÍ Kompartmenty: Funkně nebo prostorově oddělené soubory prvků (složek) Důsledek kompartmentace (existence jednotlivých kompartmentů) prvky (např. látky nebo bu ňky) jsou nerovnoměrně rozděleny. Příklady: Všechny membránami ohraničené struktury mají (z hlediska rozdělení látek) „své vnitřní prostředí“ aselektivně akumulují nebo zadržují určité látky proti koncentračnímu spádu. Už tímto prostým faktem jsou některé reakce umožněny, jiným může být zabráněno. Tato protientropická distribuce molekul v buňce směřující proti neuspořádanosti má velký význam pro buněčný metabolismus a regulace. Umožňuje ji právě existence buněčných membrán – jeden ze základ ů pro existenci biologických systémů Phospholipid structure and the orientation of phospholipids in membrane A fatty acid C-16 (k. palmitová) 10 Pietzsch J et al., Nature Reviews, October 2004 Zajištění většiny biologických funkcí se neobejde bez unikátních interakcí lipidových komponent 1) s dalšími biologicky významnými molekulami. Jejich modulace mohou významně měnit intenzitu a také směr sign. transdukce 1) např. tzv. lipidových raftů – membránových lipidových mikrodomén obohacených o glykosfingolipidy a cholesterol 11 POTRAVA: Základní podmínka existence, zdroj živin (E), základ veškerých regulací Významné je Složení (kvalita) Množství Časové rozložení Tyto faktory modulují nejen metabolismus, ale i růstové vlastnosti tkání. FOSFOLIPIDY vs. NEUTRÁLNÍ TUKY „Úloha lipidů ve fyziologii a patofyziologii buněk“ Dynamický charakter biologických membrán (model) PC - fosfatidylcholin diC 16 – k. palmitová diC 18:2 – k. linoleová chol - cholesterol 14 Dynamický charakter biologických membrán (model) Pietzsch J et al., Nature Reviews, October 2004 Zajištění většiny biologických funkcí se neobejde bez unikátních interakcí lipidových komponent jako jsou VNMK s dalšími biologicky významnými molekulami. VNMK jsou součástí lipidových raftů: membránových mikrodomén obohacených o glykosfingolipidy a cholesterol Jejich modulace mohou významně měnit intenzitu a také směr signálové transdukce PC - fosfatidylcholin diC 16 – k. palmitová diC 18:2 – k. linoleová chol - cholesterol Červená – nenasycené lipidy Zelená - nasycené lipidy A - planární rozložení C - liposom D.G.Cornwell and N.Morisaki, Free Radicals in Biology. Vol.6, 1984 15 D.G.Cornwell and N.Morisaki, Free Radicals in Biology. Vol.6, 1984 16 17 D.G.Cornwell and N.Morisaki, Free Radicals in Biology. Vol.6, 1984 D. G. Cornwell and N. Morisaki, Free Radicals in Biology. Vol.6, 1984 VLIV KONCENTRACE NENASYCENÝCH MASTNÝCH KYSELIN NA PROLIFERACI NÁDOROVÝCH (leukemických) BUNĚK (shrnutí do r. 1985) („FATTY ACID PARADOXES“ ) 19 Spektrum eikosanoisů D.G.Cornwell and N.Morisaki, Free Radicals in Biology. Vol.6, 1984 VLIV KONCENTRACE NENASYCENÝCH MASTNÝCH KYSELIN NA PROLIFERACI NÁDOROVÝCH BUNĚK – shrnutí (do r. 1985) („FATTY ACID PARADOXES“ ) Efekty závisí na koncentraci – další závěry z oblasti nádorové problematiky: (VNMK mohou generovat jak + , tak – signál na proliferaci) Lipidomics reveals membrane lipid remodelling and release of potential lipid mediators during early stress responses in a murine melanoma cell line Gábor Balogh a, Mária Péter a, Gerhard Liebisch b, Ibolya Horváth a, Zsolt Török a, Enikő Nagy a, Andriy Maslyanko a, Sándor Benkő c, Gerd Schmitz b, John L. Harwood d,, László Vígh a,Biochimica et Biophysica Acta xxx (2010) xxx–xxx Overview of the potential arachidonic acid releasing pathways, applied inhibitors and detected lipid intermediates (underlined). Note that DAG, AA and Ca2+ are known Hsp upregulators. Funkční změny vyvolané vnějšími podněty (alteration of the function of a biological system, induced by external or internal mechanisms) J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038. doi: 10.1194/jlr.R900004-JLR200. N-6 (CH3) Čtyři cesty metabolické přeměny AA MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS CYCLOOXYGENASES EPOXYGENASES (P450) LIPOXYGENASES CH2 CH CO NH CH2 COOH NH COCH2CH2CHCOOH NH2 C5H11 OH S COOH COOH LTA4 LTF4 LTE4 LTD4 LTC4LTB4 EPOXYACIDS, DIOLS, etc. TXB2 TXA2 PGI2 PGD2 PGE2 PGH2 PGG2 LTC4: PLA2 O OH COOH OH PGE2: Major eicosanoid biosynthetic pathways. The metabolites of the major pathways are indicated in color: COX (purple), 5-LOX (orange), 15-LOX (green), 12-LOX (yellow), CYP epoxygenase (red), CYP ω-hydroxylase (cyan), and nonenzymatic oxidation (gray) J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038. . PG nomenclature and structure. Arachidonic acid carbons are numbered 1–20, starting from the carboxylate. The prostaglandin letter indicates composition of the prostane ring, with PGH2 as an example. J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038. Structures of 5-lipoxygenase metabolites. 5-Lipoxygenase creates the labile epoxide LTA4, which can be enzymatically converted into LTB4, LTC4, and LXA4. From: J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038. doi: 10.1194/jlr.R900004-JLR200. (cystein) Structure of eoxin C4. Eoxins are the 15-LOX analogs of the cysteinyl leukotrienes, where the thiol attachment occurs at C-14. From: J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038. doi: 10.1194/jlr.R900004-JLR200. Examples of LTB4 metabolism by β-oxidation, CYP ω-hydrolases, and glucuronidation. J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038. J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038. From: J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038. receptory růstové signály molekuly signálové transdukce molekuly zesilovací kaskády regulátory transkripce cykliny CDKs p27 p21 p16 p15 + - receptory růstové signály hydrofilní povahy (proteiny, katecholaminy, apod.) molekuly signálové transdukce molekuly zesilovací kaskády regulátory transkripce cykliny CDKs p27 p21 p16 p15 Lipofilní regulátory 32 Transdukce (přenos) signálů CSF-1 c-fms PKC? e.g.u-PA, JE, KC b actin, fibronectin R (b) hck, frg fos, jun, myc G1 cyclins DNAsynthesis mRNA nucleus ? Glucose ? K+ Na+ Na+ H+ PKC tyr tyr-P receptor substrates e.g. PI-3 kinase G proteins (ras/GAP?) other effectors e.g. RAF-1 kinase Fluid-phase pinocytosis phospholipids phospholipase s DAG ? ? Growth factor Receptor DNA synthesis Transducer Effector 2nd messenger Target Regulatory proteins RNA/protein synthesis Tyrosine kinase abl erb B2/neu fes/fps fgr fyn kit lck met ret sea src trk yes Nuclear fos jun myb myc ski Serine kinase mil/raf mos pim-1 pks raf rel G protein rab ral ras Receptor bek erb B fkg fms mas ros Growth factor fgf- 5 hst sis int- 2 MEMBRANECYTOSOLNUCLEUS Receptor Receptor Receptor Receptor Receptor tyrosine kinase G protein PLCg G protein G protein PLA2 Adenylyl- cyclase Na+/H- antiport [pH]i ? cAMP PKA Arachidonate PG TX Calmodulin DG IP3 PK C PK (?) [Ca2+]i Oncogenes podle: G.Powis: TiPS; 12: 188 -194, 1991 mRNA RE proteiny inhibice (NSAID) membránové fosfolipidy jaderné receptory transkripční faktory (NFkB, PPAR, AP-1...) signální kaskáda membránová fluidita PUFA vnitrobuněčné funkce membránové fosfolipidy SIGNÁL (např. cytokiny) sekrece inserce n-6 PUFA (AA, LA) n-3 PUFA Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) eikosanoidy LOX COXP450 kyselinakyselina arachidonováarachidonová ROS lipidová peroxidace genová exprese DNA mRNA RE mRNA RE proteiny inhibice (NSAID) membránové fosfolipidy jaderné receptory transkripční faktory (NFkB, PPAR, AP-1...) signální kaskáda membránová fluidita PUFA vnitrobuněčné funkce membránové fosfolipidy SIGNÁL (např. cytokiny) sekrece inserce n-6 PUFA (AA, LA) n-6 PUFA (AA, LA) n-3 PUFAn-3 PUFA Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) eikosanoidy LOX COXP450 kyselinakyselina arachidonováarachidonovákyselinakyselina arachidonováarachidonová ROSROS lipidová peroxidace lipidová peroxidace genová exprese DNA (stresory) změny metabolismu, buněčného růstu diferenciace a apoptózy lipidové rafty MOLEKULÁRNÍ MECHANISMY působení ω-3 a ω-6 VNMK (mediátory a modulátory buněčné signalizační sítě) Modulace cytokinetiky látkami tukové povahy Lipidy a zejména jejich složky vysoce nenasycené kyseliny (PUFA), včetně jejich metabolitů eikosanoidů, patří mezi významné epigeneticky působící faktory schopné ovlivnit jak dělení a zánik normálních, ale i transformovaných buněčných populací, tak proces maligní transformace. Faktory, které mohou modulovat rychlost dělení, diferenciaci anebo zánik buněk Faktory, které mohou ovlivnit cytokinetiku změnami ------------------------------------------------------------------------------ 1) exprese anebo funkce molekul zapojených v přenosu signálů přímo regulujících proliferaci, diferenciaci a buněčnou smrt (apoptózou), včetně exprese protoonkogenů a nádorově-supresorových genů ---------------------------------------------------------------------------------------------- 2) signálů, které tyto funkce ovlivňují do určité míry nepřímo, jako jsou inhibice mezibuněčných spojení, ovlivnění funkce enzymů reparujících DNA, metylace DNA apod. Hlavní mechanismy působení PUFAs 1) přímé ovlivnění aktivity transkripčních faktorů regulujících expresi genů významných z hlediska cytokinetiky 2) produkce eikosanoidů působících na přenos signálů cytokinů a imunitní systém 3) produkce reaktivních kyslíkových metabolitů vznikajících peroxidací lipidů. Význam rovnováhy v přísunu prekursorových PUFAs a v produkci jednotlivých jejich metabolitů Efekty inhibitorů metabolismu AA význam rovnováhy v přísunu prekursorových PUFAs a v produkci jednotlivých jejich metabolitů MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS CYCLOOXYGENASES EPOXYGENASES (P450) LIPOXYGENASES CH2 CH CO NH CH2 COOH NH COCH2CH2CHCOOH NH2 C5H11 OH S COOH COOH LTA4 LTF4 LTE4 LTD4 LTC4LTB4 EPOXYACIDS, DIOLS, etc. TXB2 TXA2 PGI2 PGD2 PGE2 PGH2 PGG2 LTC4: PLA2 O OH COOH OH PGE2: ARACHIDONIC ACID MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS INDOMETHACIN DICLOPHENAC MK - 886 NDGA ESC 5-LIPOXYGENASE CYCLOOXYGENASES 12-LIPOXYGENASE P450-MONOOXYGENASES FLAP Arachidonic acid: metabolic pathways and its possible modulations abbreviations: ETYA = 5,8,11,14 -eicosatetraynoic acid ESC = esculetin NDGA = nordihydroguaiaretic acid FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9-HE = 9-hydroxyellipticin HETEs = hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs = hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs = epoxyeicosatrienoic acids SKF525A = proadifen SKF525A, 9-HE ETYA PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS 12-HETEs 12-HPETEs LEUKOTRIENES EETs HETEs DIOLS (15-LIPOXYGENASE) -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 1 3 10 30 100 %kontroly -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 0,3 1 3 10 30 koncentrace (mM) %kontroly Ibuprofen -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 1 3 10 30 100 koncentrace (mM) %kontroly -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 0,3 1 3 10 30 koncentrace (mM) %kontroly PRODUKTY LIPOXYGENÁZ A CYKLOOXYGENÁZ VORE et al., J. Immunol. : 11, 435 - 442, 1989 koncentrace (mM) NDGA Esculetin Indomethacin P450 ? EETs HETEs diols 12-LIPOXYGENASE (15 - LIPOXYGENASE) PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS LEUKOTRIENES 12 HPETs 12 HETEsCYCLOOXYGENASES ?ARACHIDONIC ACID MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS ? 5 - LIPOXYGENASE FLAP ESC MK-886 PLA 2 PLA 2 P recepto r growth factors hormones AA - ion channel activity - guanylate cyclase - adenylate cyclase protein kinase C protein kinase A tyrosine kinase MAP kinase G- proteins cyclooxygenases lipoxygenases CP450 monooxygenases eicosanoids transcription factors gene expression cell growth + According to: A. Sellmayer et al.: Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids ; 57: 353 - 357, 1997. Děkuji za pozornost