Biochemie kůže Jana Novotná

Kůže Bariéra proti různým druhům poškození (UV radiace, mechanické, chemické a biologické poškození); periferní systém „vnímání“; systém udržující homeostázi těla; 2 m2 plochy; ~ 2.5 mm průměrná tloušťka, 6% váhy těla (5 – 6 kg); bariéra proti vysychání, vodotěsný obal, udržování tělesné teploty; ochrana proti UV radiaci – absorbující pigmentační systém; komplexní immunoregulační ochrana; pH mírně kyselé  4.2 - 5.6.

Kožní vrstvy Primárně dvě vrstvy: pokožka (epidermis) , izolace proti vysychání, bariéra proti infekci; škára (dermis) je odpovědná za pevnost. Hlavní funkce – regulace teploty a zásobování epidermis živinami. Velký obsah vody. Podkožní vazivo (hypodermis) není součástí kůže

Epidermis Stratum basale – jediná vrstva buněk s intenzivní mitotickou aktivitou, obsahuje melanocy, Merkelovy buňky (receptorové buňky) Stratum spinosum – 8 – 10 vrstev keratinocytů, buňky spojené desmozomy, obsahuje Langerhansovy buňky Stratum granulosum – 3 – 5 vrstev nedělících se keratinocytů, s množstvím váčků obsahujících například lipidy, keratinohyalin, meziprodukt rohovatění, bariéra; Stratum lucidum – tenká průsvitná vrstva extrémě oploštělých buněk, začínají degenerovat, mizí některé buněčné organely Stratum corneum – rohová vrstva (tloušťka 0,01 až 0,04 mm), 15 – 30 vrstev bezjaderných a plně keratinizovaných buněk, buňky rohové vrstvy, korneocyty - vlastní kožní bariéra;. Vnější rohovějící vrstevnatý dlaždicový epitel (bez vaskularizace (75 – 150 mm)

Keratin Keratin (rohovina) nerozpustný skleroprotein V buňkách - intermediární filamenta (KIF) - proteiny tvořící cytoskelet. Vlasy, nehty, zrohovatělé vrstvy kůže – tvořeny keratinem z mrtvých kožní buněk. Savci - a-keratiny, ptáci, plazi - b-keratiny Dva typy a-keratinů keratiny I typu – menší, kyselé, označené jako K9 - K23 (vlasové Ha1–Ha8) keratiny II typu – větší, bazické, označené jako K1 - K8 (vlasové Hb1–Hb6) heterodimery – kombinace obou

Struktura keratinu pravotočivý a-helix levotočivá civka (superzávit) ~ 30 geneticky odlišných keratinů v lidské kůži dlouhé úseky a-helixu přerušené krátkými lineárními úseky cívka (superzávit, provazec) zvyšuje pevnost struktury – pevnost umocněna přítomností hydrofóbních aminokyselin v místě styku a-řetězců nejvíce zastoupené aminokyseliny Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, 14% cysteinu (u lidského vlasu) Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry

Struktura keratinu Intra- a intermolekulární vazby – vodíkové vazby, disulfidické můstky Keratiny I a II typu spolu vytváří v buňkách páry cytoskelet epiteliálních buněk - K14 (typ I)/K5 (typ II), K18 (typ I)/K8 (typ II) proliferující keratinocyty S. basale – K5 (typ II)/K14 (typ I) S. spinosum a S. granulosum – K10 (typ I)/K1 (typ II) S. corneum – K3 (typ I)/K12 (typ II) Vlasy a nehty – různé typy dalších keratinových párů

Vrozená onemocnění Epidermolysis bullosa symplex (EBS), či bulózní epidermolýza - vzácné vrozené dědičné onemocnění – bodová mutace v genu pro K14 nebo K5, pouze u bazálních buněk epidermis. Vysoce zakonzervovaný arginin (R125) v K14 nahrazen buď cysteinem nebo histidinem. Snížení mechanické pružnosti keratinových intermediárních filament. Vlákna mutovaného keratinu K5/K14R125 jsou menší, je jich méně, než u nemutovaného keratinu K5/K14. U nejmírnější Weber-Cockayne formy (EBS-WC) - puchýře na kůži dlaní a chodidel. Keratóza epidermolytická– bodová mutace v genu pro K1 a K10 (S. spinosum a S. basale. Hyperkeratóza, puchýře

Kožní bariéra Kožní bariéra má podstatnou roli v hydrataci kůže i průniku alergenů a škodlivin do kůže. Funkcí kožní bariéry je tedy udržet vodu uvnitř kůže a škodliviny vně. Porucha přispívá také ke vzniku některých onemocnění, např. atopické dermatitidy. Hlavní složku kožní bariéry tvoří ceramidy.

Epidermální bariéra Bariéra vzniká během terminálního stádia keratinocytů – vysoký stupeň zesíťování proteinů a lipidů - „biologické lepidlo“ Post-translační modifikace proteinů – kovalentní vazeby mezi volnými NH3 skupinami (např. lysinu) a g-karboxamidovou skupinou glutaminu (transglutamináza) Proteiny vysoce rezistentní vůči mechanickému poškození a proteolýze.

Epidermální bariéra Kvalita bariéry S. corneum závisí na ekvimolární koncentraci ceramidů, cholesterolu a mastných kyselin. Změny v jejich koncentraci nebo inhibice enzymů syntézy lipidů  změny propustnosti bariéry. Ceramidy – 50% všech lipidů v S. corneum, dále cholesterol, a volné mastné kyseliny. pH kůže mírně kyselé – nutné pro udržení homeostáze epidermální propustné bariéry (laktát, volné MK v potu), optimální pro enzymy extracelulární matrix. „Hodní“ mikrobi potřebují nižší pH, nepřátelští“ mikrobi (stafylokok) potřebují neutrální/vyšší pH.

Epidermální bariéra Mastné kyseliny – endogenní (produkty buněk epidermis) a exogenní (z potravy) Aktivní metabolismus polynenasycených mastných kyselin (PUFA) – 20ti uhlíkaté PUFA – linoleová, arachidonová → cyklooxygenasa, a lipoxygenasa → prostaglandiny, prostacykliny (při alergických reakcích). Propustnost bariéry závisí na kvalitě lipidových lamel mezi korneocyty. Chaos v uspřádání mastných kyselin  vznik kožních chorob – atopický ekzém (abnormální snížení omega-6 mastných kyselin a ceramidů) Xenobiotika z vnějšího prostředí - odstraňování cytochromy P450 (CYP) –– epidermis a mazové žlázy. Určité typy CYP jsou specifické pro keratinocyty (odbourání farmaceutik, komponent kosmetik atd.)

Diferenciace a metabolický obrat epidermálních buněk Keratinocyty S.basale → přeměna na buňky rohové vrstvy korneocyty ~ 30 dnů Poškozené buňky odstraněny odlupováním. Poškození genetické informace - (UV) → zpuštění buněčné apoptózy (hodiny) – „sežehnuté“ buňky. Ochrana kůže proti UV záření – hromadění melaninu kolem jader poškozených keratinocytů. Chemické, mechanické imunologické insulty také vedou k apoptóze keratinocytů. Hlavním markerem pro diferenciaci keratinocytů je exprese jednotlivých párů keratinů proliferující basální keratinocyty – exprese K5 a K14 keratinocy ve fázi ranné diferenciace přepnou na K1 a K10.

Diferenciace a metabolický obrat epidermálních buněk „Pluripotentní“ kmenová buňka (keratinocyty mazových žláz, vlasových folikulů a epidermis) pochází z vlasového folikulu. Ca2+ - stěžejní úloha v epidermální diferenciaci – 4x zvýšené extracelulární Ca2+ v S. corneum. Keratinocyty syntetizují involukrin – protein s opakujícími se sekvencemi s Glu  sesítování v transglutaminázové reakci Keratinocyty – diferenciaci regulují thyroidní a steroidní hormony, vitaminy - D3 a retinol z potravy. Buňky kůže mají jaderné receptory pro glukokortikoidy, estrogen, androgeny a progesteron.

Diferenciace a metabolický obrat epidermálních buněk Receptory pro Ca2+-dependentní integriny – vazba přes fibronektin na extracelulární matrix. Laminin a kolagen IV a VII (basální membrány) – regulace migrace keratinocytů po bazální membráně (důležité během hojení). Migrující keratinocyty produkují matrixové metalopropteinasy. Keratinocyty v S. graulosum obsahují keratohyalin a lamelární granula bohatá na lipidy. Lipidy z lamelárních granul tvoří lipidové vrstvy – součást lipidové propustné bariery epidermis.

Melanocyty Melanocyty - melanin produkující buňky (S. basale) Prekursor - melanoblast Melanin je uchováván v melanosomech. 1 melanocyt je v kontaktu se ~ 40 keratinocyty Melanocyty svými rameny transportují melanin melanosomy do cytoplasmy keratinocytů

Melanozomy GTPasa Rab27a spojená s melanozomy, reguluje jejich transport do periferní cytoplasmy kožních melanocytů. Transport melanozomu vyžaduje cytoskeletární mikrotubuly a aktin. Myší melanocyt ve tkáňové kultuře obarven na filamenta aktinu (červeně) a mikrotubuly (modře). Rab27a-značené melanozomy (zeleně) mají k cytoskeletu úzký vztah . Hume et al. JCB 2001;152 (4): 795

Tvorba melaninu - melanogeneze Stadium I - melanosomy – eliptické, membránou obklopené organely bez aktivity tyrosinasy (TYR) Tyrosinasa – nejprve projde post-translačními reakcemi – glykosylace- v Golgi. Tyrosinasa do melanosom ve stadiu II - premelanosom → melanosom Melanosom migruje do výběžku melanocytu (stadium III) – více melaninu → váček zcela vyplněn melaninem (stadium IV → přenesení do keratinocytů).

Tvorba melaninu - melanogeneze Čtyři i enzymy jsou pro syntézu melaninu nezbytné tyrosináza (TYR) – kritický krok – hydroxylace tyrosinu, tyrosinase-related protein 1 (TRP1), tyrosinase-related protein 2 (TRP-2) a DOPAchrome tautomeráza (reakce DOPAchinon na DOPAchrom spontánn´oxidace

Regulační proteiny melanogeneze Vývoj melanocytů je zcela závislý na působení transkripčního faktoru, proteinu MITF (microphthalmia-associated transcription factors): aktivace regulačních transkripčních faktorů a signálních drah kontrola proliferace a diferenciace melanoblastů a melanoctů. kontrola pigmentace přes regulaci transkripce tyrozinázy, TRP-1 a TRP-2. MITF klíčový transkripční faktor pro protein důležitý pro transport melanozomu (Rab27a)

Parakrinní stimulace melanogeneze Melanogenezi stimululí melanotropní hormony - α-MSH, β-MSH, ACTH, odvozené z proopiomelanokortinu (POMC). Exprese a další zpracování POMC se podobá témuž procesu v hypotalamu. Exprese POMC u keratinocytů (a-MSH, b-MSH nebo ACTH) po UV ozáření  zvýší se kožní pigmentaci v oblasti ozářené sluncem. Melanokortin receptor 1 (MC1R) je spřažený s malými G proteiny (Gs a, b, g). Gs proteiny po aktivaci receptoru MC1R aktivují adenylyl cyklázu (AC). AC produkce cAMP  aktivace stimulace melanogeneze PKA  fosforylace enzymů, iontových kanálů a několika regulačních proteinů  exprese příslušných genů. Exprese POMC a dalších aktivační dráhy pro tvorbu melaninu koreluje se stádiem diferenciace melanocytů, keratinocytů a buněk vlasového folikulu.

Melaniny Tmavohnědý eumelanin a rezavě zbarvený feomelanin Eumelanin - vysoce heterogenní polymer DHI a DHICA jednotek v redukovaném nebo oxidovaném stavu. Feomelanin - hlavně benzothiazinové deriváty obsahující síru. Neuromelanin produkovaný dopaminergními neurony v substantia nigra. Melanin absorbuje UV záření o vlnové délce 280 - 320 nm Granula melaninu se hromadí okolo jader keratinocytů – protekce proti UV záření poškození DNA Eumelanin i feomelanin mají ochrannou úlohu – váží se na kationty, anionty, chemické látky aj.

Faktory ovlivňující tvorbu melaninů Fibroblasty kůže (a zřejmě i další buňky) - produkují cytokiny, růstové faktory, mediátory zánětu – zvýšení produkce melaninu v melanocytech a stimulace jeho přenosu do keratinocytů. Další faktory produkované keratinocyty, které regulují proliferaci a diferenciaci melanocytů : α-MSH, ACTH, bazický fibroblastový růstový faktor (bFGF), nervový růstový faktor (NGF), endotheliny, granulocytární-makrofágový kolonie stimulující faktor (GM-CSF), hepatocytární růstový faktor (HGF).

Další buňky epidermis Langerhansovy buňky - dendritické buňky – původ v kostní dřeni, 2 - 8% epidermis Součástí imunitního systému, interakce s T-buňkami Ke keratinocytům se váží pomocí E- kadherinového receptoru Jejich pohyb regulován specifickým integrinovým receptorem a α –TNF V S. germinativum interagují s alergenem, pak migrují do lymfatických uzlin → tam “školí” T buňky o alergenu Interagují s T-lymfocyty a keratinocyty – iniciace reakce hostitele proti antigenu (alergenům) UV B záření stimuluje syntézu a uvolnění TNF- keratinocyty → změna chování a morfologie Langerhansových buněk, snížení jejich počtu. Cadherins (Calcium-dependent adhesion molecules) are a class of type-1 transmembrane proteins. They play important roles in cell adhesion, ensuring that cells within tissues are bound together. They are dependent on calcium (Ca2+) ions to function, hence their name. E-cadherins are found in epithelial tissue; N-cadherins are found in neurons; and P-cadherins are found in the placenta.

Dermis odpovídá za pevnost kůže – hlavní funkcí je regulace teploty a výživa epidermis Velká část tělesné vody je v dermis Komponenty: pojivová tkáň vlasové folikuly potní žlázy mazové žlázy apokrinní žlázy lymfatické cévy kapiláry Hlavní buněčná složka - fibroblast

Proteiny dermis kolagen – asi 90% proteinů dermis převažující typ I (85 – 90%), typ III (8 -11%), minoritní typ V (2 – 4%), (papilární dermis, matrix okolo cév a nervů), type VI – spojený s fibrilami typu I a v interfibrilárním prostoru (zodpovědný za jemnou strukturu kůže v časném prenatálním stádiu). Elastin, proteoglykany, glykoproteiny, voda a hyaluronová kyselina Struktura kolagenu, elastinu, proteoglykanů, glykoproteinů – viz přednáška Proteiny extracelulární matrix.

Kožní adnexa (přídatné orgány kůže) Kůže zajišťuje homeostázi a proto je vybavena sekreční kapacitou (uvolnění chemických látek zajišťujících fyziologické funkce) exkreční kapacitou (odstranění odpadních látek metabolismu). potní žlázy [tvorba potu se silným zápachem (apokrinní sekrece), se slabým zápachem (ekrinní sekrece)]. mazové žlázy (sekrece mazu do vlasového folikulu). vlasové folikuly

Potní žlázy 3 – 4 miliony ekrinních potních žláz – zajištění tepelné regulace těla pocením udržování povrchové teploty kůže 37.5oC. Maximální výdej vody ekrinním žlázami může přesáhnout více jak 3 l/hod., ztráta tepla může přesáhnout 18 kcal min-1. Ekrinní potní žlázy primárně slouží k ochlazení těla. Apocrinní potní žlázy jsou větší, mají jiný mechanismus tvorby potu, výskyt je omezen na axilu a perianální oblast

Tvorba potu Aktivitu ekrinní žlázy reguluje sympatická inervace jemných nervů okolo žlázy. Neurotransmiterem je acelylcholin. Pocení kontroluje hypothalamus s termosensitivními neurony. Stimulem pro pocení je: teplo samotné (39 - 46oC) fyziologické pocení je regulováno reflexně z centra v hypothalamu (termoregulace) a kortexu v mozku (emocionální podnět).

Pot ekrinních žláz voda (99.0 – 99.5%) electrolyty NaCl, K+ a HCO3-, laktát, urea, čpavek, aminokyseliny (serin, ornithin, citrulin, aspartát) minerály Složení minerálů závisí na: vlastní aklimatizaci na teplo, cvičení a tělesné námaze, vystavení stresu

Pot apokrinních žláz U nižších savců – sekrece feromonů (spuštění sexuálního a teritoriálního chování). U člověka – význam apokrinní sekrece feromonů není zcela objasněna. Apokrinní sekrece začíná v pubertě. Apokrinní žláza ústí v prostoru vlasového folikulu. Konzistence apokriního potu – více viskózní, mléčná konzistence díky vysokému obsahu mastných kyselin, cholesterolu, skvalenu, triglyceridů, androgenů, čpavku.

Obsah minerálů v potu sodík 0.9 g/l draslík 0.2 g/l vápník 15 mg/l hořčík 1.3 mg/l zinek 0.4 mg/l měď 0.3 – 0.8 mg/l železo 1 mg/l chrom 0.1 mg/l nikl 0.05 mg/l olovo Stopové prvky

Mazové žlázy Žlázy vylučují mastnou, voskovitou hmotu, tzv. maz - směs triglyceridů (41%), vosků (25%), volných mastných kyselin (16%) skvalenu (1%) malé množství cholesterolu a esterů cholesterolu. Produkce mazu je nepřetržitá a poruchy jeho sekrece a transportu jsou jednou z příčin tvorby akné.

Vlasy Vlasový stvol – tři vrstvy: kutikula, kortex a medul. Obsahuje a-keratiny, lipidy, pigment a stopové prvky. Lipidy zajišťují nesmáčivost vlasu, 58 % všech lipidů tvoří rozvětvené 21 uhlíkaté nenasycené mastné kyseliny (methyl-eikosanové kyseliny, jejich funkce není zatím známa)

Metabolismus kůže Primární zdroj energie – glukóza z cirkulace – difunduje do keratinocytů bez vlivu insulinu. Velké množství glukózy se metabolizuje na laktát (i za přístupu kyslíku) Krebsův cyklus probíhá v epidermis – proto není efektivní během velkého kolísání teploty a průtoku krve v kůži. 20% glukózy se metabolizuje pentoso-fosfátovou dráhou – tvorba NADPH a pentos pro tvorbu mastných kyselin a nukleových kyselin. Sekundární zdroj energie - mastné kyseliny, pocházejí z epidermálních i exogenních zdrojů (při omezeném přísunu glukózy)

Metabolismus kůže Metabolismus lipidů - komponenty: a) membrán, b) hlavní složka kožní bariéry, c) zdroj energie Lipogeneze probíhá ve všech vrstvách epidermis, syntéza mazu v mazových žlázách z lipidů z cirkulace Odbourávání – pomocí lipáz

Imunitní systém v kůži Kůže poskytuje obranu nejen sobě, ale i celému organismus. Různé buněčné typy vylučují škálu mediátorů imunitní odpovědi Langerhansovy buňky, monocyty, makrofágy, žírné buňky (spolupracují s T-buňkami) Typy buněk produkující ROS, antibakteriální peptidy, cytokiny, chemokiny, pro- a proti-zánětlivé mediátory neutrofily, eosinofily, basofily.

Kůže odstraňuje xenobiotika Kůže je neustále vystavena různým toxickým vlivům (léčiva, kosmetické přípravky). Xenobiotika se dostávají přes S. corneum podle svých fyzikálně-chemických vlastností (rozpustnost, rychlost difúze). Epidermis a mazové žlázy exprimují různé cytochromy P450 (rozsáhlá skupina hemoproteinových enzymů, oznečení také CYP - oxidace substrátů, zvýšení jejich rozpustnosti). Většina léčiv užívaných v dermatologické praxi jsou buď aktivátory nebo inhibitory CYP enzymů.

Použitá literatura Tobin, D.J. Biochemistry of skin – our brain on the outside. Chem. Soc. Rev. 2006; 35:52-67. K. Rousseau et al.: Proopiomelanokortin (POMC), the ACTH/melanokortin prekursor, is secreted by human epidermal keratinocytes and stimulates melanogenesis. The FASEB Journal 2007, 2: 1844 – 1856. Costin, G.E. Hearing, V.J.: Human skin pigmentation: melanocytes modulate skin color in response to stress. The FASEB Journal 2007; 21: 976-994. I.F.S. Videira, D.F.L. Maura, S-.Magina: Mechanism regulating melanogenesis. An. Bras. Dermatol 2013, 88: 76-83. J.M. Gillbro, M.J. Olsson. The melanogenesis and mechanism of skin-lightening agents – existing and new approaches. Int. J. Cosmetic Science 2011, 33: 210-221.