Patofyziologické aspekty metabolismu lipidů VL 2017 26. 4. 2017 Nutriční a energergetický metabolismus  Nutriční a energetický metabolismus u savců se silně řídí diurnálními rytmy.  Optimalizace této funkce vyžaduje časově závislou koordinaci mezi metabolickými stavy a jejich vztahy k biologickým hodinám.  V tomto kontextu může plnit cyklická aktivace autofagie během cyklu světlo-tma několik kritických rolí:  Autofagická degradace poskytuje energii a biosyntetické intermediární produkty, které optimalizují buněčnou i systémovou homeostázu v souladu s výživou.  Periodická aktivace autofagie přispívá k obratu proteomu a k homeostáze organel.  Čekáme na práce rozvádějící patofyziologický efekt těchto změn v průběhu nemocí… Autofágie  Autofagie je katabolický proces, který vede k “sebepojídání “ a následné recyklaci proteinů a organel v zájmu udržení homeostázy v buňce. Dochází k obalení organel do tzv. autofagozomu, který následně splyne s kyselým lysozomem za vzniku ATP. Buňka tím ztrácí povrchové receptory a zejména mitochondrie. Tento proces má význam v rozvoji řady nemocí – např. buňky nádorů se touto cestou stávají netečné k okolí a tím rezistentní k cytostatické léčbě. Rytmus autofágie a diurnální metabolická homeostáza. Rytmická aktivace autofágie je řízena biologickými hodinami a nutričními signály a podílí se na nutriční a energetické homeostáze v rámci diurnální aktivity, na proteomové a organelové remodelaci a na časové kompartmentalizaci tkáňového metabolismu. Integrace cirkadiánní rytmicity a metabolismu. Klíčové komponenty cirkadiánního oscilátoru (růžově) jsou vrátkovány faktory nutričními a hormonálními (zeleně). Paralelně jsou časovací vstupy integrovány s metabolickou regulační sítí, což umožňuje řídit rytmickou expresi metabolických genů. GR, glucocorticoid receptor; RORE, Rev-erb/ROR responsive element. Transkripční a posttranslační regulace autofagie. Autofagie se účastní při degradaci jistých buněčných komponent, jako je cytoplazmatický materiál, proteinové agregáty, poškozené mitochondrie, peroxisomy, lipidové kapénky a některé patogeny (viz dole). Nutriční regulace autofagie je řízena mTOR a AMPaktivovanou protein kinázou (AMPK), která fosforyluje komponenty ULK1–FIP200–ATG („autophagy related gene“) 13 komplexu. Redukovaná exprese Atg7 přispívá k poruše autofágie při obezitě. Autofágie a lysosomální genetický program je řízen několika transkripčními faktory jako jsou C/EBPβ, FOXO, SREBP2 a TFEB. Mitochondrie trpí stresem a potřebuje podpůrné systémy. Jejich funkci poškozují vnitřní faktory (mutace mtDNA) a vnější faktory (oxidativní stres, toxiny). Dysfunkční mitochondrie by měly být eliminovány autofágním systémem (mitofágie). Buněčná homeostáza a mitochondriální funkce-Parkinsonova nemoc jako příklad  Buněčná homeostáza je jasně spojena s funkcí mitochondrií. Některá poškození mitochondriálních proteinů a mtDNA mohou vést k depolarizaci vnitřní mitochondriální membrány, což označí postiženou mitochondrii jako vhodnou pro selektivní eliminaci mitofagií.  Mitochondriální dysfunkce je jedním z klíčových aspektů patobiologie neurodegenerativních nemocí.  Parkin, E3 ligáza lokalizovaná v cytosolu a původně objevená jako mutovaná u monogenních forem Parkinsonské nemoci (PD), se specificky translokuje do elektrochemicky neaktivních („uncoupled“) mitochondrií a indukuje jejich autofagii. Parkin  PARK2, je gen, který způsobuje autosomálně recesivní-juvenilní PD (AR-JP) v 10-15%  PARK2 gen kóduje Parkin (E3 ubiquitin ligáza). Ubikvitinizace Parkinem je velmi obecná.  Parkin sew drastricky akumuluje v depolarizovaných, fragmentovaných mitochondriích, které jsou elektrochemicky neaktivní.  Poškozené mitochondrie jsou zřejmě selektivním cílem pro Parkin. http://dx.doi.org/10.1016/j.bbr.2011.03.031 Metabolismus Figure 24.3 • Kompletní oxidace- energetický zisk  Mastné kyseliny: 9 kcal/g  Cukry: 4 kcal/g  Proteiny: 4 kcal/g Skladovaný tuk  Zejména ve formě triacylglycerolů (triglyceridů v adipocytech  Představuje 84% skladované energie  Cukry (glukóza nebo glykogen)  1% Lipidy jako energetická rezerva  Většina tělesné energie se tvoří oxidací cukrů a tuků.  Cukry: rychlý zdroj energie  Tuky: energetická rezerva  Energetická rezerva tuků je mnohem větší než energetická rezerva glykogenu Zpracování lipidové rezervy  Mobilizace tuků (v tukové tkáni se TAG hydrolyzují na MK + glycerol)  Transport MK z krve do tkání  Aktivace MK na estery koenzymu A  Transport do mitochondrií  Metabolismus acetyl koenzymu A Schéma funkcí žlučových kyselin (BA) v regulaci BA, energie, glukózy a lipidového metabolismuvia farnesoid X receptor (FXR)-a TGR5-mediated signaling pathways. BAT— brown adipose tissue; FGF—fibroblast growth factor; GLP-1—glucagon-like peptide 1 TGR5=Transmembrane G-protein coupled bile acid receptor Farnesoid X receptor (FXR)- a TGR5-modulovaná regulace glukózy a energetické homeostázy žlučovými kyselinami. FGF 19, fibroblast growth factor 19; GLP1, glucagon-like peptide 1; D2, deiodinase. Bilirubin  Až dosud se mělo za to, že bilirubin je především produktem eliminace hemoglobinu ze stárnoucích erytrocytů. Při jeho vzniku se však uvolňuje CO, který, podobně jako NO, funguje jako intracelulární plynný přenašeč. Bilirubin je také efektivní antioxidant. Snižuje oxidaci lipidů a lipoproteinů, zejména LDL cholesterolu a významně se podílí na celkové antioxidační kapacitě krve. Vysoké hladiny bilirubinu proto zřejmě mají antiaterosklerotický potenciál. Nízké hladiny bilirubinu v krvi byly asociovány s vyšším rizikem nemoci koronárních arterií, infarktu myokardu a náhlé srdeční smrti, abnormálního glukózového tolerančního testu, zvýšené exkrece albuminu u pacientů diabetes mellitus, typ II, obezity, hypertenze a metabolického syndromu. Bilirubin  Koncentrace bilirubinu v krvi jsou u člověka vysoce dědičná. Bilirubin je produktem rozkladu bílkovin obsahujících hem a pochází zejména z hemoglobinu. HMOX1 [oxigenáza hemu 1] mění hem na biliverdin, který je redukován pomocí BLVRA (biliverdin reduktáza A) na bilirubin. Bilirubin je nerozpustný ve vodě, v krvi je transportován ve vazbě na albumin a do jaterní buňky se dostává přes bazolaterální membránu přednostně pomocí SLCO1B1 (“solute carrier organic anion transporter family member 1B1”). V játrech je konjugován pomocí UGT1A1 (rodina bilirubin UDP-glukuronosyl transferázy 1, polypeptid A1) a stává se rozpustným ve vodě. Konjugovaný bilirubin je potom aktivně sekretován do žluči pomocí ABCC2 [“membrane ATP-binding cassette subfamily C (CFTR/MRP) member 2”]. Může být také recyklován z hepatocytu pomocí transportéru ABCC3 a vychytán OATP transportními proteiny. V krvi a v intersticiu jsou konjugovaný i nekonjugovaný bilirubin přenášeny ve vazbě na albumin; v hepatocytech jsou ve vazbě na ligandin.  Všechny geny, kódující výše zmíněné enzymy, stejně jako geny ovlivňující délku života erytrocytů (např. G6PD (glukózo-6-fosfát dehydrogenáza), jsou důležitými kandidátními geny pro sérové koncentrace bilirubinu. Cholesterol - cesty exkrece. V klasické cestě apolipoprotein A-I (apo A-l) a high-density lipoprotein modulují transport cholesterolu z periferie do jater. Cholesterol je následně sekretován do žluči a exkretován stolicí. Alternativní cesta (alternativní cesty čárkovaně) zahrnuje transport nežlučového cholesterolu do střeva pro exkreci stolicí. Jak se nebiliární cholesterol dostává do střeva, není dosud jasné. Syntéza lipidů Metabolismus lipidů  Produkce energie pro syntézu lipidů (lipogeneze) vzniká při oxidaci mastných kyselin (MK).  Metabolismus lipidů je spjat s metabolismem cukrů, které mohou být přeměněny na lipidy.  Prvním krokem je hydrolýza tuků, během níž vzniká glycerol a mastné kyseliny.  Jako 3C alkohol je glycerol metabolizován na glykolytický meziprodukt dihydroxyaceton fosfát. Tato reakce je reverzibilní, pokud je glycerol potřebný pro syntézu tuků. Metabolismus lipidů  Hydroxyaceton je metabolizován dvěma způsoby:  Konverze na pyruvát v glykolytickém cyklu  Konverze na glukózo-6 fosfát v glukoneogeneze  MK jsou oxidovány na acetyl CoA v mitochondriích při použití spirály MK. Acetyl CoA je potom konvertován na ATP, CO2 a H2O v citrátovém cyklu a pomocí elektronového transportního řetězce.  MH jsou syntetizovány z cukrů a příležitostně i z proteinů přes acetyl CoA. Podle situace acetyl CoA vstupuje do citrátového cyklu nebo je použit pro syntézu MK (lipogeneze). Osud glycerolu V játrech OH OH OH Glycerol Dihydroxyaceton fosfát Pyruvát Glukóza Glykolýza Glukoneogeneze Lipolysis Produkce energie při oxidaci MK  "Viditelný" ATP:  Ve spirále MK je pouze jedna reakce, která přímo používá ATP v iniciálním kroku. Proto dochází ke ztrátě ATP, která musí být později doplněna.  Během oxidace MK dochází k uvolnění a uskladnění velkého množství ATP. ATP se tvoří ve spirále MK a v citrátovém cyklu.  Spoje k transportu elektronů a ATP:  Jedno kolo spirály MK produkuje ATP v interakci koenzymů FAD (krok 1) a NAD+ (krok 3) s elektronovým transportním řetězcem (e.t.c.). Celkový ATP za jedne kolo spirály MK je:  Elektronový transportní diagram  Krok 1 - FAD do e.t.c. = 2 ATP Krok 3 - NAD+ do e.t.c. = 3 ATP Celkový ATP za 1 kolo spirály = 5 ATP  Počet obratů spirály MK = 7  ATP ze spirály = 7 kol x 5/ kolo = 35 ATP.  Pro start spirály byl potřebný 1 ATP  Čistý počet ATP na jednu spirálu MK = 35 - 1 = 34 ATP Nemoci s poruchou metabolismu lipidů  „Monogenní“ nemoci s akumulací lipidů/ jejich metabolitů  Lipodystrofie  Dyslipidémie Lipidy a viry Lipidy a viry  Modulace lipidového metabolismu může vést k tvorbě energie pro replikaci virů.  Cyklus replikace virů je vysoce energeticky náročný a spotřebovává lipidy v napadených buňkách. Některé viry (HCV) jsou schopny aktivovat metabolismus lipidů a posttranskripčně zvyšovat oxidaci lipidů a tvorbu ATP.  Některé viry jsou schopny indukovat cytosolické procesy, jako je autofágie, které mohou vést k degradaci tukových kapének. Tyto lipidy jsou oxidovány v mitochondriích, což vede k oxidativní fosforylaci a tvorbě ATP. Role lipidů při vstupu virů do buňky  (a) Lipidy mohou sloužit jako přímé receptory pro viry. Proteinový obal virů bez obalu (polyomaviry) může asociovat s lipidy na buněčném povrchu. V mnoha případech tyto lipidy mají cukernou složku (hnědě), který vstupuje do přímé interakce s proteinovým povrchem viru (žlutě). To vede k internalizaci viru.  (b) Lipidové receptory jako nepřímé virové receptory. Viry (žlutě) jako HCV, které asociují s LDL v krvi, se mohou dostat do blízkosti cílových buněk pomocí vazby LDL na receptor pro LDL (LDL-R). Následně interakce s vysoce afinitním virovým receptorem na buněčném povrchu (oranžově). Role lipidů při vstupu virů do buňky  (c) Lipidy jako kofaktoru vstupu. Lipidy mohou modifikovat schopnost viru vstoupit do buňky po iniciální interakci s receptorem. Mnohé viry (žlutě) jako chřipkové, HIV a Ebola virus vstupují do buňky v lipidových mikrodoménách (oranžově) nebo vyžadují přítomnost lipidů pro nějakou etapu během vstupu do buňky.  (d) Lipidy jako kofaktory virové fúze. Některé viry (žlutě) utilizují specifické lipidy (zeleně) ve snaze stimulovat obálku virů k fúzi s membránou cílové buňky. Lipodystrofie  Heterogenní skupina onemocnění definovaná jako lokalizovaná nebo generalizovaná ztráta tělesného tuku.  Je-li lokalizovaná, obvykle souvisí s tukovou hypertrofií jinde v organismu.  Obvykle asociovaná se závažnými metabolickými změnami včetně inzulínové rezistence, dyslipidémie a glukózové intolerance.  Celková ztráta tuku velmi závažná. Lipodystrofie  Různé fenotypy:  Familiární parciální lipodystrofie Dunniganova typu (FPLD): redukce tuku na dolní polovině těla, hypertrofie na horní  Barraquer–Simons syndrom – reverzní fenotyp, mírnější metabolické změny  Problémy na úrovni regulace:  adipogeneze, inzulínové senzitivity, skladování triglyceridů, tvorby tukových kapének, oxidativní stres a remodelace tuku. Celulární cíle alterované mutacemi u lipodystrofií A: proteiny účastníci se adipogeneze na úrovni jaderné DNA a v insulínové signální cestě B: proteiny endoplasmatického retikula a tukových kapének při skladování tuků Apolipoproteiny Apoprotein - MW (Da) Lipoprotein Association Function and Comments apoA-I - 29,016 Chylomicrons, HDL major protein of HDL, binds ABCA1 on macrophages, critical antioxidant protein of HDL, activates lecithin:cholesterol acyltransferase, LCAT apoA-II - 17,400 Chylomicrons, HDL primarily in HDL, enhances hepatic lipase activity apoA-IV - 46,000 Chylomicrons and HDL present in triglyceride rich lipoproteins; synthesized in small intestine, synthesis activated by PYY, acts in central nervous system to inhibit food intake apoB-48 - 241,000 Chylomicrons exclusively found in chylomicrons, derived from apoB-100 gene by RNA editing in intestinal epithelium; lacks the LDL receptor-binding domain of apoB-100 apoB-100 - 513,000 VLDL, IDL and LDL major protein of LDL, binds to LDL receptor; one of the longest known proteins in humans apoC-I - 7,600 Chylomicrons, VLDL, IDL and HDL may also activate LCAT Apolipoproteiny Apoprotein - MW (Da) Lipoprotein Association Function and Comments apoC-II - 8, 916 Chylomicrons, VLDL, IDL and HDL activates lipoprotein lipase apoC-III - 8,750 Chylomicrons, VLDL, IDL and HDL inhibits lipoprotein lipase, interferes with hepatic uptake and catabolism of apoBcontaining lipoproteins, appears to enhance the catabolism of HDL particles, enhances monocyte adhesion to vascular endothelial cells, activates inflammatory signaling pathways apoD, 33,000 HDL closely associated with LCAT cholesterol ester transfer protein, CETP HDL plasma glycoprotein secreted primarily from the liver and is associated with cholesteryl ester transfer from HDLs to LDLs and VLDLs in exchange for triglycerides apoE - 34,000 (at least 3 alleles [E2, E3, E4] each of which have multiple isoforms) Chylomicron remnants, VLDL, IDL and HDL binds to LDL receptor, apoEε-4 allele amplification associated with late-onset Alzheimer's disease apoH - 50,000 (also known as β2glycoprotein I) negatively charged surfaces inhibits serotonin release from platelets, alters ADP-mediated platelet aggregation apo(a) - at least 19 different alleles; protein ranges in size from 300,000 - 800,000 LDL disulfide bonded to apoB-100, forms a complex with LDL identified as lipoprotein(a), Lp(a); strongly resembles plasminogen; may deliver cholesterol to sites of vascular injury, high risk association with premature coronary artery Příznaky hyperlipidémie  Atheroma- plaques in blood vessels Hyperlipidemia signs  Xanthoma- plaques or nodules composed of lipid-layden histiocytes (foamy cells) in the skin, especially the eyelids Tendenous XanthomaXanthoma deposits in tendon, commonly the Achilles Corneal arcus  Lipid deposit in cornea Hypolipoproteinémie Disorder Defect Comments Abetalipoproteinemia (acanthocytosis, BassenKornzweig syndrome) no chylomicrons, VLDLs or LDLs due to defect in apoB expression rare defect; intestine and liver accumulate, malabsorption of fat, retinitis pigmentosa, ataxic neuropathic disease, erythrocytes have thorny appearance Familial hypobetalipoproteinemia at least 20 different apoB gene mutations identified, LDL concentrations 10- 20% of normal, VLDL slightly lower, HDL normal mild or no pathological changes Tangier disease reduced HDL concentrations, no effect on chylomicron or VLDL production tendency to hypertriglyceridemia; some elevation in VLDLs; hypertrophic tonsils with orange appearance Děkuji za pozornost