Udział katalazy w mózgowym i pozamózgowym utlenianiu etanolu, Biochemia, Biochemia, Enzymy

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Alkoholizm i Narkomania 2006, Tom 19: nr 2, 169-182
© 2006 Instytut Psychiatrii i Neurologii
Udział katalazy w mózgowym i pozamózgowym
utlenianiu etanolu
Role of catalase in brain and peripheral oxidation of ethanol
Ewa Czech
1
, Joanna Lewin-Kowalik
2
, Marek Hartleb
3
1
Zakład Radiodiagnostyki i Medycyny Nuklearnej
Katedra Radiologii i Medycyny Nuklearnej Śląskiej AM w Katowicach
2
Katedra i Zakład Fizjologii Śląskiej AM w Katowicach,
3
Katedra i Klinika Gastroenterologii Śląskiej AM w Katowicach
Abstract –
Principal physiological role of catalase is to prevent H
2
O
2
toxicity. Genetic poly-
morphisms of catalase may be either the source of pathological events or by contrast, yield a
protective cellular effect. Another function of catalase is participation in oxidative metabo-
lism of ethanol (EtOH), however, in comparison with main enzymatic systems operating
within the liver, a role of catalase seems to be marginal. On the other hand, in central nervous
system the catalase is first-line EtOH metabolizing enzyme, which has an important influence
on alcohol-related psychopharmacological and behavioral effects. Pharmacological manipulation
of enzymatic activity opens a way to alleviation or enforcement of brain effects of EtOH.
Key words:
catalase, polymorphisms, ethanol, acetaldehyde
Streszczenie –
Najważniejszą fizjologiczną funkcją katalazy jest ochrona przed toksyczno-
ścią H
2
O
2
. Genowe polimorfizmy katalazy mogą być przyczyną zjawisk chorobotwórczych
lub przeciwnie – posiadać dla komórki znaczenie ochronne. Inną funkcją katalazy jest udział
w metabolizmie etanolu (EtOH), jednakże na tle innych układów enzymatycznych obecnych
w wątrobie rola katalazy jest marginalna. Z kolei w ośrodkowym układzie nerwowym katala-
za jest pierwszoplanowym enzymem metabolizmu EtOH. Enzym ten ma istotny wpływ na
wiele poalkoholowych efektów psychofarmakologicznych i behawioralnych. Farmakologiczna
169
Ewa Czech, Joanna Lewin-Kowalik, Marek Hartleb
manipulacja aktywnością katalazy otwiera możliwości łagodzenia lub wzmagania mózgo-
wych efektów działania EtOH.
Słowa kluczowe:
katalaza, polimorfizmy, etanol, acetaldehyd
WSTĘP
Etanol (EtOH), jako mała cząsteczka dobrze rozpuszczalna w wodzie, łatwo przeni-
ka przez błony biologiczne. Bezpośrednio po jego spożyciu szybko ustala się równo-
waga pomiędzy stężeniem EtOH we krwi i tkankach różnych narządów. Biologiczne
działanie EtOH jest wypadkową wielu czynników, takich jak dawka, droga wprowa-
dzenia do organizmu, genetycznie uwarunkowana aktywność enzymów metabolizu-
jących oraz interakcje z różnymi związkami chemicznymi pochodzenia egzogenne-
go lub endogennego. Szczególną rolę biologiczną przypisuje się acetaldehydowi –
metabolitowi pierwszego etapu utleniania EtOH, który jest odpowiedzialny za nie-
które skutki oddziaływania alkoholu, tj. czerwienienie twarzy, zmiany rytmu serca,
prowadzące do spadku ciśnienia tętniczego krwi oraz ospałość, nudności, wymioty
1
.
Najważniejszymi enzymami odpowiedzialnymi za tlenowy metabolizm EtOH w
wątrobie są dehydrogenaza alkoholowa (ADH) i cytochrom P450 (CYP2E1) układu
mikrosomalnego (MEOS). W procesie tym marginalny udział przypisuje się katala-
zie. Poza wątrobą, metabolizm alkoholu zachodzi na wiele mniejszą skalę, lecz róż-
nice w proporcjach enzymów, operujących w poszczególnych narządach sprawiają,
iż metabolizm EtOH jest swoisty narządowo. Jednym z głównych narządów docelo-
wych EtOH jest mózg. EtOH i acetaldehyd wywołują liczne efekty psychofarmako-
logiczne i behawioralne, do których należą: awersja smakowa, pobudzenie aktyw-
ności ruchowej, senność lub tzw. „odruch postawy”. Efekty działania acetaldehydu
są szczególnie wyraźne w przypadku bezpośredniego podania tego związku do śród-
mózgowia, a zwłaszcza do pola brzusznego nakrywki. Badania przeprowadzone na
homogenatach mózgowych i hodowlach szczurzych astrocytów ujawniły, że katala-
za odgrywa decydującą rolę w powstaniu biologicznie znaczących stężeń acetalde-
hydu w mózgu.
CHARAKTERYSTYKA KATALAZY
Katalaza (EC 1.11.1.6, H
2
O
2
: oksydoreduktaza) jest białkiem zbudowanym z 4 iden-
tycznych podjednostek, z których każda o ciężarze molekularnym około 60 kDa za-
wiera 526 aminokwasów. Grupą prostetyczną tego enzymu jest hematyna (związek
Fe
+3
z porfiryną IX). Obecność katalazy wykazano u wszystkich organizmów tleno-
wych, jak również u wielu beztlenowców. Ludzki gen katalazy znajduje się na krót-
kim ramieniu chromosomu 11p13 i jest zbudowany z 13 eksonów oraz 12 intronów (1).
Problem ten został szczegółowo omówiony w innym artykule: Czech E, Hartleb M (2003) Polimor-
fizm genetyczny dehydrogenazy aldehydowej – 2 (ALDH2) i znaczenie patofizjologiczne i kliniczne
aldehydu octowego. Alkoholizm i Narkomania, 16, 1–2, 11–24.
170
 Udział katalazy w mózgowym i pozamózgowym utlenianiu etanolu
Najwyższe stężenia katalazy występują w wątrobie, nerkach, krwinkach czerwo-
nych oraz ośrodkowym układzie nerwowym (OUN). W obrębie hepatocytów katala-
za znajduje się w peroksysomach i mikrosomach. Obecności tego enzymu nie stwier-
dzono natomiast w mięśniówce gładkiej naczyń ani w śródbłonku.
Cechą katalazy jest dwoistość jej działania w zależności od sposobu wykorzysta-
nia H
2
O
2
: reakcja „katalazowa” lub peroksydatywna.
Reakcje katalizowane przez
ten enzym zachodzą dwustopniowo. W pierwszym etapie (charakterystycznym dla
obu typów reakcji) hemowe żelazo katalazy jest utleniane przez jedną cząsteczkę
nadtlenku wodoru do formy oksyferrylowej. W wyniku eliminacji po jednym elek-
tronie z żelaza oraz pierścienia porfirynowego powstaje rodnik kationowy porfiryny
(Por
+
; reakcja 1). W drugim etapie (reakcji „katalazowej”) powstały kompleks en-
zym-substrat [KES I] przyjmuje 2 elektrony z innej cząsteczki nadtlenku wodoru, a
enzym powraca do stanu wyjściowego, z jednoczesnym uwolnieniem wody i tlenu
cząsteczkowego (reakcja 2) (2, 3). Reakcje te mogą zachodzić w warunkach niskie-
go stężenia H
2
O
2
i nieobecności jego donora zewnętrznego, a H
2
O
2
występuje tu
jednocześnie w roli akceptora i donora wodoru.
KES I (Por
+
- Fe
IV
= O) + H
2
O
2
KES I (Por
+
- Fe
IV
= O) + H
2
O (1)
W przypadku obecności egzogennych donorów wodorowych (reakcja peroksyda-
tywna), którymi mogą być m.in. alkohole alifatyczne (AH
2
), do których należy EtOH,
produktami reakcji z KES I są aldehyd oraz forma spoczynkowa katalazy (2)
KES I + AH
2
katalaza + aldehyd
(3)
Katalaza jest enzymem wrażliwym na hamujące działanie związków reagujących
z grupą hemową tego białka. Należą do nich m.in. cyjanek potasu, azydek sodu,
hydroksylamina, 3-amino-1,2,4-triazol (aminotriazol) oraz 2-merkaptoetanol. Stę-
żenie inhibitorów, wymagane dla połowiczego zahamowania aktywności katalazy, jest
bardzo zróżnicowane i głównie zależy od pochodzenia tego enzymu (patrz tabela 1).
Tabela 1.
Stężenia
inhibitorów potrzebne do zahamowania o 50% aktywności katalazy
Concentrations of inhibitors required for 50% inhibition of catalase activity
Pochodzenie katalazy
NaCN
µM
NaN
3
µM
AT
mM
NH
2
OH
µM
Wątroba (wołowa)
30
1,5
40
3,0
Escherichia coli
9
130
>1000
0,12
Helicobacter pylori
150
1,5
350
6,0
Proteus miriabilis
80
60
>1000
100
Erytrocyt (ludzki)
20
1,5
30
2,0
Legenda: NaCN – cyjanek sodu;
NaN
3
– azydek sodu; AT – 3-amino-1,2,4-triazol (aminotriazol); NH
2
OH – hydrok-
sylamina
171
Katalaza (Por- Fe
III
) + H
2
O
2
Katalaza (Por- Fe
III
) + H
2
O + O
2
(2)
Ewa Czech, Joanna Lewin-Kowalik, Marek Hartleb
Polimorfizm katalazy
Większość znanych
mutacji genu katalazy nie pociąga za sobą istotnych zmian w
stężeniu lub czynności enzymu, a co za tym idzie – nie posiada znaczenia patogene-
tycznego. Mutacje te dotyczą intronu 1 oraz eksonu 1, 9 i 10, i są związane z substy-
tucją pojedynczych nukleotydów nie kodującego końca 5’ (4) Stwierdzono też kilka
mutacji/polimorfizmów genu katalazy, mających wpływ na zmianę ekspresji enzy-
mu (patrz tabela 2) (4, 5, 6, 7, 8).
Tabela 2.
Polimorfizmy genu katalazy
Polymorphisms of the catalase gene
Typ mutacji
Rodzaj i lokalizacja
mutacji
Fenotyp
Autor/Rok
Japoński A
Japoński B
Węgierski A
Węgierski B
Węgierski C
Węgierski D
5G>A; 4 intron
358T delecja; 4 ekson
GA inercja; 2 ekson
G inercja; 2 ekson
T>G; 7 intron
G>A; 9 ekson
-262C>T
Akatalazemia (choroba Takahara)
Hipokatalazemia
Akatalazemia, hipokatalazemia
Hipokatalazemia
Hipokatalazemia
Hipokatalazemia
Hiperkatalazemia
Goth/2001 (5)
Hirono/1995 (6)
Goth/2001 (5)
Goth/2001 (5)
Goth/2001 (5)
Goth/2004 (4)
Forsberg/2001 (7)
Christiansen/2004 (8)
Akatalazemią określa się deficyt aktywności katalazy w erytrocytach poniżej 10%
wartości referencyjnej, natomiast hipokatalazemią – spadek aktywności tego enzy-
mu o 50%, dotyczący zarówno erytrocytów, jak i innych tkanek (5). U szczurów i
myszy z akatalazemią wykazano brak aktywności katalazy we krwi, około 50% spa-
dek jej aktywności w mózgu i nerkach oraz prawidłową aktywność tego enzymu w
wątrobie (9).
Pierwszy wrodzony przypadek akatalazemii rozpoznano w 1948 r. w Japonii, a do
2004 roku opisano 113 takich osób. Większość opisów pochodziło z Japonii, Korei,
USA, Szwajcarii i Węgier. Deficyt enzymu jest wynikiem punktowej mutacji, której
dziedziczenie jest autosomalne recesywne.
Ze względu na rzadkość występowania akatalazemii badania kliniczne, dotyczące
znaczenia tego zjawiska, są skąpe. Wiadomo jednak, że obniżona aktywność katala-
zy sprzyja chorobom związanym ze stresem oksydacyjnym, takim jak miażdżyca,
choroby zwyrodnieniowe układu nerwowego, nowotwory, reakcje alergiczne, a tak-
że cukrzyca (4, 7). Ponadto brak aktywności katalazy wiąże się z przedłużonym
działaniem EtOH i zwykle z towarzyszącą temu zjawisku niechęcią do picia alkoholu.
Nie wykazano jednak dziedziczności tego zachowania, bowiem mimo obniżonego stęże-
nia katalazy u potomstwa osób z akatalazemią, skłonność do konsumpcji alkoholu była
porównywalna ze skłonnością w grupie kontrolnej tej samej grupy etnicznej (10, 11).
Polimorfizm genu katalazy związany z zamianą C/T w –262 parze zasad od miejsca
transkrypcji jest przyczyną występowania genotypów TT lub TC, które wiążą się z pod-
172
Udział katalazy w mózgowym i pozamózgowym utlenianiu etanolu
wyższoną aktywnością enzymatyczną katalazy (7, 8). Wydaje się, że hiperakatalazemia
jest zjawiskiem korzystnym chroniącym komórki przed skutkami stresu oksydacyjnego.
Udział katalazy w mózgowym i pozamózgowym metabolizmie EtOH
Małe zainteresowanie wątrobową katalazą wynika z faktu nikłego udziału tego en-
zymu w oksydacji EtOH (12). Katalaza metabolizuje bowiem mniej niż 10% EtOH
docierającego do wątroby. Z kolei w mózgu katalaza wydaje się być pierwszoplano-
wym enzymem, odpowiedzialnym za 50–70% produkcji acetaldehydu w ośrodko-
wym układzie nerwowym (13, 14). Duża aktywność katalazy wiąże się z zapotrze-
bowaniem na H
2
O
2
. Wśród wielu dostępnych źródeł powstawania H
2
O
2
za główne
uważa się proces utleniania kwasu askorbinowego, który w mózgu występuje w du-
żych ilościach (11, 15).
Od 10% do 30% dawki alkoholu jest metabolizowane przedwątrobowo, w prze-
wodzie pokarmowym. Pronko i wsp. (16) badali aktywność ADH, MEOS, katalazy
i dehydrogenazy aldehydowej (ALDH) w śluzówce żołądka, jelita cienkiego, okręż-
nicy i prostnicy szczura. Najwyższą aktywność katalazy stwierdzono w śluzówce
okrężnicy i prostnicy, natomiast w żołądku enzymami dominującymi były ADH i
MEOS. W trakcie przewlekłej podaży EtOH aktywność ADH w śluzówce prostnicy
nie uległa zmianie, ale obserwowano jednocześnie 3-krotny wzrost aktywności MEOS
i aż 5-krotny wzrost aktywności katalazy. Zgodnie z oczekiwaniem ta indukcja alko-
holowa znacząco zwiększyła stężenie acetaldehydu w śluzówce okrężnicy i prostni-
cy szczura, gdzie osiągnął wyższe stężenia niż w wątrobie. Na wysokie stężenie
acetaldehydu w jelicie grubym może mieć wpływ również fakt, że u zwierząt i ludzi
stężenie ALDH w błonie śluzowej okrężnicy i prostnicy jest zdecydowanie niższe
niż w błonie śluzowej żołądka i jelita cienkiego (17). Duża ekspozycja jelita grube-
go na acetaldehyd sprzyja nasileniu proliferacji nabłonka jelitowego, które jest zwią-
zane z ryzykiem nowotworzenia (18).
Większość farmakologicznych i behawioralnych efektów, obserwowanych po spo-
życiu alkoholu, jest następstwem pojawienia się acetaldehydu w mózgu. Stąd suge-
ruje się nawet, by pojęcie alkoholizmu zastąpić aldehydyzmem. Pochodzenie acetal-
dehydu w mózgu jest nadal spornym tematem, gdyż wcześniejsze badania wyklu-
czały obecność w tym narządzie zasadniczych systemów metabolizujących EtOH.
Do niedawna sądzono więc, że acetaldehyd wyprodukowany poza mózgiem pene-
truje przez barierę krew–mózg w stopniu zależnym od stężenia tego związku we
krwi oraz aktywności ALDH w ścianie naczyń mikrokrążenia mózgowego (19, 20).
Ostatnie badania wskazują jednak, że aktywność ALDH w obrębie bariery krew–
mózg jest na tyle wysoka, że na jej pokonanie potrzebne byłoby stężenie ponad 100
µ
173
M acetaldehydu we krwi (21). Stężenie tego związku we krwi po spożyciu alkoho-
lu jest zdecydowanie niższe, stąd powstała hipoteza o mózgowej produkcji acetalde-
hydu. Badania na szczurach wykazały niewielkie aktywności ADH
1
i ADH
4
w nie-
których rejonach mózgu (móżdżek, hipokamp, kora mózgowa) (22). Dotychczas nie
wiadomo, czy enzymy te są obecne w tych strukturach także u ludzi. Badania doty-
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • emaginacja.xlx.pl

    •